【摘 要】
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基于单片微波集成电路（MMIC）技术的射频前端收发组件大量应用于无线通信、雷达等系统中。收发开关是射频前端的重要组成部分,其性能会对信号的接收发射产生直接影响,从而影响前端系统的整体性能。宽禁带第三代半导体材料氮化镓（GaN）以其击穿场强高和热导率高等特性,可应用于高功率、高性能毫米波前端电路。本文采用100nm硅基GaN HEMT工艺,设计面向5G毫米波应用的单刀双掷（SPDT）开关MMIC。本
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基于单片微波集成电路（MMIC）技术的射频前端收发组件大量应用于无线通信、雷达等系统中。收发开关是射频前端的重要组成部分,其性能会对信号的接收发射产生直接影响,从而影响前端系统的整体性能。宽禁带第三代半导体材料氮化镓（GaN）以其击穿场强高和热导率高等特性,可应用于高功率、高性能毫米波前端电路。本文采用100nm硅基GaN HEMT工艺,设计面向5G毫米波应用的单刀双掷（SPDT）开关MMIC。本文首先介绍了射频开关的基础知识,对D01GH GaN工艺的高电子迁移速率晶体管（HEMT）器件以及无源器件的结构进行了分析。利用D01GH工艺的功率HEMT作为开关器件,设计了一款工作在24-30GHz的对称SPDT开关,测试结果显示插入损耗为1.2-1.5d B,隔离度为28-30d B,输入功率1d B压缩点大于27d Bm,芯片面积仅为1.08mm~2。其次,针对毫米波前端收发支路的不同性能需求,设计了两款非对称SPDT开关。利用断开支路加载效应以及短路枝节补偿技术提升了发射支路的带宽,在保证接收支路插入损耗性能可接受的情况下,着重优化发射支路插入损耗,折衷考虑插入损耗、隔离度与功率容量性能,版图后仿真结果表明:1)设计的并联非对称SPDT开关,在24-30GHz频率范围内,发射支路插入损耗低于0.7d B,发射端至接收端隔离度优于32d B,输入功率0.1d B压缩点大于34d Bm;接收支路插入损耗低于1.8d B,接收端至发射端隔离度优于14d B,输入功率0.1d B压缩点大于30d Bm。版图面积为1.35mm~2。2)设计的串并非对称SPDT开关,在24-30GHz频率范围内,插入损耗为低于0.8dB,发射端至接收端隔离度优于35d B,输入功率0.1d B压缩点大于33.5d Bm;接收支路插入损耗低于1.8d B,接收端至发射端隔离度优于11d B,输入功率0.1d B压缩点大于36d Bm。版图面积为1.4mm~2。最后研究了GaN对称以及非对称SPDT开关在毫米波前端中的应用,并完成了GaN毫米波集成前端中的开关设计。
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