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.7Optimization of the filter topology利用工艺平台提供的0.25 m GaAs PHEMT 工艺设计工具包(PDK)中的 PHEMT 和无源元件的模型，使用射频仿真软件对滤波器进行电路级和电磁场级的仿真。根据滤波器带外抑制特性及相对带宽选择合适的电路形式，然后从模型库中调取相应模型单元搭建电路，设定模型内部中的关键工艺参数，通过射频仿真软件进行电路级仿真，最终得到 7 个带通滤波器中元件的物理尺寸。电路级仿真完成后，建立滤波器电磁场版图仿真模型(图 8)进行仿真。7 个滤波器的结构相同，通过调整 MIM 电容和平面电感的值来调整滤波器通带频率。单路滤波器的传输特性和反射特性典型仿真曲线如图 9 所示，图中 S55、S66为单路滤波器的反射特性曲线，S56、S65为滤波器的传输特性曲线。图 8滤波器仿真模型Fig.8Simulation model of the filter图 9单路滤波器的典型仿真曲线Fig.9Typical simulation curves of a single filter2.3开关滤波器组基于仿真完成的 PHEMT 开关和带通滤波器模型，建立开关滤波器组芯片的版图模型进行仿真，其传输特性和反射特性仿真曲线分别如图 10(a)和(b)所示。(a)传输特性(b)反射特性图 10开关滤波器组芯片仿真曲线Fig.10Simulation curves of the switching filter bank chip王胜福等:基于 GaAs PHEMT 工艺的超宽带多通道开关滤波器组 MMIC=52半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月开关滤波器组芯片的插入损耗为输入/输出一对SP2T 开关、SP3T 开关或 SP4T 开关以及带通滤波器插入损耗的叠加。从图 10 可以看出，7 个支路的中心插入损耗均小于 8.5 dB，其中通带为 0.81.6、1.42.3、2.12.9、2.74.3、4.26.1 GHz 的支路带外衰减大于40 dB，5.910.3 和9.618 GHz 的支路高频带外衰减大于35 dB。由反射特性仿真曲线可知，7 个支路的回波损耗都在 18 dB 以下。3芯片制备与测试3.1芯片制备开关滤波器组 MMIC 芯片在 0.25 m GaAsPHEMT 工艺平台上流片制作完成。由于单刀多掷开关需要较多的驱动控制电路输出电平来进行控制，但传统的集成无源器件(IPD)工艺不能将驱动控制电路和开关电路集成到一个芯片上，使得版图布局困难。因此本设计采用有源集成工艺，增加了增强型的晶体管工艺，可实现数字电路功能，从而可以把驱动控制电路和开关电路集成在同一芯片内。电路中的电阻采用台面电阻实现。为了便于背面通孔的制作，将芯片厚度减薄为 150 m。此外，从多方面进行工艺改进，提高了加工的精度和工艺稳定性，保证了同一晶圆内不同区域电路的一致性和不同批次电路的一致性。最终制作出的高性能超宽带 7 路开关滤波器组 MMIC 芯片尺寸为 5.0 mm4.7 mm0.15 mm，实物照片如图 11 所示。图 11开关滤波器组芯片照片Fig.11Photo of the switching filter bank chip3.2测试结果与分析使用探针台对开关滤波器组芯片的电特性进行在片测试，并与仿真结果进行对比分析。图 12 为开关滤波器组芯片的仿真和测试传输特性曲线对比。从图中可以看出芯片的在片测试结果与仿真结果比较吻合，开关滤波器组芯片 7 个支路的中心插入损耗均小于 8.5 dB，典型的带外衰减大于 40 dB。(a)支路 13(b)支路 47图 12芯片仿真和测试传输特性曲线对比Fig.12Comparison of simulated and measured transmissioncharacteristics curves of the chip图 13 为开关滤波器组芯片的带外衰减测试曲线。从图中可以看出该开关滤波器组一直到 30 GHz都没有寄生通带，具有很宽的阻带。图 13开关滤波器组芯片带外衰减测试曲线Fig.13Measured curves of out-of-band attenuation of theswitching filter bank chip图 14 为开关滤波器组芯片的反射特性测试曲线。从图中可以看出整个通带内开关滤波器组的回波损耗小于 10 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=January2023Semiconductor Technology Vol48 No153图 14芯片反射特性测试曲线Fig.14Test curves of reflection characteristics of the chip4结论本文基于0.25 m GaAs PHEMT 工艺设计并制作了一款小型化、高性能、多通道、超宽带开关滤波器组芯片。该开关滤波器组芯片通带频率覆盖0.818 GHz，包含 7 个通带滤波器支路，开关采用 PHEMT 串并联混合结构，滤波器选用 7 阶集总带通滤波器，性能较优。经探针台在片测试，7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，且一直到 30 GHz 都没有寄生通带，有较宽的阻带。参考文献:1 李鹏亮，吴欢，张大为，等 基于 GaAs PHEMT 工艺的 Ka 频段双通道开关滤波器组芯片 J 微波学报，2019，36(2):1422 2 耿苗 GaN HEMT 微波段开关器件及开关电路研究 D 西安:西安电子科技大学，2017 3 秦昌 GaAs 微波开关与衰减器研究与设计 D 成都:电子科技大学，2019 4 刘志军，陈凤霞，高学邦，等 212 GHz 集成 E/D驱动功能的数控衰减器单片 J 半导体技术，2013，38(4):254258 5 谭超 DC35 GHz 超宽带单刀四掷开关单片集成电路 J 半导体技术，2013，38(8):576580 6 高显，何庆国，白银超，等 基于倒装应用的单刀双掷开关 MMIC 设计 J 半 导 体 技 术，2016，41(12):899905 7 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，1973:191197 8 吴生彪 微波腔体滤波器建模与计算机调试策略 D 武汉:中国地质大学，2019(收稿日期:20220319)作者简介:王胜福(1981)，男，河北唐山人，高级工程师，主要从事各类射频/微波无源电路及相关产品的研究。=(上接第 47 页)9 ALLEN P E，HOLBEGD CMOS 模拟集成电路设计:第 2 版 M 冯军，李智群，译 北京:电子工业出版社，2005:581 10 姜慧强，陈旭斌，莫炯炯，等 自校正型 CMOS 数字温度传感器 J 电子学报，2017，45(4):944949 11 冯晓星，唐飞，李琰，等 一种集成高精度温度传感器的 FID 标签芯片 J 微电子学与计算机，2019，36(5):2328(收稿日期:20220922)作者简介:于博文(1998)，男，黑龙江鸡西人，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计;刘兴辉(1972)，男，辽宁辽阳人，博士，教授，研究方向为半导体器件与集成电路设计。