基于GaAs_PHEMT工...多通道开关滤波器组MMIC_王胜福.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs20230100848半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月基于 GaAs PHEMT 工艺的超宽带多通道开关滤波器组 MMIC王胜福，王洋，李丽，于江涛，张仕强，李宏军(中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051)摘要:基于 0.25 m GaAs 赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺，研制了一款超宽带 7路开关滤波器组单片微波集成电路(MMIC)芯片。芯片内集成了开关、驱动电路和带通滤波器，实现了开关滤波功能。开关采用反射式串并联混合结构;译码器和驱动电路控制某一支路开关的导通或关断;带通滤波器由集总电感和电容组成。该开关滤波器组芯片通带频率覆盖0.818 GHz。探针测试结果表明，开关滤波器组芯片各个支路的中心插入损耗均小于 8.5 dB，通带内回波损耗小于 10 dB，典型带外衰减大于 40 dB。为后续研发尺寸更小、性能更优的开关滤波器组提供了参考。关键词:GaAs 赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT);超宽带;多通道滤波器;带通滤波器;开关滤波器组;单片微波集成电路(MMIC)中图分类号:TN713文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01004806An Ultra-Wideband Multi-Channel Switching Filter BankMMIC Based on GaAs PHEMT TechnologyWang Shengfu，Wang Yang，Li Li，Yu Jiangtao，Zhang Shiqiang，Li Hongjun(The 13thesearch Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:Based on 0.25 m GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT)technology，an ultra-wideband 7-channel switching filter bank monolithic microwave integrated circuit(MMIC)chip was designed The switches，driver circuits and band-pass filters were integrated insidethe chip to realize the function of switching filtering eflective series-shunt hybrid structure were adoptedto design the switches The on or off of a switch branch was controlled by decoder and driver The band-pass filters were composed of lumped inductance and capacitance The pass band of the switching filterbank chip covers 0.818 GHz The probe test results show that the insertion loss at center frequency ofeach channel is less than 8.5 dB，the in-band return loss is less than 10 dB，the typical out-of-band at-tenuation is greater than 40 dB It provides reference for further research and development of switchingfilter banks with smaller size and better performanceKeywords:GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT);ultra-wideband;multi-channel filter;band-pass filter;switching filter bank;monolithic microwave integrated circuit(MMIC)EEACC:12700引言随着雷达天线频率的不断扩展，选频网络广泛用于通信领域。开关滤波器组是选频网络中的关键器件，具有通过开关切换就能实现多频段选通的特性。基于传统开关滤波器组技术的器件存在体积王胜福等:基于 GaAs PHEMT 工艺的超宽带多通道开关滤波器组 MMIC=January2023Semiconductor Technology Vol48 No149大、质量大、一致性差等缺点，已经不能满足相控阵雷达小型化、轻型化、高集成等方面的发展需求。目前主要有 GaAs pin 二极管和 GaAs 赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)两种方式实现开关滤波器组芯片1。这两种设计方式的主要区别是电路中的开关。基于 pin 二极管的开关具有插入损耗小、耐功率能力高等优势;但是与 pin 二极管开关相比，基于 PHEMT 的开关具有偏置网络简单、控制电流小、开关速度快等特点，并且可以和基于相同工艺的开关驱动控制电路、低噪声放大器、混频器等器件集成，具有应用更加灵活、集成度更高和成本更低等优势23。