一種新研制的W頻段固態(tài)GaN功率放大器毫米波源*

梁勤金，石小燕，潘文武，黃吉金

一種新研制的W頻段固態(tài)GaN功率放大器毫米波源*

梁勤金**，石小燕，潘文武，黃吉金

（中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實驗室，四川綿陽 621900）

介紹了一種新研制的W頻段固態(tài)GaN功率放大器毫米波源，給出了系統(tǒng)組成與工作原理，提供了其主要部件W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動源、W頻段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器、主放大器芯片基本性能及實驗測試結(jié)果。該固態(tài)毫米波源工作頻率94 GHz，輸出連續(xù)波功率大于300 mW，線性增益10 dB，附加效率（PAE）大于16%。在W頻段固態(tài)毫米波源研制過程中，其單片微波集成電路（MMIC）功率放大器半導(dǎo)體材料選擇經(jīng)歷了GaAs、InP到GaN演變，結(jié)果清楚表明，W頻段毫米波源的GaN MMlC功率放大器輸出功率、增益、效率、高溫性能要優(yōu)于其他固態(tài)MMIC功率放大器性能。W頻段大功率固態(tài)GaN MMlC技術(shù)將在毫米波領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命和應(yīng)用。

毫米波源；GaN功率放大器；W頻段；單片微波集成電路；連續(xù)波

1　引 言

目前及未來軍民兩用設(shè)備都需要幾瓦、幾十瓦W頻段（75～110 GHz）固態(tài)功率源。W頻段固態(tài)毫米波源以W頻段固態(tài)功率放大器（Solid-state Power Amplifier，SSPA）為基礎(chǔ)，因具有高可靠、低成本、寬帶寬、長壽命、調(diào)試簡便等特點(diǎn)而優(yōu)于其他真空器件。使用傳統(tǒng)的GaAs和InP單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）技術(shù)，其輸出連續(xù)波功率目前受限于百毫瓦水平［1］。近來發(fā)展迅速的寬禁帶GaN技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)W頻段MMIC輸出功率達(dá)到數(shù)百毫瓦［2-5］。要實現(xiàn)W頻段固態(tài)化更高功率的輸出，滿足目前重大任務(wù)的應(yīng)用需求，擬采用高效率的功率合成技術(shù)，其單元W頻段功率放大器設(shè)計技術(shù)是基礎(chǔ)。本文采用國內(nèi)最新研制的W頻段固態(tài)輸出功率400 mW GaN功放芯片，實現(xiàn)了附加效率16%、320 mW連續(xù)波功率輸出，達(dá)到了預(yù)期研究目的，以此完成的研究工作為基準(zhǔn)，下一步開展大功率高效功率合成技術(shù)研究。

目前，國內(nèi)外大功率固態(tài)高功率毫米波源技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展迅速，頻率在40 GHz以內(nèi)的各種毫米波組件（固態(tài)頻率源、開關(guān)、混頻器、功率放大器等）國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展相對成熟。但W頻段（75～110 GHz）及其更高頻率D頻段（75～110 GHz）、F頻段（90～140 GHz）、G頻段（140～220 GHz）高功率固態(tài)毫米波技術(shù)［6-8］，其核心技術(shù)國外一直對華限制。固態(tài)高功率高頻段毫米波技術(shù)門限高，研制難度大，由于其波長短、工程實現(xiàn)復(fù)雜、技術(shù)難度大，工藝、材料等要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的低頻端毫米波技術(shù)。國內(nèi)探索W頻段（75～110 GHz）大功率固態(tài)毫米波源技術(shù)的工程實現(xiàn)一直進(jìn)展緩慢，芯片可靠性較差，研制成本高。

為了進(jìn)一步提高高端W頻段固態(tài)毫米波源綜合性能，許多研究人員已經(jīng)開始尋找GaAs材料之外的其他固態(tài)半導(dǎo)體材料，如InP和GaN都比GaAs有較大帶隙的材料，期望通過這些材料開發(fā)出高功率毫米波固態(tài)功率芯片，其在高端毫米波頻段（W、D、F、G）獲得更高的連續(xù)波功率輸出［1-2］。到目前為止，W頻段固態(tài)GaN功率放大器毫米波源MMIC功率放大器半導(dǎo)體材料選擇經(jīng)歷了GaAs、InP到GaN演變，演變歷史表明，W頻段GaN功率高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）輸出功率是InP的5倍，而且InP材料商業(yè)成本很高。2010年至今，以GaN半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的固態(tài)W頻段毫米波MMIC芯片研制取得了顯著進(jìn)展［9-11］。

