基于GaAs工艺的毫米波开关滤波器设计_韦雪真.pdf

34 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Electronics 电子学用-5V电源供电，TTL电平控制的驱动电路，驱动电路输出一对互补的高低电平，分别控制两路开关的导通和关断。逻辑关系如表1所示。0 引言无源器件在射频收发系统和通信领域的应用非常广泛，但是它们的体积一般较大，制约着组件系统的小型化和低成本1,2。滤波器作为非常重要的一种无源器件，无论是在接收还是发射系统中都必不可少。尤其是随着现代通信系统的发展，频谱资源拥挤，开发毫米波频段的滤波器并实现小型化、低成对整机系统的领先发展非常关键。1 研究背景本文基于70m厚的GaAs衬底，设计并实现了一款低插损、小体积、高性能的微波单片集成电路（MMIC）开关滤波器芯片，它的面积仅为2.2mm 1.9mm0.07mm。由于采用高介电常数的GaAs材料，衬底厚度小等因素，它的电磁场束缚能力强，应用中的电磁抗干扰效果好，且内部集成驱动，非常方便使用。2 开关滤波器设计 2.1 基本构成开关滤波器的设计电路由FET开关、滤波器、控制电路三部分组成，具体框图见图1所示。本设计中，FET开关部分采用FET管并联的结构实现，带通滤波器由梳状结构实现。控制部分采作者简介：韦雪真，中国电子科技集团公司第十三研究所；研究方向：电子器件设计。收稿日期：2023-02-06；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述基于GaAs工艺，仿真设计了一款3337GHz的两通道开关滤波器，其中开关由GaAs FET管并联实现，滤波器采用梳状结构。芯片内部集成驱动电路，采用-5V供电，TTL电平控制两通道的导通与关断。芯片尺寸为2.2mm1.9mm0.07mm。测试结果显示，带内插入损耗低于6dB，带外本底抑制大于40 dB，带内回波损耗优于-15 dB。关键词：电路设计，开关滤波器，GaAs工艺。中图分类号：TN713，TN402文章编号：1000-0755(2023)06-0034-02文献引用格式：韦雪真.基于GaAs工艺的毫米波开关滤波器设计J.电子技术,2023,52(06):34-35.基于GaAs工艺的毫米波开关滤波器设计韦雪真（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 050051）Abstract This paper describes the simulation design of a 3337GHz two channel switching filter based on GaAs technology.The switch is realized by parallel connection of GaAs FET tubes,and the filter uses a comb structure.The integrated driving circuit inside the chip is powered by-5V,and the TTL level controls the on and off of the two channels.Chip size is 2.2mm1.9mm0.07mm.The test results show that the in band insertion loss is less than 6dB,the out of band background rejection is more than 40dB,and the in band return loss is better than-15dB.Index Terms circuit design,switching filter,GaAs process.Design of Millimeter Wave Switching Filter Based on GaAs ProcessWEI Xuezhen(The 13th Research Institute of CETC,Hebei 050051,China.）图1 开关滤波器原理框图表1 药型罩自适应网格划分参数电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 35Electronics 电子学 2.2 开关设计开关在开关滤波器中的作用，顾名思义，决定了通带的导通与关断，在其中一路导通时，要求其他路处于关断状态，不能互相影响。因此，开关的隔离度在设计中至关重要。如图1所示，开关滤波器的射频链路由输入单刀双掷开关，滤波器和输出单刀双掷开关三部分组成。因此，开关的损耗对开关滤波器的带内插损影响很大。按FET管在电路中的接入形式，可以将射频开关分为串联结构、并联结构、串并联结合结构。其中，串联结构的开关内隔离度好，功率容量由串联FET管的总栅宽决定，一般不会很大，缺点是插损大3。并联结构的开关隔离度不如串联结构的开关，频率也不能做到很低，带宽一般都比较窄，但优点是插入损耗小，适合高频窄带的时候用，功率容量比较大。串并结合的形式，隔离度，插损性能位于串联结构和并联结构之间，应用较为广泛。本设计的通带为3337GHz，为高频毫米波，串联结构的开关和串并结合结构的开关在这个频率的插入损耗非常大，而隔离度却和并联结构的开关差不多。考虑到这些因素，本文的设计采用纯并联结构的射频开关形式。具体电路结构如图2所示。2.3 带通滤波器的设计考虑到该开关滤波器的通带频率为3335 GHz，3537GHz，相对带宽分别为，相对较窄，本文采用阻带很宽的抽头式梳状线结构滤波器设计和实现。梳状线滤波器中的谐振器是由一组一端短路，另一端加载集总电容的谐振杆构成，在滤波器结构中应用非常广泛。一般谐振器长度超过25%波长时出现第二通带4,5。2.4 开关滤波器芯片仿真设计开关和滤波器设计完成后，在仿真软件中进行版图和原理图联合仿真，并完成版图的布线。布线要遵循工艺提供的DRC布线设计规则，布线完成后进行版图原理图一致性检查。3 测试结果芯片流片完成后在探针台进行测试，采用高频矢量网络分析仪进行端口校准。测试结果显示，该开关滤波器通带切换正常，电平控制和设计一致。带内损耗均小于6dB，带内回波损耗均优于-15dB，而且带外本底抑制大于40dB。表现出了优良的低插损、小型化特性。传输曲线和回波损耗的测试结果，如图3和图4所示。4 结语本文基于GaAs衬底，设计并实现了一款小型化、低插损的两通道毫米波开关滤波器，工作频率为3337GHz。芯片面积为2.2mm1.9mm 0.07mm。该芯片内部集成驱动，一位TTL电平控制通带的导通与关断。大大简化了电路应用。测试结果表明，该芯片带内损耗小于6dB，带内回波损耗均优于-15dB，带外本底抑制大于40dB。本设计采用的GaAs材料，衬底薄、介电常数高，对电磁场束缚能力强，避免了电磁场干扰导致毫米波器件性能用不出来的困扰，为小型化、实用化提供了案例参考。参考文献1 靳应祥.一种组合型开关滤波器组的设计与实现D.四川：电子科技大学，2014.2 黎隽希.新型小型化低损耗开关滤波器阵列设计D.四川：电子科技大学，2012.3 刘文杰，DC-24.5GHz GaAs高速匹配式单刀双掷开关芯片D.陕西：西安电子科技大学，2009.4 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计M.北京：科学出版社，1973.5 曹良足.微波滤波器的设计与优化及案例分析M.陕西：西安电子科技大学出版社，2020.图2 单刀双掷开关原理图图3 开关滤波器传输特性测试曲线图4 开关滤波器回波损耗测试曲线