本文设计的开关滤波器组基于 0.25 m GaAsPHEMT 工艺平台，芯片内部集成开关、保护电路、滤波器和译码器，实现了一种小型化、高性能、多通道、超宽带的开关滤波器组单片微波集成电路(MMIC)芯片，通带频率覆盖 0.818 GHz。1开关滤波器组工作原理本文的开关滤波器组 MMIC 芯片由输入和输出PHEMT 单 刀 双 掷(SPDT)开 关、单 刀 三 掷(SP3T)开关、单刀四掷(SP4T)开关、7 个不同通带频率的带通滤波器和开关驱动控制电路组成。开关滤波器组工作原理框图如图 1 所示。图 1开关滤波器组工作原理框图Fig.1Operating principle block diagram of the switchingfilter bankSPDT、SP3T 和 SP4T 开关的支路切换状态由驱动控制电路4控制。驱动控制电路向支路输出的控制电平为 5 V 时，该支路导通;控制电平为 0 V 时，该支路关断。SPDT 开关的 2 个输出支路分别与 SP3T 开关和 SP4T 开关串联，开关中每条支路都由串并联混合结构 PHEMT管组成。PHEMT 管 0 V 导通，负压关断;开关滤波器组芯片的通带频率覆盖 0.8 18 GHz，带通滤波器 1 7 的通带频 率 分 别 为 0.8 1.6、1.4 2.3、2.1 2.9、2.7 4.3、4.2 6.1、5.910.3 和 9.6 18 GHz。根据输入信号的频率，驱动控制电路控制 SPDT 开关负责主路的关断或导通;SP3T 开关和 SP4T 开关负责 7 条支路的关断或导通，如果要实现带通滤波器 1 导通，则第 1 支路的输入和输出开关同时导通，第 27 支路的输入和输出开关同时关断;其他带通滤波器工作状态依此类推。2开关滤波器组 MMIC芯片的设计2.1开关电路根据电路结构可将开关分为串联、并联和串并联混合结构开关;根据关断时开关输出匹配状态还可分为反射式和吸收式开关。串并联混合结构开关的隔离度比串联和并联结构开关好，且插入损耗和尺寸适中56;反射式开关相比于吸收式开关插入损耗小。因此本文采用反射式串并联混合结构实现开关的设计。首先依据 GaAs PHEMT 工艺规则，设计的开关滤波器组芯片的 7 个支路的 PHEMT 开关电路如图 2(a)所示，图中 V1V8为对应 PHEMT 管的控制电压，g为各 PHEMT 管的偏置电阻。该电路通过驱动控制电路控制 7 个支路的导通或关断状态，在同一时刻，开关只有 1 个支路处于导通状态，其他 6 个支路处于关断状态。在射频仿真软件中搭建PHEMT 开关仿真模型，分别调整串联 和 并 联PHEMT 的栅指数和栅长，把每路开关的插入损耗优化到小于 2.5 dB，隔离度优化到大于 25 dB，开关的仿真特性曲线如图 2(b)所示，图中 S12和S21为插入损耗，S23和 S32为开关隔离度。输入开关和输出开关的插入损耗叠加后小于 5 dB，隔离度大于 50 dB。王胜福等:基于 GaAs PHEMT 工艺的超宽带多通道开关滤波器组 MMIC=50半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月(a)PHEMT 开关电路图(b)PHEMT 开关仿真特性曲线图 2PHEMT 开关电路图及仿真特性曲线Fig.2Circuit diagram and simulation characteristic curvesof the PHEMT switch2.2带通滤波器在射频微波频段，滤波器的实现方式有两种:集总参数方式和分布参数方式。本文采用集总参数方式实现带通滤波器。集总参数带通滤波器常见的函数有切比雪夫函数、贝塞尔函数、巴特沃斯函数和椭圆函数等78。考虑到开关滤波器组芯片每个支路的通带带宽和带外衰减等指标，通过查阅滤波器衰减特性设计图表确定 7 个滤波器都采用椭圆函数响应的 7 阶带通滤波器结构，每节谐振器均由电容和电感组成(图 3)，图中 K12K(N1)N为各个 LC谐振电路间的耦合系数，其中 N 为阶数。图 3带通滤波器工作原理图Fig.3Operating principle schematic of the band pass filter图 4 为电磁耦合原理图，表示带通滤波器级间耦合采用电磁耦合，图中 Z0为特征阻抗，L1和 C1、L2和 C2分别构成 LC 谐振电路，K12和 K23为各个 LC谐振电路间的耦合系数。图 4电磁耦合原理图Fig.4Principle schematic of electromagnetic coupling确定滤波器阶数后，由归一化低通滤波器与带通滤波器基本构成单元对应关系(图 5)可以得到带通滤波器参数值，电容对应关系变换为L1=120CAC1=CA(1)电感对应关系变换为C1=120LAL1=LA(2)式中:0为谐振角频率;CA和 LA为变换前的电容和电感。通过式(1)和(2)可以得到带通滤波器最终的电路参数及其典型拓扑结构(图 6)。(a)电容对应关系变换(b)电感对应关系变换图 5低通滤波器与带通滤波器基本单元对应关系Fig.5Correspondence between basic unit of low pass filterand band pass filter图 6带通滤波器典型拓扑结构Fig.6Typical topology of the band pass filter王胜福等:基于 GaAs PHEMT 工艺的超宽带多通道开关滤波器组 MMIC=January2023Semiconductor Technology Vol48 No151GaAs PHEMT 工艺带通滤波器电容采用 GaAs平面集成金属介质金属(MIM)电容结构，电感采用以 GaAs 为衬底的平面螺旋电感。平面电感可以根据实际需求和工艺要求选择圆形、矩形、正方形、六边形和八边形等多种结构。导体在同一平面排布成螺旋形，内圈的端头通过埋层引到外部。圆形结构的电感漏磁相对最小，但是圆形结构工艺制作难度稍大，成本高，根据指标和工艺成本，本文采用方形电感结构，空间利用率大，由于电感较电容 Q 值偏低，同时体积偏大，因此通过优化原始拓扑结构，最终得到阶数较高且电感数量较少的拓扑结构(图 7)。(a)原始拓扑结构 1(b)原始拓扑结构 2(c)采用的最终拓扑结构图 7滤波器拓扑的优化Fig