微波高功率固態(tài)放大器技術(shù)綜述

韓江安 馬凱學(xué)

摘要微波集成電路在民用和軍用電子中起到至關(guān)重要的作用。在微波集成電路領(lǐng)域，高功率的功率放大器為發(fā)射機(jī)提供足夠的信號(hào)功率輸送到自由空間中，是其不可缺少的關(guān)鍵部件?；趯W(xué)術(shù)研究和商用產(chǎn)品線情況，綜述了微波功率放大器芯片的發(fā)展情況。首先討論了各種微波毫米波功率放大器的制造技術(shù)，按照半導(dǎo)體器件可以歸類為砷化鎵、氮化鎵、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體和鍺化硅等；接著討論了微波芯片功放的設(shè)計(jì)技術(shù)用以滿足高功率、寬帶和高效率的指標(biāo)要求；最后總結(jié)了各類微波固態(tài)功率放大器的工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)，為芯片設(shè)計(jì)人員提供了全面的設(shè)計(jì)參考。關(guān)鍵詞微波；毫米波；功率放大器；集成電路；固態(tài)電路；功率合成

中圖分類號(hào)TN722.75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

收稿日期20161203

資助項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金（61471092）

作者簡(jiǎn)介

韓江安，男，博士后，主要研究方向?yàn)楹撩撞呻娐放c系統(tǒng)。jiangan-han@sutd.edu.sg

馬凱學(xué)（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，2016年國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，主要研究方向?yàn)楹撩撞呻娐放c系統(tǒng)。 makaixue@uestc.edu.cn

1新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)，新加坡，487372

2電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都，610054

0 引言

微波集成電路技術(shù)是無(wú)線系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵技術(shù)。在毫米波集成電路中，高性能且設(shè)計(jì)緊湊的功率放大器芯片電路是市場(chǎng)迫切需求的產(chǎn)品。總的來(lái)說(shuō)，微波功率放大器的芯片性能很大程度上取決于制造工藝，而每種工藝對(duì)功率放大器有著不同的特點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)。對(duì)于工作頻率不高于100 GHz的芯片而言，砷化鎵和氮化鎵材料具有功率方面的優(yōu)勢(shì)[12]。如果頻率作為器件的首要考慮，那么選用磷化銦器件制作的功率放大器其頻率可以高到500 GHz以上[3]。當(dāng)然，對(duì)于工業(yè)制造來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的成本也是功率放大器設(shè)計(jì)以及量產(chǎn)的重要因素，特別是對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品類，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）利于片上系統(tǒng)集成，因此具有成本優(yōu)勢(shì)。從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，毫米波芯片工作于不同的頻率有著不同的要求，比如在Ka波段的26.5～40 GHz，目前主要用于衛(wèi)星和中長(zhǎng)距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，大功率是這個(gè)波段功率放大器的首要指標(biāo)，因而氮化鎵和砷化鎵的功率放大器芯片是首選。對(duì)于60 GHz而言，由于電磁波在該頻率的衰減很大，主要潛在應(yīng)用于短距離的高速通信并面向消費(fèi)電子市場(chǎng)，因而成本較低的CMOS半導(dǎo)體和鍺化硅器件是未來(lái)該頻段芯片設(shè)計(jì)的首選[4]。在本篇綜述中，首先將比較毫米波固態(tài)電路芯片制造的基礎(chǔ)工藝；然后針對(duì)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，介紹了相應(yīng)的解決方案，包括設(shè)計(jì)構(gòu)架和功率半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)思路；最后比較了各種功率放大器的工藝特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，希望能為該領(lǐng)域的研發(fā)工作提供直觀的設(shè)計(jì)參考。

1 微波芯片制造技術(shù)

