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微波开关芯片的研究与设计

随着无线通信技术的不断发展，现代微波系统对成本和集成度的要求越来越高，因此，采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺将微波收发系统所有模块集成在同一块硅晶片上一直都是国内外研究的热点。目前，微波功率放大器和微波开关由于高功率处理能力的要求是微波前端实现全集成的主要限制因素，这篇文章主要对硅基 CMOS 微波开关进行研究，推动微波系统的前进与发展。本文对微波开关关键性能参数进行了详细地研究，并着重针对功率处理能力提出了改善方法，同时也探究了关键无源器件的模型和工作机制，以指导高品质无源器件的设计。

三阱体硅互补金属氧化物半导体（Triple-well Bulk CMOS）工艺的衬底导电性和寄生电容使高频微波体硅 CMOS 开关难以实现低插入损耗，因此基于集总等效传输线结构设计高频微波开关以缓解晶体管的衬底泄漏损耗，从而获得低插损性能。高频高隔离度微波开关的设计在低插损微波开关基础上通过结构串叠来实现，以插损的牺牲换取隔离度的提升，并以晶体管串叠技术和前馈电容技术改善功率处理能力。

绝缘体上硅（SOI）工艺由于埋氧层而可以使用高阻硅衬底缓解衬底耦合效应。低频微波开关使用浮体型绝缘体上硅 N 沟通场效应晶体管（FB SOI NMOSFET），采用串并式结构，使用晶体管串叠改善功率处理能力。论文对其封装也进行了考虑，并与开关进行联合仿真与设计，减小封装对开关微波性能的影响。通过对高频低插损微波开关的测试，在 16GHz，发射模式和接收模式的测试插损分别为 4.3dB 和 4.1dB，隔离度分别为 26dB 和 24dB，输入 0.1dB 功率压缩点IP 0.1dB ）和输入 1dB 功率压缩点（IP 1dB ）分别为 8dBm 和 13.5dBm。高频高隔离度微波开关的测试结果表明：在 17.5GHz，发射模式和接收模式的插损分别为 2.7dB和 2.3dB，隔离度分别为42dB和 31dB，发射模式的 IP 1dB 为22dBm， IP 0.1dB 为17dBm。低频高功率处理能力开关的仿真结果表明：各工作模式的插入损耗小于 1.1dB，隔离度大于 25dB， IP 1dB 约 44dBm, IP 0.1dB 约 41dBm。所设计的微波 CMOS 开关基本符合预期的性能要求，对硅基 CMOS 全集成微波系统的发展有一定的推动作用和借鉴意义。