一种氮化镓反射式单刀八掷开关

1.本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种氮化镓反射式单刀八掷开关。


背景技术：

2.通信系统的发展要求射频前端具有更宽的频带、更高的紧凑度和效率。5g通信系统中大规模输入输出和波束赋形技术的广泛应用，对天线与收发机之间的单刀多掷开关的性能提出了更高的需求。
3.mmic(monolithic microwave integrated circuit，微波单片集成电路)是一种以半导体材料为衬底，集成多种有源、无源器件于一体所形成的多种具有不同功能的微波电路模块的总称，具有导通状态损耗小，带宽更宽的优点。以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料因其具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度等优点，已成为微波/毫米波系统领域应用的理想材料。
4.相关技术中，开关电路的典型电路结构为串联-并联结构。如图1所示，栅极串联一个k级的电阻，可以有效隔离射频信号与直流偏置，同时降低栅电流，进而降低射频开关的功耗。在单刀双掷电路的基础上，图1所示开关分别在两个支路并联了漏极接地的场效应管q1、q2，其中，q1、q2场效应管对应支路的q3、q4处于相反偏置状态。当q3开启时，q1截止，开关处于发射状态，射频信号经过开启状态的q3输出到天线，会有极少的信号通过截止状态的q1损失掉。当q3截止时，q1开启，开关处于接收状态，信号从天线进入，经过开启的q4进入接收端，但会有少量射频信号经过截止的q3，再被开启的q1分流，最终极少的一部分进入发射端。
5.上述开关电路虽然能够在一定程度上降低插损，但由于信号直接通过管子，不可避免地会造成额外的插损以及降低电路的线性度。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种氮化镓反射式单刀八掷开关。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明提供一种氮化镓反射式单刀八掷开关，包括：输入端、输入电容、第一微带传输线和八条支路，各所述支路包括：第二微带传输线、第三微带传输线、氮化镓hemt、控制电压信号端、隔离电阻、输出电容、隔直电容、输出端和第一节点；其中，
8.所述第一微带传输线的一端经输入电容连接至所述输入端、另一端与第二微带传输线连接，所述第二微带传输线串接所述第三微带传输线和输出电容，所述输出电容与所述输出端连接；所述第一节点位于所述第二微带传输线与所述第三微带传输线之间，所述氮化镓hemt的漏电极与所述第一节点连接、栅电极经所述隔离电阻连接至所述控制电压信号端、源电极经所述隔直电容接地。
9.在本发明的一个实施例中，工作范围包括24.25ghz～33ghz。
10.在本发明的一个实施例中，所述输入电容、所述输出电容、所述隔直电容、所述第
一微带传输线、所述第二微带传输线、所述第三微带传输线、所述氮化镓hemt及所述隔离电阻采用同一个衬底。
11.在本发明的一个实施例中，所述衬底的材料为碳化硅、硅、氮化镓、石英玻璃或陶瓷。
12.在本发明的一个实施例中，所述输入电容、所述输出电容和所述隔直电容均为金属-绝缘层-金属mim电容。
13.在本发明的一个实施例中，所述第一微带传输线、所述第二微带传输线和所述第三微带传输线包括：第一金属层、第二金属层、以及位于所述第一金属层与所述第二金属层之间的半导体材料。
14.在本发明的一个实施例中，所述半导体材料包括：氮化镓、硅或碳化硅。
15.在本发明的一个实施例中，所述隔离电阻利用gan异质结结构的二维电子气2deg工艺制得。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
17.本发明提供一种氮化镓反射式单刀八掷开关，工作于24.25ghz～33ghz，具有导通状态下插入损耗小、工作频段宽的特点；此外，上述单刀八掷开关可以与通信系统中的低噪声放大器、天线等模块单片集成，不仅有利于减小系统的体积和功耗，同时也能够提高开关速度，提高了系统的可靠性。
18.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
19.图1是现有技术中开关电路的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关的一种结构示意图；
21.图3是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关隔离支路的等效电路图；
22.图4是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关导通支路的等效电路图；
23.图5是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关的s参数的测试结果示意图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