1.1 砷化鎵

當(dāng)前砷化鎵工藝包含兩大類器件工藝：贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（pHEMT）和應(yīng)變高電子遷移率晶體管（mHEMT）。其中pHEMT的商用程度要高于mHEMT器件。在商用領(lǐng)域，比較知名的公司有Qorvo、Mimixbroad、M/ACOM和Excelics等，其中大部分的固態(tài)功率放大器工作在6 GHz到120 GHz附近。比如Qorvo公司的TGA4706FC芯片可在76～83 GHz的頻率范圍提供超過15 dB的增益和14 dBm的飽和輸出功率?；?0 nm的pHEMT器件，砷化鎵毫米波固態(tài)功率放大器已經(jīng)可以工作在100 GHz的頻率以上[5]。非消費(fèi)電子用途的主流的砷化鎵功率放大器產(chǎn)品定位于6～40 GHz之間，以

學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，9（1）：814Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2017，9（1）：814

韓江安，等.微波高功率固態(tài)放大器技術(shù)綜述.

HAN Jiangan，et al.

A review of microwave high power solid state power amplifier.

X波段雷達(dá)和Ku、Ka波段的衛(wèi)星通信為目標(biāo)市場(chǎng)。如果不采用分布式功率放大器結(jié)構(gòu)，其帶寬通常在10 GHz之內(nèi)[67]。由于衡量微波固態(tài)功率放大器的重要指標(biāo)之一是飽和輸出功率，Qorvo公司的商用芯片TGA4916可在29～31 GHz的頻率范圍輸出達(dá)到38 dBm。在17～30 GHz頻段，現(xiàn)有的pHEMT功率放大器的功率附加效率（PAE）集中在25%～45%之間[812]。

應(yīng)變高電子遷移率晶體管（mHEMT）的研發(fā)初衷是為了解決磷化銦和砷化鎵襯底的不匹配問題，其基本方法是在砷化鎵襯底中添加一層銦。這種工藝器件具有較高的晶體管截止頻率和較低的噪聲，已報(bào)道的用mHEMT制作的毫米波功率放大器頻率在200 GHz以上[1314]。而在低于40 GHz的頻率，mHEMT的功率放大器較少被報(bào)道，相較于pHEMT制備的功率放大器并不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，只有少量用于實(shí)驗(yàn)的低噪聲放大器可供參考[15]。

1.2 氮化鎵

氮化鎵器件具有高的電子遷移率和高的擊穿電壓，是高效率大功率放大器設(shè)計(jì)的首選，其工作頻帶范圍可以從直流到接近100 GHz。在0.1 和0.15 μm特征柵長(zhǎng)的器件問世后，多個(gè)工作頻率超過70 GHz的氮化鎵功率放大器已被驗(yàn)證[1619]。在低于30 GHz的頻率，毫米波功率放大器芯片已在功率、效率和帶寬方面表現(xiàn)出非常出眾的性能。比如ACTELTHALES IIIV實(shí)驗(yàn)室研制的氮化鎵功率放大器，輸出功率達(dá)到43 W的同時(shí)保持了52%的功率附加效率[20]。而由Mitsubishi Electric 公司研制的功率放大器可在14～16 GHz頻帶范圍輸出60 W的功率和45%的功率附加效率[21]。應(yīng)用分布式放大電路拓?fù)?，氮化鎵功率放大器同時(shí)展現(xiàn)了其寬帶和高功率的優(yōu)勢(shì)[2223]。由于pHEMT器件的商業(yè)應(yīng)用已成熟多年并且優(yōu)化，使得氮化鎵功率放大器在30 GHz以上還處于與砷化鎵競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。在兩種器件表現(xiàn)出相似的輸出功率時(shí)，其內(nèi)部技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑卻稍顯差異[2427]。由于氮化鎵器件的高功率特性，使得用該種器件設(shè)計(jì)的功率放大電路可以用較少的晶體管進(jìn)行末級(jí)合成，就能匹敵用更多砷化鎵器件實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)。但是由于氮化鎵的器件本身體積較大，需要占用較大的芯片面積，因此制作多級(jí)電路的時(shí)候往往增益不如砷化鎵pHEMT晶體管的功率放大器。

