用SPDT开关MMIC实现高性能Ka频段Tx/Rx模块

       系统集成工程师者早已意识到高频子系统设计不是一种“one size fits all”的领域。对杂散信号抑制、切换速度和功率处理能力，以及对尺寸降低的不断增长的需求，给模块供应商扩展其传统设计带来了压力。

        能有多种不同的半导体可供选择证明是有效配置最优子系统方案的关键。Endwav公司的半导体团队开发Ka频段PIN二极管SPDT开关MMIC，这就是如何将半导体设计经验用在更高水平系统设计中的一个例子。用这种用户定制芯片设计来支持开发一款具有成本效益、高功率、非常紧凑的Ka频段多通道雷达收发模块。

       此设计过程的开始部分集中于评估并最终排除其它可用开关技术和拓扑选项。随后，在没有适合该技术的商用方案可用的条件下，对一种高功率、快速切换Tx/Rx MMIC开关进行定制设计并特征化。此芯片的功率处理能力大大高于4 W，切换速度为纳秒级，为密集模块封装铺平了道路，芯片可理想地用于新出现的Ka频段收发器应用中。

       毫米波技术越来越多地用于先进国防电子、国土安全以及电信应用中。其主要原因是此技术独特的能力，能传送大量数据，为雷达系统提供更高的分辨率，能穿透某些结构设施以及能得到小型、重量轻且性能高的方案。毫米波时分双工(TDD)收发器系统要求交替地将天线连接到发射器输出和接收器输入上。这类系统的例子包括雷达、半双工数据链接、基于Internet协议(基于IP)的无线局域网以及毫米波成像器。在空间受限及成本敏感的应用中，建立这些连接的首选方法通常是采用一个Tx/Rx开关，如图1所示。

       理想Tx/Rx开关的特征是：所选传输路径的插入损耗低，使接收器噪声指数最小并使发射器向天线传输的功率最大；在非选择传输路径上有高的关断隔离，降低相互影响及潜在的高功率发射器对敏感接收电路的损害；高的功率处理能力来支持远距离工作；开关态之间快速跃变，降低雷达盲区时间并增加通信应用的吞吐量；成本低，降低实施费用；物理尺寸小，支持紧配合及便携应用；驱动/控制电路的要求简单，以降低复杂度和功耗。

         给出的设计例子是一个4W GaAs MMIC PIN 二极管SPDT开关，此开关设计为在Ka频段(27 GHz～40 GHz)内一个窄带区达到这些理想特性。不过，开关实现方案十分灵活，容易适应其它TDD应用和工作频率。论述了设计方法、设计选项及设计约束，以及MMIC制造工艺参数、仿真预测以及测量到的性能结果。Endwave公司认为所述器件的性能优于工作在Ka频段的其它任何商用MMIC开关。

        开关性能目标

        开关性能目标根据雷达收发器的要求及其设计实现方法得出。表1对理想的开关性能进行了概括。
 

       这种毫米波开关的最大挑战是要同时达到功率处理能力、开关速度以及插入损耗的要求，而体积尺寸要适合当今最先进、紧凑而环境苛刻的应用。

       开关架构选项

        在设计过程的早期就考虑了多种开关架构选项及折中，其中最重要的是：器件选择是FET还是PIN二极管；电路配置是串联还是并联开关；“关闭态”条件是端接还是非端接；控制电路的复杂度和性能。

        在本例子中，做出器件选择简单，因为只有PIN二极管可以承受本应用所需功率水平(4 W)，同时能提供所需的Ka频段频率插入损耗性能(0.7 dB)。PIN二极管的缺点是这种二极管是电流控制型器件，因此，驱动电路要比电压控制型FET更复杂。认为这是一个可以接受的折中，所以RF开关元件最后确定采用PIN二极管。

        理想的SPDT开关功能可以用多种不同的PIN二极管配置来实现。三种最常见的结构是串联二极管、并联二极管和串联并联混合二极管。本应用采用并联结构，因为这样能达到所需的插入损耗和隔离性能。此外，PIN二极管和其它工艺寄生可以方便地在电路中削减掉，并且偏置网络相对简单。为进一步最大限度地降低电路复杂性，本特定设计选择了非端接(或“反射”)结构。图2所示为我们选择的并联二极管SPDT Tx/Rx开关的简化示意图。

