DC～40 GHz反射型GaAs MMIC SPST開關(guān)

1 寬帶單片SPST開關(guān)的設(shè)計(jì)
1．1 開關(guān)FET器件的工作原理
開關(guān)設(shè)計(jì)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(xiàn)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(cè)試及建模
在整個(gè)研制過程中，開關(guān)FET器件模型是電路設(shè)計(jì)工作的保障，而且是一個(gè)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(cè)試結(jié)果所提取的小信號(hào)模型。首先針對(duì)建模器件測(cè)試圖形設(shè)計(jì)專用TRL(直通＼反射＼傳輸線)在片校準(zhǔn)圖形，采用該校準(zhǔn)圖形對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8363B進(jìn)行在片校準(zhǔn)，測(cè)量器件不同柵壓情況下的小信號(hào)S參數(shù)。然后，用建模軟件對(duì)開關(guān)FET器件等效電路模型所需的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合測(cè)試所得到的小信號(hào)S參數(shù)，得到模型的參數(shù)值。
同時(shí)，在前期研制工作中，對(duì)TRL(thru，reflect，line)校準(zhǔn)方式進(jìn)行了相關(guān)的理論分析。TRL校準(zhǔn)是準(zhǔn)確度比SOLT校準(zhǔn)更高的一種校準(zhǔn)方式。通常來說，TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求如下：
(1)直通標(biāo)準(zhǔn)件：電氣長(zhǎng)度不為O時(shí)，直通標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗必須和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件相同，無須知道損耗，當(dāng)群延時(shí)設(shè)為0 ps時(shí)，參考測(cè)量面位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間；(2)反射標(biāo)準(zhǔn)件：反射系數(shù)的相位必須在正負(fù)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(biāo)準(zhǔn)件：傳輸線的特性阻抗作為測(cè)量時(shí)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(shí)，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。
開路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來最容易，但是由于開路標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容。本電路建模時(shí)，專用TRL校準(zhǔn)圖形如圖2所示。

本寬帶低插損開關(guān)電路對(duì)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(shí)測(cè)模型小信號(hào)S參數(shù)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，直接影響模型的精度。本文還對(duì)引起測(cè)量誤差的幾種情況進(jìn)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(jī)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(zhǔn)來消除；隨機(jī)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(jī)誤差的最好方法是減小中頻帶寬或多次掃描下進(jìn)行示跡平均，但測(cè)量的時(shí)間將受到影響；系統(tǒng)誤差是測(cè)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(shí)測(cè)和模型對(duì)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(jì)
在電路設(shè)計(jì)過程中，采用分布參數(shù)的原理圖和電磁場(chǎng)仿真相結(jié)合的方法，開展了電路設(shè)計(jì)。SPST的電原理圖如圖4所示。電路拓?fù)浣Y(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(gè)控制端來實(shí)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(jì)過程中，當(dāng)取得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，將設(shè)計(jì)參數(shù)在版圖中實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，充分考慮無源電路部分的色散、輻射和耦合等影響，進(jìn)而彌補(bǔ)電原理圖設(shè)計(jì)精度的不足。圖5是寬帶SPST電磁場(chǎng)分析時(shí)網(wǎng)格的部分情況。