1.3 硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

相比砷化鎵和氮化鎵器件，CMOS半導(dǎo)體所能提供的輸出功率顯得非常有限。原因是該種器件的擊穿電壓低，并且晶體管的電流耐受能力不高，其最大優(yōu)勢(shì)在于容易與高集成密度、低功耗的數(shù)字模擬系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成，使得系統(tǒng)具有成本低廉、集成度高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢(shì)。由于在消費(fèi)電子市場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，最近幾年有關(guān)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的功率放大器集成的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)其與模擬和數(shù)字部分集成為片上系統(tǒng)后，在價(jià)格、可靠性和便利性上都展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前工作頻率高于15 GHz的CMOS功率放大器的輸出功率大體在20 dBm左右，并且正在向30 dBm推進(jìn)[28]。由于CMOS按照摩爾定律發(fā)展，在各種半導(dǎo)體器件中特征尺寸制程領(lǐng)先，因此晶體管的截止頻率較高。如果輔以分布式的電路結(jié)構(gòu)，其工作帶寬可達(dá)幾十吉赫[2932]。最近幾年，由于60 GHz頻段附近在世界大多數(shù)國(guó)家開放為不需要購(gòu)買牌照就能使用的頻譜資源，而且大氣傳播衰減大主要面向短距離通信，所以這個(gè)頻段的CMOS功率放大器成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。當(dāng)前該頻段的功率最高水平在20 dBm左右，功率附加效率一般小于25%[3337]。

1.4 鍺化硅

鍺化硅（SiGe）器件的發(fā)展主要由IBM等公司推動(dòng)，采用了雙極性BiCMOS工藝，可以作為CMOS的替代選擇方案，同等尺度下器件的性能和截止頻率都有較大幅度的提升，并且同樣具有價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。與工作在相同頻率且性能相近的CMOS器件比較，鍺化硅異質(zhì)結(jié)晶體管的比硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的耐電壓，處理電流能力也稍高一籌，因而也適合用于集成微波功率放大器。在21～26 GHz頻段，鍺化硅異質(zhì)結(jié)晶體管放大器可提供23 dBm的飽和功率輸出且達(dá)到19.8%的功率附加效率[38]。有報(bào)道指出60 GHz頻段的功率放大器的性能有所下降，當(dāng)飽和輸出功率在20 dBm時(shí)，功率附加效率值為12.7%[39]。

1.5 磷化銦

得益于磷化銦（InP）異質(zhì)結(jié)晶體管的截止頻率可以大于500 GHz，這類器件非常適用于制備工作頻率在100 GHz以上的毫米波芯片。在電路拓?fù)渖?，磷化銦固態(tài)功率放大器的拓?fù)浯蠖嗖捎枚嗉?jí)級(jí)聯(lián)、末級(jí)單管輸出的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其在G頻段的輸出功率可達(dá)20 mW[4042]。為了進(jìn)一步提高該類器件的耐壓特性，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)管是其改進(jìn)版本[43]。當(dāng)磷化銦器件應(yīng)用在較低頻率，比如20 GHz的放大器設(shè)計(jì)，單級(jí)的放大結(jié)構(gòu)就能提供62%的功率附加效率和20 dB增益[44]。如果在該頻段采用多路合成的方式提高輸出功率，那么功率附加效率降低到37%～37.8%的區(qū)間[4547]。

2 微波高功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 二進(jìn)制功率合成技術(shù)