國內(nèi)外全固態(tài)大功率W頻段毫米波功率源存在巨大應(yīng)用牽引需求，例如美國研制拒止武器采用W頻段全固態(tài)化大規(guī)模功率合成毫米波源與真空管實現(xiàn)雙重技術(shù)路線，而該兩條技術(shù)路線國內(nèi)研究基礎(chǔ)都十分薄弱。早期應(yīng)用天文觀測W頻段小功率固態(tài)毫米波源采用W頻段固態(tài)Gunn管振蕩型技術(shù)路線實現(xiàn)，結(jié)果是W頻段毫米波固態(tài)源輸出連續(xù)波（Continous Wave，CW）功率相對較低，一般都在30～50 mW。要擴(kuò)大更廣泛技術(shù)應(yīng)用需求，需要進(jìn)一步提高W頻段固態(tài)毫米波源輸出CW功率達(dá)到瓦級，需要選擇更好空間功率合成技術(shù)路線和方法［12-14］，研制更優(yōu)良W頻段MMIC固態(tài)功率放大器芯片和更高性能的單元W頻段固態(tài)毫米波源，使其功率、增益、效率、高溫性能等綜合技術(shù)取得顯著技術(shù)進(jìn)步與突破，從目前國內(nèi)外W頻段MMIC功率放大器毫米波源研制情況看基本可行［9-11］。

2　94GHz固態(tài)毫米波源系統(tǒng)組成及工作原理

一種工作頻率94 GHz、輸出功率300 mW、效率16%的固態(tài)毫米波源系統(tǒng)主要由W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動源（頻率94 GHz，功率25 mW）、固態(tài)功率放大器1（頻率94 GHz，功率60 mW）、固態(tài)功率放大器2（頻率94 GHz，功率150 mW）、4路并聯(lián)主放大器PA1～PA4（頻率94 GHz，4路并聯(lián)功率放大）、W頻段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器、W頻段波導(dǎo)（WR-10）輸出組成，如圖1所示。

圖1　94 GHz固態(tài)毫米波源系統(tǒng)原理圖Fig.1　The system principle diagram of 94 GHz solid-state millimeter wave source

圖1中主放大器PA1～PA4采用雙級電路設(shè)計，第一級由兩個GaN FET驅(qū)動放大器構(gòu)成，用作驅(qū)動放大器；第二級由4個并聯(lián)GaN FET放大器構(gòu)成主路功率放大器。芯片尺寸僅2.3 mm×1.8 mm。第一級與第二級之間采用帶電抗匹配單元最佳射頻性能結(jié)構(gòu)，微帶-棱性耦合線在雙級間提供相應(yīng)阻抗變換，以實現(xiàn)寬頻帶匹配設(shè)計和確保性能的重復(fù)性。

圖1中供電電源為+5 V和+15 V兩組，自帶RC（Resistance-Capacitance）濾波電路，以避免對放大器低頻端性能影響，確保固態(tài)功率放大器工作穩(wěn)定。94 GHz固態(tài)功率放大器1、94 GHz固態(tài)功率放大器2主要是放大W頻段Gunn驅(qū)動源功率，給主放大器PA1～PA4提供良好的驅(qū)動性能。輸入輸出波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器與其組成一個完整的W頻段固態(tài)功率放大器。

圖1中W頻段94 GHz固態(tài)功率放大器設(shè)計時，1/4波長短路柱被放置在輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)之間，濾除了不要求的帶外雜散，阻止了由于器件高跨導(dǎo)而帶來的自激振蕩可能性。

2.1W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動源

Gunn二極管振蕩器組件主要由W頻段波導(dǎo)、Gunn支架、短路活塞支架、短路活塞組成，如圖2所示。

圖2　W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動源原理框圖Fig.2　Principle diagram of W-band solid-state Gunn driving source

穩(wěn)態(tài)振蕩時半導(dǎo)體器件中的電流為

式中：A為振幅；φ為相位；ω=2πf為以弧度（rad）表示的基波角頻率。

圖3　W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動源結(jié)構(gòu)及實物圖Fig.3　Block diagram and product photo of W-band solid-state Gunn driving source

基頻穩(wěn)頻腔用于穩(wěn)定基頻信號，進(jìn)而更好地穩(wěn)定二次諧波信號，同時為了方便加工和移動調(diào)節(jié)位置，選用圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)頻腔，由圓波導(dǎo)的單模傳輸條件可知1.5 mm