25.图2是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关的一种结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供一种氮化镓反射式单刀八掷开关，包括：输入端pin、输入电容c1、第一微带传输线tl1和八条支路10，各支路10包括：第二微带传输线tl2、第三微带传输线tl3、氮化镓hemt m1、控制电压信号端vg1、隔离电阻r、输出电容c2、隔直电容c3、输出端pout和第一节点；其中，
26.第一微带传输线tl1的一端经输入电容c1连接至输入端pin、另一端与第二微带传输线tl2连接，第二微带传输线tl2串接第三微带传输线tl3和输出电容c2，输出电容c2与输出端pout连接；第一节点位于第二微带传输线tl2与第三微带传输线tl3之间，氮化镓hemt m1的漏电极d与第一节点连接、栅电极g经隔离电阻r连接至控制电压信号端vg1、源电极s经
隔直电容c3接地。
27.本实施例中，氮化镓反射式单刀八掷开关包括输入端pin、输入电容c1、第一微带传输线tl1和八个对称分布的支路10，每个支路10分别包括：第二微带传输线tl2、第三微带传输线tl3、氮化镓hemt m1、控制电压信号端vg1、隔离电阻r、输出电容c2、隔直电容c3、输出端pout和第一节点；具体地，输入电容c1与第一微带传输线tl1串接输入端pin，作为输入匹配，第二微带传输线tl2串接第三微带传输线tl3和输出电容c2、再接输出端pout参与输出匹配，gan hemt m1的栅电极g连接隔离电阻r接入控制电压信号端vg1，gan hemt m1的漏电极d与第二微带传输线tl2与第三微带传输线tl3之间的第一节点，gan hemt m1的源电极s接隔直电容c3再接地。
28.应当理解，隔直电容c3用于并联全反射开关即氮化镓hemt m1，可以阻断射频端口与地端形成直流回路，使输入端口、输出端口的直流电压保持悬浮，从而增强开关关断状态的隔离度。
29.图3是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关隔离支路的等效电路图，图4是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关导通支路的等效电路图。如图3所示，当控制电压信号端vg1使氮化镓hemt m1导通时，氮化镓hemt m1可以看作一个很小的导通电阻(ron)，该点相当于短路点，经过第二微带传输线tl2的四分之一波长阻抗变换作用，从输入端pin看向输出端pout相当于开路，信号进行全反射；如图4所示，当控制电压信号端vg1使m1截至时，氮化镓hemt m1可以等效为关断电容(coff)，此时只有极少数信号通过损失掉，支路处于导通状态。
30.示例性地，gan hemt m1的栅宽为100um。
31.可选地，上述氮化镓反射式单刀八掷开关的工作范围包括24.25ghz～33ghz。
32.可选地，氮化镓反射式单刀八掷开关中，输入电容c1、输出电容c2、隔直电容c3、第一微带传输线tl1、第二微带传输线tl2、第三微带传输线tl3、氮化镓hemt m1及隔离电阻r采用同一个衬底。示例性地，衬底的材料为碳化硅、硅、氮化镓、石英玻璃或陶瓷。
33.本实施例中，输入电容c1、输出电容c2和隔直电容c3均为金属-绝缘层-金属mim电容。具体地，输入电容c1的性能参数为：c＝495ff、w＝50um、l＝10um，输出电容c2的性能参数为：c＝470ff、w＝50um、l＝10um。
34.可选地，第一微带传输线tl1、第二微带传输线tl2和第三微带传输线tl3包括：第一金属层、第二金属层、以及位于第一金属层与第二金属层之间的半导体材料，其中，半导体材料包括：氮化镓、硅或碳化硅。
35.本实施例中，第二微带传输线tl2的长、宽分别为375um和10um，第三微带传输线tl3的长、宽分别为375um和20um。
36.可选地，隔离电阻r利用gan异质结结构的二维电子气2deg工艺制得。
37.进一步地，本实施例通过测试对上述反射式单刀八掷开关作进一步说明。
38.图5是本发明实施例提供的氮化镓反射式单刀八掷开关的s参数的测试结果示意图。在24.25ghz～33ghz范围内、导通状态下，对本发明提供的反射式单刀八掷开关进行测试，如图5所示，单刀八掷开关的插入损耗小于2.8db，隔离状态下，隔离度大于23db。
39.通过各实施例可知，本发明的有益效果在于：
40.本发明提供一种氮化镓反射式单刀八掷开关，工作于24.25ghz～33ghz，具有导通
状态下插入损耗小、工作频段宽的特点；此外，上述单刀八掷开关可以与通信系统中的低噪声放大器、天线等模块单片集成，不仅有利于减小系统的体积和功耗，同时也能够提高开关速度，提高了系统的可靠性。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
44.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
45.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。