 

      开发方法和工艺选择

       回顾了不同的开发选项，包括分立二极管开关方法，采用现有的商用MMIC开关，或者是专门为主收发器模块特定要求而定制的一种MMIC开关。考虑了Endwave产品组合中现有的多种分立二极管开关设计，但所有这些所占用面积都是此苛刻应用所能提供面积的5～10倍。因此，确定只能选择集成MMIC设计。虽然有一些商用Ka频段开关可以考虑，但都不能满足所有性能要求，特别是功率处理能力。认为为满足功率处理能力技术指标，而将可用的MMIC开关并联组合起来太大了，受到限制，也太昂贵，并且不必要的复杂此外，并联开关方法也满足不了其它关键性能要求，即由于相关混合网络，插入损耗要高。认为一种定制开发的MMIC开关是最佳方案，满足所有这些性能要求，同时为收发器模块中的其它关键功能保留了珍贵的电路资源。

        面对要么与一可信赖的MMIC供应商签定定制芯片方案，要么自己进行MMIC设计，最后选择了后者。决定利用内部MMIC设计资源是基于多个因素，包括设计交货时间、毫米波开关设计经验、以及同时最大限度降低非重现和重现成本。此外，确定这种开关是所设计Ka频段收发器最关键的元件，能够保持完全控制MMIC设计和生产也是一个决定性因素。

       收发器的高频工作和快速切换时间要求开关MMIC为GaAs PIN二极管工艺。选择了一个商业GaAs代工厂，此厂有成熟的PIN二极管工艺、有经验证的电路模型，原形晶圆的交货时间也可接受。代工GaAs PIN二极管工艺提供了一种设计套件，具有不同尺寸标准PIN二极管单元的详细模型。代工工艺同时有MIM电容、空气桥金属互连层、以及为所选MMIC架构组成部分的基片过孔。

       设计实现

        设计工作的目标是在我们工作窄带内优化开关，是一种使性能超过商用宽带开关的方法。开关拓扑本质是一种“四分之一波长串/并联PIN二极管” 配置，二极管尺寸的确定要使功率处理能力合适，阻抗匹配优化为使工作频带内插入损耗最小，以及有助于集成到更高层收发器子系统设计中。并联二极管与普通节点距离为四分之一波长。当通过路径上的并联二极管反向偏置时，产生一高的并联阻抗，路径就成为一低损耗微带传输线。传输线阻抗匹配设计为吸收“关断”态二极管电容，以达到在工作频带内最优的插入损耗和端口匹配。在相反的开关路径上，二极管为正向偏置，使其对地为阻抗非常低的RF短路点。在隔离的开关臂上，信号从开关节点到RF短路点经历四分之一波长。在此处，信号被反射，再经历180°[A1]相移。随后，信号又沿同一四分之一波长路径返回，总共经历360°[A2]。通过相长干涉，反射后的信号又加入到节点上，因此隔离开关路径不会给开关的“导通”路径加载。

       采用附加并联二极管的多节开关后隔离会增加，但在开关通过路径的插入损耗会增加，这无法接受。设计师不是试图优化一个臂来增加接收端隔离并降低发射端插入损耗，而是选择一种对称的拓扑以加快开发，并保持了同时进行的收发器设计的定向灵活性。

        此开关设计为控制信号工作水平达4 W，并且能够耐受10 W以上的输入功率。选择二极管尺寸和直流偏置电流时考虑到了二极管寄生电容和代工的已公布的功率处理极限。二极管越大，则正向偏置时RF阻抗越低，但并联容抗也更大，而且当二极管为高RF阻抗反向偏置时，会变成一个信号泄漏路径。对开关电路进行了仿真，确定在低阻抗和高阻抗态间折中后的最佳二极管尺寸。并联二极管配置为两个独立的二极管脚，而不是一个更大的二极管，以使散热最大并使到芯片背面的接地层的过孔电感最小。

