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微波开关芯片的研究与设计

1.5 微波开关相关进展

微波开关电路最初由 PIN 二极管构建，虽然 PIN 二极管可以表现出低插损、高功率处理能力和高工作频率 [11-13] ，但是由于偏置电流的存在，其直流功耗是一个严重的限制。同时，它必须要通过扼流电感供电，由于衬底耦合效应和电感形状限制，因此很难在衬底上实现高品质的平面扼流电感，从而很少有将 PIN 二极管开关和扼流电感集成在一起的单片微波集成电路（MMIC）。另外， PIN 二极管开关需要 λ/4 传输线枝节，这使得设计更为复杂而且也难以小型化。GaAs MESFET 和 HEMT 适宜于高频、高速和高功率应用。 GaAs 的宽带隙使其具有高击穿电压，从而使 GaAs 器件能够承受高电压而不用担心可靠性的问题。此外， GaAs 具有高的低场迁移率，这拓展了 GaAs 器件的可用带宽。 GaAs MESFET和 HEMT 也使用了半绝缘性衬底，从而进一步降低了器件的损耗。在实际应用中，GaAs 开关所实现的性能被证明是非常卓越的 [14-19] 。 GaAs 开关通过改变栅控制电压来改变工作状态，因此不会消耗直流功率，这使其对于低功率手持式无线通信设备十分有吸引力，但是一个遗憾是它们不能和硅基收发系统和 CMOS 数字控制电路实现集成。近年来， CMOS 开关得到了广泛的关注和研究。随着 CMOS 工艺不断进步，其越来越适合微波应用， CMOS 技术具有能够实现数字、模拟和微波模块全集成和低成本的优点。但是，因为 CMOS 晶体管的击穿电压较低以及衬底的导电特性，以其实现低插损、高隔离度和高功率处理能力的开关电路仍然是一大挑战，各个研究团队相继提出不同的电路设计方法来弥补 CMOS 工艺的缺点。Huang 和 O 通过减小衬底电阻减小衬底损耗，在 900MHz 获得了小于 1dB 的插损和 42dB 的隔离度， P 1dB 为 17dBm [20] 。他们在此基础上又通过阻抗变换实现高功率处理能力，在 900MHz 将功率处理能力提高到 24.3dBm [21]。 Ohnakado 等人通过增加额外的工艺步骤以阻止阱注入而增大衬底电阻减小以衬底损耗。