W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動源獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、一體化精密加工，加工精度±0.01 mm?？傮w設(shè)計與加工難度優(yōu)于國內(nèi)外包括美國HRL Laborator等在內(nèi)的傳統(tǒng)W頻段固態(tài)Gunn振蕩器的分離加工再組裝設(shè)計方法與加工方法［15-16］，其結(jié)果是雜散及相位噪聲性能顯著提高，后續(xù)將以單獨(dú)論文發(fā)表以供讀者參考，在此不再贅述。

2.2W頻段固態(tài)功率放大器輸入/輸出波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器

在毫米波混合集成電路中，需要將微帶電路輸入、輸出端口通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)過渡到波導(dǎo)，將微帶電路轉(zhuǎn)換至波導(dǎo)，以降低傳輸損耗，其平面結(jié)構(gòu)及模擬仿真結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　W頻段固態(tài)功率放大器輸入/輸出波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器平面結(jié)構(gòu)Fig.4　Planar architecture of input and output waveguide-microstrip line on the W-band solid-state power amplifier

圖5　W頻段固態(tài)功率放大器輸入/輸出波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器模型結(jié)構(gòu)及其EI仿真結(jié)果Fig.5　Module architecture and EI simulation result of input and output waveguide-microstrip line onthe W-band solid-state power amplifier

探針型波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)直接利用微帶線作為探針伸入波導(dǎo)內(nèi)，延伸部分為介質(zhì)及其上金屬導(dǎo)帶線，微帶線插入波導(dǎo)形成電探針，任一個沿探針方向具有非零電場的波導(dǎo)模將在探針上激勵起電流。根據(jù)互易原理，當(dāng)微帶線上準(zhǔn)TEM模向波導(dǎo)入射時產(chǎn)生的探針電流也將激勵起同樣的波導(dǎo)模。在探針部分與微帶傳輸線間經(jīng)常應(yīng)用四分之一波長阻抗變換器以實現(xiàn)阻抗匹配。設(shè)計時選用E面探針式波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)的尺寸采用W頻段WR-10標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)（2.54 mm×1.27 mm），微帶介質(zhì)基片選用相對介電常數(shù)2.2的Rogers 5880材料，厚度為0.127 mm。

2.3W頻段主放大器

圖6所示為3 mm主放大器實物芯片結(jié)構(gòu)及其實物放大器，其芯片結(jié)構(gòu)外形尺寸為2.3 mm×1.8 mm，實物放大器外形尺寸為35 mm×20 mm×20 mm。圖6中主放大器芯片工藝采用0.12 μm柵長、HEMT實現(xiàn)功率放大及0.05 mm薄介質(zhì)材料，薄介質(zhì)材料允許實現(xiàn)小過孔和較小熱阻，較小過孔能夠?qū)崿F(xiàn)接地良好和低電感，有利調(diào)諧增益，改進(jìn)增益特性和功率密度。

圖6　W頻段主放大器芯片結(jié)構(gòu)及其實物放大器Fig.6　Chip architecture and product photo of the W-band main power amplifier

W頻段主放大器芯片主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1　主放大器芯片主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　The primary technical parameters of main amplifier chip

3　94GHz固態(tài)毫米波源系統(tǒng)主要性能

調(diào)節(jié)94 GHz固態(tài)毫米波源固態(tài)驅(qū)動Gunn源的偏置電壓，使固態(tài)驅(qū)動Gunn源輸出頻率在90～95 GHz范圍內(nèi)達(dá)到要求的輸出功率。按圖7測試框圖連接測試系統(tǒng)，直接測出輸出功率及頻率。其頻率-增益特性測試用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試S21參數(shù)，讀出其固態(tài)功率放大器頻率-增益，如圖8所示。

圖7　94 GHz固態(tài)功率放大器輸出頻率、功率測試框圖Fig.7　Block diagram of testing the output frequency and output power of 94 GHz solid-state power amplifier

圖8　94 GHz固態(tài)功率放大器頻率-增益特性Fig.8　The frequency-gain characteristic of 94 GHz solid-state power amplifier

測試W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動功率源主要技術(shù)指標(biāo)見表2，94 GHz固態(tài)毫米波源系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)性能如表3所列。

表2　W頻段固態(tài)Gunn驅(qū)動功率源測試項目Tab.2　Tested items of W-band solid-state Gunn driving source

表3　94 GHz固態(tài)毫米波源系統(tǒng)測試項目Tab.3　Tested items of 94 GHz solid-state millimeter source

根據(jù)測試結(jié)果，在90～95 GHz頻率下，功率放大器線性增益范圍7～10 dB，其漏級和柵級偏置電壓分別為15 V和5 V。功率放大器輸出功率在同一偏置電壓下，使用固定波導(dǎo)WR-10進(jìn)行測試，其主放大器芯片輸出連續(xù)波功率典型值可達(dá)400 mW，但由于輸入-輸出微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換損耗，實測功率值低于其典型值。測試該功率放大器在95 GHz頻率下輸出功率320 mW，附加效率大于16%。

