基于GaAs電感模型的微波功率放大器

陰亞芳，張 虹，張 博，李迎春

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121； 2.西安通信學(xué)院 基礎(chǔ)部，陜西 西安710065）

隨著無線通信的發(fā)展，頻譜資源越來越匱乏。在通信方面，采用微波波段的應(yīng)用要求越來越高，對于微波段的功率放大器來說，其輸出功率、線性度、效率等方面的要求也越來越高，使功率放大器成為無線通信集成電路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）設(shè)計中的關(guān)鍵點(diǎn)［1］。在功率放大器中，無源器件的模型也是制約性能的關(guān)鍵因素之一，尤其是電感模型與實(shí)際工藝的差距，直接影響到功率放大器的感值（L）和感抗與其等效損耗電阻之比（Q）值［2］。在電感模型方面，CMOS工藝由于Si基損耗較大，并且電感很容易在襯底上形成渦流而造成Q值較低等因素［3］，基于Si基電感模型已經(jīng)被證明是一種非常精確地有效方法［4－6］。而對于GaAs工藝來說，雖然其性能優(yōu)于CMOS工藝，但該方面的研究主要在電感結(jié)構(gòu)上，比如加PGS等［7］。據(jù)我們了解，在電感模型方面的研究工作還不夠深入。本文針對0.15μm砷化鎵（GaAs）工藝，建立了相應(yīng)的電感模型，并以此模型設(shè)計了8～12GHz的微波功率放大器。

1 基于GaAs的電感模型

圖1所示的是0.15μm GaAs工藝（帶保護(hù)層）的剖面圖，其基底為GaAs材料，厚度為100μm，第一層金屬（M1）厚度為1μm，第二層金屬（M2）厚度為2μm，其GaAs上有一層0.15μm 厚的SiN，為了降低其損耗，同時提高電感的Q值，因此一般都選用M1和M2金屬共同制作，以增加其厚度，兩層金屬之間用通孔（Via）連接。

圖1 0.15μm GaAs BCB工藝的剖面

利用GaAs襯底特性，根據(jù)等效的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)［8］，建立電感模型如圖2所示。在圖2中，R1和C1構(gòu)成了電感對襯底的損耗網(wǎng)絡(luò)，而R2和RL1、RL2等效為電感上的串聯(lián)電阻和其本身的電感，而C2等效為電感自身的寄生電容。

圖2 電感模型

利用基于GaAs襯底的HFSS建模仿真（圖3）來驗(yàn)證所提出的模型。仿真結(jié)果如圖4所示，通過HFSS仿真結(jié)果與模型的仿真結(jié)果的L值和Q值的對比可以看出，在0～30GHz時其感值和Q值可以很好地擬合，在高頻段略微有些差距。

圖3 HFSS建模仿真

圖4 HFSS仿真值的比較

2 功率放大器的設(shè)計

功率放大器（圖5）采用兩級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，用改進(jìn)的電感模型進(jìn)行設(shè)計。第一級（驅(qū)動級）采用共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)［9－10］來提高小信號增益，同時，共源共柵結(jié)構(gòu)還可以有效解決Miller電容的問題，也增加了前后兩級之間的隔離度，減小了匹配的難度。第二級（功率級）采用共源級（CS－Stage）電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，因?yàn)樽詈笠患壊捎?Load－Pull選出最佳負(fù)載［11］，由終端（Terminal）50Ω匹配到最佳負(fù)載，并且晶體管尺寸很大，因此其具有較小的增益。根據(jù)負(fù)載線原理，功率級M3晶體管選用2×125μm寬，以保證其足夠的輸出功率，驅(qū)動級采用M1和M2均為2×50μm的晶體管作為Cascode結(jié)構(gòu)，保證其增益以及前級驅(qū)動能力。在晶體管源級加入TL4和TL9退化電感使其輸入阻抗的實(shí)部接近50Ω，因此在輸入端只需匹配掉虛部即可。L3和C5以及R2構(gòu)成了帶通濾波器用來降低放大器的低頻增益并且能夠增加帶內(nèi)增益平坦度，同時可以增加功率放大器的穩(wěn)定性［12－14］。兼顧線性度和效率，功率放大器工作模式是AB類，以保證功率放大器的輸出功率、線性度以及效率，V＿drain電源電壓為4V，V＿gate為－0.3V，V＿bias偏置為1.5V，在Cascode結(jié)構(gòu)中保證兩個晶體管有相同的電壓擺幅。整個功率放大器的電流為65mA，功耗為260mW。

圖5 功率放大器電路結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果

為了使軟件的仿真與實(shí)物盡可能一致，利用全電磁仿真軟件ADS Momentum對所設(shè)計的微波功率放大器進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6至圖10所示。

圖6 功率放大器的增益曲線

仿真結(jié)果表明，在8～12GHz時其小信號增益為26.5±1.5dB，功率增益大于26dB。輸入與輸出回波損耗（S11、S22）仿真結(jié)果均小于－10dB，輸入（－6dbm）時其輸出功率為20dbm（P1db壓縮點(diǎn)），飽和輸出功率大于21.9dbm，功率附加效率為34.3%，功率放大器在全頻帶內(nèi)絕對穩(wěn)定（穩(wěn)定因子大于1）。

圖7 輸入與輸出回波損耗曲線

圖8 1dB壓縮點(diǎn)輸出功率及輸出功率曲線

圖9 功率附加效率曲線

圖10 穩(wěn)定性曲線

4 結(jié)論

采用GaAs工藝，建立了一種電感模型結(jié)構(gòu)，在此電感模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了8～12GHz的功率放大器，電路采用兩級級聯(lián)放大，由仿真結(jié)果可以看出該放大器具有良好的增益、回波損耗、功率特性，在設(shè)計頻帶內(nèi)，該放大器小信號增益最高達(dá)到28dB，輸出功率大于21.9dbm，功率附加效率達(dá)到34.3%，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

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