        并联PIN二极管开关的最大RF功率处理能力依赖于二极管的反向击穿电压和其最大功率耗散能力。全反向偏置二极管在高阻态下流过的电流可以忽略。低阻态下的正向偏置二极管电压降最小，因此功耗低，即使RF电流可能仍相当大。为维持线性(就像用信号压缩测量的)，在RF电压全摆幅期间，反向偏置“关断”并联二极管必须维持在关断状态。当RF峰电压超过二极管的反向偏置电压后，二极管开始“导通”，分流了RF信号，导致插入损耗和信号压缩增大。

       对50Ω[A3]系统，4 W(+36 dBm)下的峰值RF电压为20 V。就是说，加在二极管上的反向偏置控制电压要大于20 V，防止二极管在正RF峰值时出现正向偏置。

        典型微波PIN二极管工艺的额定反向击穿电压约为45 V。如果给二极管加上20 V的反向偏置控制电压，当开关遭受最大的RF功率时，则在峰值负RF电压时二极管的总RF和直流电压将加倍，即达到40 V。对典型的毫米波二极管，线性功率处理能力受二极管反向击穿的限制。因此，这种RF SPDT开关MMIC采用一种独特的二极管设计，使二极管反向击穿电压最大。

        为了实现系统控制电压的灵活性，二极管阴极与地通过一个片上隔直电容隔离开，如图3所示。在这种偏置电路拓扑下，设计师可采用现有的正负系统电源组合，使加到二极管上的反向控制电压最大。同时，当二极管正向偏置时，此隔直电容通过与过孔电感谐振，达到更优的RF短路，提升了RF设计。
 

        隔直电容已集成到设计中，因此不需要外加RF元件。此外，开关仿真中包括了各RF端口的引线键合互连，因此可以根据开关所处的更高层收发器模块的总配置，优化片上匹配。

       图4为完成后的Ka频段开关设计的示意。此开关在4密耳厚晶圆上制造，总裸片面积小于3.0 mm2。
 

        开关性能结果

        MMIC开关的小信号性能用RF晶圆探针测量。未使用的端口用第3个在Ka 波段下有50Ω负载的RF晶圆探针端接。为用键合线来近似真实性能，增加了一个仿真带长度来测量双端口S参数。图5示意了开关的典型插入损耗和反射损耗。所测结果达到或超过了表1中所给出的目标。

       图5也给出了Tx端口和公共(天线)端口在低损耗开关“导通”状态下测量的端口匹配。在高插入损耗开关“关断”状态下，所测量的Tx到Rx隔离(如图6所示)在相当宽的带宽下超过了25 dB最小隔离水平目标。
 

        对于开关的“关断”端口，测量到的小信号性能与仿真性能很接近，虽然得到的隔离迹线与理想频率相比向高频率方向偏离了越5%。由于在我们的窄带应用中要达到最佳性能，需要把设计中心定好, 期望偏移很小，在原形掩膜中包括了附加的调谐到更高或更低频率的MMIC开关，以确保第一次就成功。

        施加30 V控制电压时，测得开关的输入功率处理能力高达4 W(+36 dBm)，没有发现信号压缩，这在图7中可明显看出。同样，可看出开关很容易超过输入功率线性工作目标，但由于受到测试源可用输出功率的限制，一直未能测试出其上限。不过，大信号仿真显示在6 W之上时存在0.1 dB的压缩水平。
 

        混合电路和系统设计专门技术

       具有不同的半导体和有源/无源电路设计能力的多面设计团队的公司，可以将此专门技术用于开发创新性的多功能RF模块。通过利用内部半导体设计专门知识来定制以前没有任何商用现货供应的关键元件，对这里给出的PIN二极管Tx/Rx开关MMIC进行了模型化，开关表现出了优越的性能。

       实际上，从功率处理能力、开关速度、插入损耗以及开关隔离综合来看，超过了Ka频段任何其他商用MMIC器件的性能。这反过来使子系统开发团队能成功将MMIC开关与周围元件集成在一起，按时且在预算内完成紧凑的Ka频段收发器模块设计。

       [A1]英文中为1808，可能是符号不兼容所致，应该为180°

       [A2]同上

       [A3]似乎应为50欧姆，可能是原文省略！

 

本文来源：    作者：Edward Brown Mark Hebeisen David Snodgrass

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