通常而言，在其他外界條件保持不變的情況下，微波功率放大器的輸出功率能力與總的晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管的柵寬成正比。雖然理論上可以通過增加單個(gè)晶體管的方式增加輸出功率，但是這種方法在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)造成匹配的困難和截止頻率降低的問題，因?yàn)榇藭r(shí)晶體管的輸入輸出阻抗過低。當(dāng)單管不能滿足微波功放的輸出功率指標(biāo)時(shí)，最常用的辦法是采用二進(jìn)制的方式來(lái)提高輸出功率，比較經(jīng)典的功率合成器有T字形網(wǎng)絡(luò)和Wilkisnon功率合成器。在插入功率合成器后，放大器的效率和工作帶寬會(huì)有所降低，比如文獻(xiàn)[47]的功率放大器在多管合成的條件下其功率附加效率降為單管的一半左右。T字形網(wǎng)絡(luò)和Wilkisnon功率合成器區(qū)別在于：T形功分網(wǎng)絡(luò)難以滿足每個(gè)端口的匹配和兩個(gè)合路端的隔離，而Wilkisnon功率合成器通過在兩個(gè)合路端添加電阻的方式，使所有端口達(dá)到匹配條件并事先隔離合路端口?？傮w而言，采用二進(jìn)制方式的功率合成技術(shù)應(yīng)用范圍廣，并且可以靈活選擇需要合成的路數(shù)，因此是商用芯片中實(shí)現(xiàn)高功率輸出的首選方式。如圖1所示的TGA4916的商用芯片，在最后一級(jí)采用了32路的合路器來(lái)提高輸出功率，芯片面積為3.86×5.17 mm2，因此也可以發(fā)現(xiàn)二進(jìn)制合路器在合成路數(shù)增加的時(shí)候版圖面積也相應(yīng)增加較大。

2.2 平衡式放大器

對(duì)于需要工作在寬帶的功率放大器而言，輸入和輸出端口需要在寬帶內(nèi)匹配到50 Ω，以實(shí)現(xiàn)低的駐波系數(shù)，這樣可以減少連到外部元件時(shí)增益和輸出功率的降低。此時(shí)可以借助90°耦合器的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分路內(nèi)的相位差，最后在合路端同向信號(hào)相加，反射波由于存在180°的相位差而被抵消[4850]。在集成電路設(shè)計(jì)中，Lange耦合器結(jié)構(gòu)緊湊，能夠很好滿足寬帶功率放大器的需求。在這類平衡功率放大器中，Lange耦合器在輸入和輸出端口成對(duì)使用，如圖2所示。

2.3 分布式放大拓?fù)?/p>

分布式放大器設(shè)計(jì)的基本思路是利用具有電容特性的晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管，配合外部電感構(gòu)造類似傳輸線的結(jié)構(gòu)，使其整體具有傳輸線的特性，最終達(dá)到寬帶匹配的效果。雖然這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)覆蓋多個(gè)波段的匹配效果，但其代價(jià)是所獲得的增益和功率附加效率往往不高，功率合成的效果不如T形和Wilkinson功分器。但是如果行波放大拓?fù)渑浜舷冗M(jìn)的氮化鎵工藝，可以彌補(bǔ)其在功率和效率上的不足（圖3）。因此，采用氮化鎵工藝設(shè)計(jì)的分布式功率放大器可以獲取很多優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括寬帶、高功率和中等PAE的性能[5154]。如文獻(xiàn)[51]中所報(bào)道的分布式大器，飽和輸出功率為38～41 dBm的連續(xù)波，并且PAE維持在19%～39%之間。

分布式放大電路拓?fù)渑c其他結(jié)構(gòu)靈活組合，可以產(chǎn)生一系列新的放大電路形式來(lái)增強(qiáng)增益。比如串聯(lián)式、共源共柵和矩陣式分布式放大器，如圖4所示。在圖4a的串聯(lián)式分布式放大器，通過將3個(gè)分布式放大器級(jí)聯(lián)來(lái)提高其增益和輸出功率[55]。圖4a和4b中都采用共源共柵的連接方式提高了每個(gè)放大單元的增益。雖然這3種電路拓?fù)渖嫌袇^(qū)別，但是本質(zhì)都是通過增加放大器增益，再加上分布式放大具有的寬帶的優(yōu)勢(shì)，來(lái)增加功率放大器總的增益帶寬積。

