[发明专利]耐功率的场效应管开关、开关限幅芯片及射频前端系统

说明书

本发明涉及耐功率的场效应管开关、开关限幅芯片及射频前端系统，该场效应管开关包括自举电容以及至少一个FET管芯、至少一个漏源电阻、至少一个栅极串联电阻；所述场效应管开关的射频信号输入端与射频信号输出端连接，所述射频信号输入端与射频信号输出端之间的节点通过串联的各所述漏源电阻和所述自举电容接地；每个所述FET管芯的源极、漏极分别对应连接一个所述漏源电阻的两端，每个所述FET管芯的栅极通过一个所述栅极串联电阻连接所述场效应管开关的控制端。采用本发明提供的场效应管开关，可以在不增加、甚至降低开关损耗和面积的前提下提高开关的耐功率水平。

技术领域

本发明涉及雷达通信技术领域，尤其涉及一种耐功率的场效应管开关、开关限幅芯片及射频前端系统。

背景技术

传统相控阵雷达的射频前端系统主要由分立的衰减器芯片、移相器芯片、发射驱放芯片、接收驱放芯片、电源芯片、功放芯片、低噪放芯片、开关芯片（或环形器）和限幅器芯片组成，每个通道需要8~10个芯片。其中，开关芯片（或环形器）用来对发射链路和接收链路进行切换，以使系统实现发射或接收功能。由于环形器需要使用铁氧体材料制造，体积和重量都很大，因此使用受到很多限制。随着射频前端组件对于集成度、小型化、轻量化的要求日益提高，开关芯片的应用越来越多。但是开关芯片相比于环形器，在耐功率方面的设计更加困难，可以承受较大功率（一般大于1W）的开关，其损耗也比环形器大，会影响系统的工作效率。

目前，一般的射频开关由于所在的链路位置功率量级较小（一般小于0.5W/27dBm），不需要针对所能承受的功率进行优化或特殊设计即可满足要求。射频开关通常采用多个场效应晶体管（FET）器件实现相应功能，工作原理是对FET器件的栅极施加相应的控制电压，使FET器件处于导通或截止（也称关断）状态，从而对电路产生不同的影响，以实现不同射频通路的“开”或“关”。处于导通态时，FET器件主要等效为导通电阻R_on，处于截止态时，FET器件主要等效为截止电容C_off。一般的耗尽型FET器件传递函数特性如图1所示，V_BR为栅漏击穿电压，V_TH为阈值电压，V_G为栅极电压，I_DS为漏源电流。当FET器件用作开关设计时，控制FET器件截止的截止控制电压V_off介于V_TH和V_BR之间，截止状态的耐功率水平由|V_off－V_BR|或|V_off－V_TH|决定，而控制FET器件导通的导通控制电压V_on大于V_TH，导通状态的耐功率水平除了受|V_on－V_TH|控制，还受漏源电流I_DS的饱和电流影响。

随着现代相控阵雷达中的射频前端系统对于系统的体积、重量、集成度、效率等指标要求越来越高，也越来越多地在射频前端系统中使用射频开关。尤其是连接末级大功率放大器（功放，PA）输出端的射频开关，需要能承受住功率放大器的输出功率（一般大于1W/30dBm），并在此基础上留有一定功率余量，以保证可靠性。

由于射频信号通过时，会在开关FET器件的栅极和漏极之间形成电压摆幅，射频功率越大则形成的电压摆幅越大。若电压摆幅超过FET器件的栅漏击穿电压V_BR，就有可能导致FET器件击穿烧毁，或者影响长期使用的可靠性，同时FET器件导通或截止状态的电压摆幅还受限于阈值电压V_TH。为了提高射频开关的耐功率水平，传统的大功率射频开关通常采用多个FET器件串联或使用PIN二极管进行开关设计。多个FET器件串联可以分担射频功率在栅极和漏极之间形成的电压摆幅，减小了每个FET器件的压力，但是会导致导通时的等效电阻增大（相当于电阻串联），从而增加了信号通过时的损耗，降低系统的输出功率和效率。若要减小等效电阻，就需要增大每个串联FET器件的栅宽，这又会导致开关电路所占芯片面积的增加，使设计难度和成本也相应增加。使用PIN二极管设计开关，虽然可以一定程度解决耐功率问题，但PIN二极管导通时会产生直流功耗，因此会影响系统的效率指标。