4　結(jié) 論

經(jīng)過一年多的研究與實驗測試，一種輸出連續(xù)波功率大于300 mW的W頻段94 GHz固態(tài)毫米波源已經(jīng)研制成功。該W頻段固態(tài)毫米波源輸出功率放大器芯片使用0.12 μm GaN功率HEMT工藝技術(shù)，對一個0.05 mm厚度GaN介質(zhì)基片上進(jìn)行工藝技術(shù)處理的主放大器芯片，在頻率94 GHz獲得了連續(xù)波輸出功率320 mW、附加效率大于16%的測試結(jié)果，符合設(shè)計研制預(yù)期，使得國產(chǎn)W頻段功率放大器從芯片設(shè)計到放大器自主設(shè)計都達(dá)到一個新的技術(shù)水平。實驗過程中可進(jìn)一步通過改進(jìn)輸入輸出微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器鍍膜工藝減小插損、優(yōu)化電路及匹配結(jié)構(gòu)，使主放大器連續(xù)波輸出功率接近主放大器芯片典型功率。這一實驗測試結(jié)果顯示并代表了一種新的輸出連續(xù)波功率大于300 mW的W頻段94 GHz固態(tài)毫米波源設(shè)計研制成功，同時展示了W頻段94 GHz固態(tài)毫米波源設(shè)計研制獲得了技術(shù)突破。

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梁勤金（1963—），男，四川蓬溪人，1986年于山東大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為研究員，主要從事高功率微波產(chǎn)生及應(yīng)用研究；

LIANG Qinjn was born in Pengxi，Sichuan Province，in 1963.He received the B.S.degree from Shandong University in 1986.He is now a senior engineer of professor.His research concerns high power microwave generating and application.

Email：liang2489623@163.com

石小燕（1971—），女，四川雙流人，1996年于四川大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事脈沖功率產(chǎn)生及應(yīng)用研究；

SHI Xiaoyan was born in Shuangliu，Sichuan Province，in 1971.She received the B.S.degree from Sichuan University in 1996.She is now a senior engineer.Her research concerns high power pulse generating and application.

Email：0001sxy@sina.com

潘文武（1975—），男，四川蓬溪人，2002年于燕山大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及各種力學(xué)結(jié)構(gòu)分析。

PAN Wenwu was born in Pengxi，Sichuan Province，in 1975.He received the M.S.degree from Yanshan University in 2002.He is now a senior engineer.His research concerns machine design and mixed mechanical analysis.

Email：2527322@qq.com

A Newly-developed W-band Solid-state GaN Power Amplifier Millimeter Wave Source

LIANG Qinjin，SHI Xiaoyan，PAN Wenwu，HUANG Jijin
（Science and Technology on High Power Microwave Laboratory，Institute of Applied Electronics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

This paper introduces a newly-developed W-band solid-state GaN power amplifier millimeter wave（MMW）source，gives its system composition and operational principle，and provides the basic performance and experimental results of primary components including W-band solid-state Gunn driving source，W-band guide-microstrip line transposition and main amplifier chip.The MMW source operates at 94 GHz，its continuous wave power output is larger than 300 mW，linear gain is 10 dB，power-added efficiency（PAE）is greater than 16%.During the development of W-band solid-state MMW source，the choice of its monolithic microwave integrated circuit（MMIC）power amplifier of semiconductor material has undergone GaN，GaAs and InP，which clearly demonstrates that the output power，gain，efficiency and high temperature performance of W-band GaN MMIC power amplifier is superior to that of other solid-state MMIC power amplifiers.The high power technology of W-band solid-state GaN MMIC is likely to result in new revolutionized technology and application in the MMW field.

millimeter wave source；GaN power amplifier；W-band；MMIC；continous wave

The National High-tech R&D Program of China（863 Program）

**通信作者:liang2489623@163.com liang2489623@163.com

TN73

A

1001-893X（2016）08-0873-06

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.08.008

2016-02-24；

2016-06-15

date:2016-02-24；Revised date:2016-06-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目

引用格式:梁勤金，石小燕，潘文武，等.一種新研制的W頻段固態(tài)GaN功率放大器毫米波源［J］.電訊技術(shù)，2016，56（8）：873-878.［LIANG Qinjin，SHI Xiaoyan，PAN Wenwu，et al.A newly-developed W-band solid-state GaN power amplifier millimeter wave source［J］.Telecommunication Engineering，2016，56（8）：873-878.］