DC～40 GHz反射型GaAs MMIC SPST開關(guān)
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隨著GaAs MMIC技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們對高性能、小型化、超寬帶開關(guān)的要求越來越迫切。GaAs MMIC開關(guān)具有開關(guān)速度快、插損小、可靠性高、驅(qū)動功耗幾乎為零、體積小等特點，能夠滿足工程應(yīng)用的系列要求。SPST開關(guān)作為電子系統(tǒng)中射頻信號調(diào)制、信號通斷的元件，現(xiàn)今在實際工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
本文系統(tǒng)地介紹了一種單片SPST開關(guān)電路研制過程。SPST開關(guān)電路結(jié)構(gòu)采用具有寬頻帶的三并FET器件結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有低插入損耗和寬頻帶等優(yōu)點。同時，對比不同的通孔數(shù)量，分析了通孔電感對電路性能的影響。
1 寬帶單片SPST開關(guān)的設(shè)計
1．1 開關(guān)FET器件的工作原理
開關(guān)設(shè)計過程中，主要使用的元器件是開關(guān)FET器件、微帶拐角和微帶傳輸線等。開關(guān)FET器件是核心元件，器件的襯底材料、物理參數(shù)和工藝制作直接影響開關(guān)FET的微波性能。FET開關(guān)器件是一種三端口壓控電阻，柵偏置電壓Vg控制開關(guān)的狀態(tài)，控制溝道中源漏電阻的大小。分析文獻得出，本征柵源電容和漏柵電容、器件的寄生參數(shù)限制FET開關(guān)的高頻性能。開關(guān)FET器件等效電路如圖1所示。
圖中的Cps、Cpd、Ls、Ld和Lf為器件寄生電容和電感，Rg為柵隔離電阻。Rds和Cg在開態(tài)和關(guān)態(tài)有不同的值。所有元件都表征為器件柵寬和柵指數(shù)的函數(shù)。理想情況下，Rds和器件總柵寬成反比例關(guān)系，Cg和器件總柵寬成正比例關(guān)系。
1. 2 開關(guān)FET器件在片測試及建模
在整個研制過程中，開關(guān)FET器件模型是電路設(shè)計工作的保障，而且是一個持續(xù)的、不斷修正的過程。本開關(guān)單片使用的開關(guān)器件模型是基于器件的在片測試結(jié)果所提取的小信號模型。首先針對建模器件測試圖形設(shè)計專用TRL(直通＼反射＼傳輸線)在片校準圖形，采用該校準圖形對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B進行在片校準，測量器件不同柵壓情況下的小信號S參數(shù)。然后，用建模軟件對開關(guān)FET器件等效電路模型所需的參數(shù)進行統(tǒng)計分析，擬合測試所得到的小信號S參數(shù)，得到模型的參數(shù)值。
同時，在前期研制工作中，對TRL(thru，reflect，line)校準方式進行了相關(guān)的理論分析。TRL校準是準確度比SOLT校準更高的一種校準方式。通常來說，TRL標準件的要求如下：
(1)直通標準件：電氣長度不為O時，直通標準件的特性阻抗必須和延遲線標準件相同，無須知道損耗，當群延時設(shè)為0 ps時，參考測量面位于直通標準件的中間；(2)反射標準件：反射系數(shù)的相位必須在正負90°以內(nèi)，反射系數(shù)最好接近1，所有端口上的反射系數(shù)必須相同；(3)傳輸線標準件：傳輸線的特性阻抗作為測量時的參考阻抗，系統(tǒng)阻抗定義為和延遲線特性阻抗一致。延遲線和直通之間的插入相位差值必須在20°～160°，如果相位差值接近0°或者180°時，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。
開路標準件實現(xiàn)起來最容易，但是由于開路標準件存在邊緣電容效應(yīng)，所以還通過3D-EM仿真來獲得開路標準件的邊緣電容。本電路建模時，專用TRL校準圖形如圖2所示。
本寬帶低插損開關(guān)電路對開關(guān)FET器件模型的提取提出更高的要求，模型的頻率響應(yīng)要求更高。實測模型小信號S參數(shù)的數(shù)據(jù)準確度，直接影響模型的精度。本文還對引起測量誤差的幾種情況進行了分析。通常，網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差可以分為漂移誤差、隨機誤差和系統(tǒng)誤差三類。漂移誤差主要是由溫度變化造成的，可通過重新校準來消除；隨機誤差主要是由儀器的噪聲、開關(guān)的重復(fù)性和射頻電纜接頭的重復(fù)性引起的。降低隨機誤差的最好方法是減小中頻帶寬或多次掃描下進行示跡平均，但測量的時間將受到影響；系統(tǒng)誤差是測量不確定度的重要來源。
圖3是2×50μm FET器件傳輸特性和反射特性的實測和模型對比情況。從圖中可以看出在DC～40 GHz的頻率內(nèi)，模型參數(shù)取得非常滿意的擬合結(jié)果。
1．3 SPST電路的設(shè)計
在電路設(shè)計過程中，采用分布參數(shù)的原理圖和電磁場仿真相結(jié)合的方法，開展了電路設(shè)計。SPST的電原理圖如圖4所示。電路拓撲結(jié)構(gòu)采用三并聯(lián)器件結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)只需一個控制端來實現(xiàn)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。
在分布參數(shù)的原理圖設(shè)計過程中，當取得滿意的設(shè)計結(jié)果，將設(shè)計參數(shù)在版圖中實現(xiàn)，進行電磁場分析，充分考慮無源電路部分的色散、輻射和耦合等影響，進而彌補電原理圖設(shè)計精度的不足。圖5是寬帶SPST電磁場分析時網(wǎng)格的部分情況。
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