7～8 GHz單片集成高功率氮化鎵功率放大器

游恒果，馮威，倪帥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

微波單片集成 （MMIC:Monolithic Microwave Integrated Circuit）大功率放大器和混合集成電路相比，具有集成度高、增益大、可靠性高和一致性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，是微波收發(fā)系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵部件。在GaN功率器件出現(xiàn)之前，該頻段輸出功率為60 W以上的功率放大器需要用空間功率合成技術(shù)或者行波管放大器 （TWTA）來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，并且這種功率放大器體積大、效率低。為了研制能夠同時(shí)達(dá)到輸出功率大 （80 W）、功率附加效率 （PAE）高和工作穩(wěn)定性高等要求的功率放大器MMIC，本文采用GaN HEMT工藝，成功研制出了一款輸出功率為80 W、PAE高和穩(wěn)定性好的7～8 GHz波段MMIC功率放大器[1-3]。

1 GaN HEMT工藝和器件特性

本文研究了產(chǎn)品基于SiC襯底的GaN HEMT工藝 （如圖1所示），主要分為有源器件和無(wú)源器件兩個(gè)部分進(jìn)行介紹。其中，有源器件主要采用深亞微米柵制作，包括鈍化、刻蝕和有源器件之間的臺(tái)面隔離等；制造無(wú)源器件的工藝包括表面金屬互聯(lián)、背面通孔互聯(lián)、MIM電容和薄膜電阻制作等。采用GaN HEMT工藝制造的GaN HEMT有源器件的直流特性參數(shù)如表1所示，其中，Vgs為柵極偏置電壓；Ids為漏極飽和電流；Imax為器件最大飽和漏極電流；BVsd為源極和漏極之間的擊穿電壓；Vto為夾斷電壓；Igd為柵漏電流。有源器件在某一柵極和漏極偏置電壓下的頻率特性曲線如圖2所示。依據(jù)器件H參數(shù) （H21）和單向最大功率增益（GU），以及按照器件增益-6 dB/每倍頻程的下降規(guī)律，可以推算出器件的電流截止頻率 （fT）為23 GHz，最大功率截止頻率（fMAX）大于55 GHz。

圖1 雙場(chǎng)板AlGaN/GaN HEMT的工藝剖面圖 [4]

表1 GaN HEMT器件的直流參數(shù)

圖2 Ids=30%Imax時(shí)GaN HEMT器件的頻率特性曲線

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化

在進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)80 W輸出功率的要求來(lái)確定功率輸出級(jí)器件的大小。基于可定標(biāo)大信號(hào)模型所做的尺寸為6 μm×130 μm柵寬器件的Load-Pull仿真曲線如圖3所示，器件模型的提取方法參考文獻(xiàn) [4]。從圖3中得到其最大的輸出功率為38.78 dBm，最高附加效率超過(guò)60%，并提供8 dB的功率增益 （Gp）。綜合地考慮輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗有0.5～0.6 dB和器件工作在極限溫度條件的情況，功率放大器單片的末級(jí)采用16個(gè)6 μm×130 μm柵條寬度的有源器件并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，以保證功率放大器單片有足夠的功率輸出和PAE。

其次，根據(jù)電路大于20 dB的功率增益要求，結(jié)合各級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)以及電路穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的大約7 dB的損耗，電路結(jié)構(gòu)選取3級(jí)有源器件放大形式，放大器電路的工作原理圖如圖4所示。3級(jí)有源器件的柵條寬度分別為 2 μm×4 μm×75 μm，4 μm×6 μm×75 μm 和 16 μm×6 μm×130 μm。 無(wú)源器件的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)按照先輸出后輸入的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，分別優(yōu)化每級(jí)有源器件的輸入阻抗和輸出阻抗，得到每級(jí)器件的最佳源阻抗和負(fù)載阻抗的匹配網(wǎng)絡(luò)。每級(jí)無(wú)源器件匹配網(wǎng)絡(luò)中的微帶線、電感和電容的參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化采用S參數(shù)小信號(hào)仿真。同時(shí)，為了避免出現(xiàn)仿真尺寸在實(shí)際的版圖中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況，需要對(duì)各個(gè)無(wú)源元件的版圖進(jìn)行預(yù)布局驗(yàn)證。最終優(yōu)化后第一級(jí)有源器件輸入級(jí)、第一級(jí)有源器件輸出和第二級(jí)有源器件輸入級(jí)、第二級(jí)有源器件輸出和第三級(jí)有源器件的輸入級(jí)、第三級(jí)有源器件的輸出級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗分別為3.2、2.3、1、0.5 dB。電路輸出功率和PAE的仿真結(jié)果如圖5-6所示。

圖 3 6 μm×130 μmGaN HEMT 器件的 Load-Pull仿真曲線

圖4 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 輸出功率的仿真結(jié)果

圖6 PAE的仿真結(jié)果

2.2 穩(wěn)定性分析

大功率放大器為了獲得高的輸出功率和高的PAE，功率器件通常需要工作在穩(wěn)定圓的邊界，但是此時(shí)電路有可能會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，研制適合工程化應(yīng)用的大功率放大器的最大困難并不是達(dá)到輸出功率和效率指標(biāo)的要求，而是保證電路的穩(wěn)定性。要想保證電路穩(wěn)定可靠地工作，則需要保證電路在規(guī)定的應(yīng)用條件下不會(huì)出現(xiàn)自激、雜散、分頻或熱燒毀等現(xiàn)象。文獻(xiàn) [5-16]中對(duì)功放電路的各種不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，本文不再贅述。本電路在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面充分地借鑒了上述文獻(xiàn)中的理論和技術(shù)，根據(jù)本電路的具體特點(diǎn)和要求，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各種不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并采取了相應(yīng)的防范措施。

2.3 版圖設(shè)計(jì)

在原理圖的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)電磁兼容和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，進(jìn)行電路版圖的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)每級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，綜合考慮電路性能、芯片散熱、電路可靠性和芯片面積等因素。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)電路，最終研制完成了功率放大器芯片，其圖片如圖7所示，芯片面積尺寸為3.8 mm×4.1 mm。

圖7 高功率放大器單片照片

3 測(cè)試結(jié)果和分析

功放芯片的輸出功率測(cè)試曲線和PAE的測(cè)試曲線如圖8-9所示，從圖8-9中可以看出在Vds=38 V，Vgs=-2 V，Pin=28 dBm的測(cè)試條件下，芯片在7～8 GHz頻帶內(nèi)的輸出功率 （Pout）大于 80 W，PAE大于40%。

為了驗(yàn)證芯片的穩(wěn)定性，根據(jù)工程應(yīng)用的要求，在-55～85℃溫度范圍內(nèi)對(duì)電路進(jìn)行了Vds=0～38 V電壓下的自激測(cè)試和輸入功率Pin=20～32 dBm下的雜散和分頻測(cè)試，結(jié)果顯示芯片未出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖8 大功率放大器輸出功率

圖9 大功率放大器的PAE

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用GaN HEMT工藝研制了一款單片集成7～8 GHz、80 W大功率放大器。通過(guò)合適的器件尺寸選擇和電路匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高性能的MMIC放大器，其輸出功率達(dá)到了80 W，PAE大于40%。為了保證芯片能夠穩(wěn)定可靠地工作在復(fù)雜的工程條件下，對(duì)芯片電路的穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并采取了相應(yīng)的預(yù)防措施。