2.4 晶體管/場(chǎng)效應(yīng)管疊加

放大單元的改進(jìn)也可以提高功率放大器的增益和輸出功率，比如單級(jí)疊加晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管。雖然這種方式從電路拓?fù)渖峡搭愃朴诠苍垂矕?，但是有兩點(diǎn)區(qū)別：一是疊加晶體管/場(chǎng)效應(yīng)后對(duì)電源電壓的要求會(huì)相應(yīng)升高，以滿足支流偏置的要求，同時(shí)可以獲得更高的輸出功率，這種升壓需要在避免器件被擊穿的前提下，比如用砷化鎵和氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)比硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體更具優(yōu)勢(shì)。如圖5所示的電路，在場(chǎng)效應(yīng)管疊加后漏極電壓提升到了共源級(jí)電路的2倍，Vg2也需要相應(yīng)地提高[56]；二是疊加技術(shù)不僅僅局限于2個(gè)晶體管/場(chǎng)效應(yīng)管，而是可以疊加3個(gè)以上的單元。

使用這種晶體管/場(chǎng)效應(yīng)管疊加技術(shù)除了提高了功率和增益以外，另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是減少了固態(tài)功率放大器芯片所需要的面積。在設(shè)計(jì)指標(biāo)給定的條件下，所需要的級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)在采用疊加技術(shù)后會(huì)相應(yīng)減少，同時(shí)減少了級(jí)間匹配的工作量，而增加的晶體管/場(chǎng)效應(yīng)管的面積相比級(jí)間匹配電路可以忽略不計(jì)。因此很多疊加式的功率放大器往往只需要輸入輸出端口匹配即可，以更少的芯片面積就能實(shí)現(xiàn)多級(jí)功率放大器的同等指標(biāo)。

3 總結(jié)

本文首先綜述了微波固態(tài)高功率放大器的實(shí)現(xiàn)工藝和設(shè)計(jì)方法，目的是為設(shè)計(jì)人員提供可以參考和快速選擇的技術(shù)途徑。從工藝選擇角度考慮，需要結(jié)合功率放大器的應(yīng)用場(chǎng)景以及器件的工藝水平。對(duì)于遠(yuǎn)距離傳輸比如衛(wèi)星通信，砷化鎵pHEMT和氮化鎵器件具有先天的工藝優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于面向消費(fèi)電子的產(chǎn)品，鍺化硅和硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體固態(tài)功放可以滿足片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而降低系統(tǒng)的整體成本。而對(duì)于亞毫米波和太赫茲固態(tài)功放，可選用截止工作頻率較高的磷化銦和砷化鎵mHEMT器件。

然后本文介紹了各種固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)技術(shù)。二進(jìn)制功率合成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高功率輸出固態(tài)放大器的首選，可以靈活選擇合成的路數(shù)，但是電路拓?fù)鋾?huì)隨著合成路數(shù)的增加而變得復(fù)雜，并且芯片面積相應(yīng)增加。平衡式放大器有助于改進(jìn)放大器的輸入輸出的寬帶匹配情況，可以配合T形網(wǎng)絡(luò)或者Wilkisnon功率合成器使用。基本的分布式放大器可實(shí)最大寬帶匹配效果，但是輸出功率、增益和功率附加效率不佳，可以配合先進(jìn)的氮化鎵工藝以及改進(jìn)分布放大的電路結(jié)構(gòu)來(lái)彌補(bǔ)這三方面的不足。晶體管/場(chǎng)效應(yīng)管疊加技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更少的芯片面積達(dá)到多級(jí)電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，但是對(duì)直流偏置電壓和半導(dǎo)體元件本身的擊穿電壓要求也會(huì)相應(yīng)提高。

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