K波段高功率放大器MMIC設(shè)計(jì)

陸雨茜，陳華康，高 博，龔 敏

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610065）

1 引言

隨著無線通信的發(fā)展，相對較低波段的利用率已經(jīng)趨于飽和，低頻段頻率的擁擠促使電路設(shè)計(jì)逐漸向高頻段發(fā)展。在K波段(18～27 GHz)，隨著本地多點(diǎn)通信系統(tǒng)(LMDS)和防撞雷達(dá)等應(yīng)用的發(fā)展和微電子工藝技術(shù)的成熟，毫米波單片電路的需求越來越大[1]。除此之外，K波段在工業(yè)界、科學(xué)界以及醫(yī)療界都有應(yīng)用，該波段適用于高數(shù)據(jù)傳輸速率、近距離雷達(dá)系統(tǒng)以及自動車載雷達(dá)等[2]。

隨著微電子工藝技術(shù)的發(fā)展，GaAs功率器件的發(fā)展十分迅速，它們具有高頻特性好、可靠性高、功率密度高、線性度高、體積小[3]等特征。GaAs pHEMT采用多種不同的材料層合成，采用InGaAs層作為溝道材料，AlGaAs和InGaAs在界面處通過勢阱形成二維電子氣（2DEG），如圖1所示。與傳統(tǒng)的HEMT相比，二維電子氣的遷移率高，平均飽和速度高，使得pHEMT的頻率特性與功率特性都得到了提高[4]。

圖1 pHEMT結(jié)構(gòu)示意圖

本文所設(shè)計(jì)的GaAs MMIC功率放大器采用截止頻率為60 GHz的0.25 μm GaAs pHEMT工藝，通過有耗匹配和三級級聯(lián)放大等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電路設(shè)計(jì)。工藝采用TaN金屬膜電阻、重疊式MIM（M1/Si3N4/M2）電容器、空氣橋連接和背面通孔等技術(shù)。

2 功率放大器電路設(shè)計(jì)

微波功率放大器在設(shè)計(jì)過程中需要將多種設(shè)計(jì)因素考慮在內(nèi)，相較于小信號放大器，功率放大器在要求較高輸出功率的同時，對電路的增益及附加工作效率也有一定要求，設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。末級器件的總柵寬根據(jù)電路所要求的輸出功率加以確定，保證足夠功率輸出的同時兼顧效率[5]。通過對器件的分析可以得知，僅采用單個晶體管難以達(dá)到較高的輸出功率，所以放大器采用功率合成的方式以滿足高輸出功率的要求。

2.1 有耗匹配結(jié)構(gòu)

在功率放大器的設(shè)計(jì)過程中，為了得到較為平坦的增益，一般采用有耗匹配電路結(jié)構(gòu)，最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在電路的輸入端或輸出端采用串有電阻的短路線，如圖2所示。其工作原理是：當(dāng)電路工作在低頻時，短路線呈低電抗，電阻消耗增益；當(dāng)工作在高頻時，短路線呈高電抗，電阻對增益的影響較小。因此，匹配網(wǎng)絡(luò)可以引入一個正增益斜率，從而抵消器件的增益隨頻率滾降的部分[6]。與此同時，電阻器可以起到在低頻時緩解電路不穩(wěn)定的作用。

圖2 有耗匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 有源器件選擇

結(jié)合實(shí)際工藝與設(shè)計(jì)指標(biāo)，綜合選擇三級有源器件尺寸，電路輸入與輸出結(jié)構(gòu)之間采用有耗匹配。經(jīng)過查閱模型手冊得知，實(shí)際工藝的晶體管飽和輸出功率密度為550 mW/mm，在達(dá)到最終設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時，需要為輸出功率結(jié)合器預(yù)留3 dB的裕量。經(jīng)過計(jì)算，總晶體管柵寬應(yīng)達(dá)到7.24mm。考慮到兩個指叉之間的間距為100 μm，為了盡可能減小版圖面積，第三級有源器件選擇120μm×8（單指柵寬120μm，柵指數(shù)為8）。

輸入級不僅要提供增益，還要使輸出級達(dá)到飽和輸出功率。若前級與后級有源器件總柵寬比不夠大，則會導(dǎo)致整體的功率壓縮，影響電路效率；若總柵寬比太大，則會使前級電流過大，極大地降低電路效率。為了提供足夠的輸入功率，輸入級與輸出級之間的晶體管柵寬比例為0.5：1[7]左右，從而確定第二級有源器件選擇 100 μm×6（單指柵寬 100 μm，柵指數(shù)為 6）。同理可以確定第一級有源器件選擇100 μm×4（單指柵寬100μm，柵指數(shù)為4），最終電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 K波段功率放大器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

由于電路設(shè)計(jì)采用的有源器件不是絕對穩(wěn)定器件，所以需要考慮電路的全頻帶穩(wěn)定性，以保證電路在實(shí)際工作中的穩(wěn)定與可靠性[8]。ADS軟件中，主要通過穩(wěn)定因子（k）來對電路是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷，為了保證電路在全頻段的穩(wěn)定性，二端口網(wǎng)絡(luò)必須保證在全頻段k＞1。k值越大，則表示電路的穩(wěn)定性越強(qiáng)。

在功率放大器的設(shè)計(jì)過程中，常采用在輸入匹配和級間匹配電路中增加電阻電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的方法，如圖4所示[9]。在低頻時，傳輸線電抗較小，匹配網(wǎng)絡(luò)中的電阻可以降低電路增益；在高頻時傳輸線電抗較大，匹配網(wǎng)絡(luò)中的電阻影響很小[10]。這種電路結(jié)構(gòu)降低電路的增益，從而提高電路的穩(wěn)定性和增益平坦度。

圖4 電阻電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

3 功率放大器版圖設(shè)計(jì)與仿真

由于微波功率放大器工作在較高頻段，實(shí)際元件制作在一定大小的芯片上，各類器件會產(chǎn)生十分顯著的電磁耦合效應(yīng)，對電路進(jìn)行三維電磁場仿真至關(guān)重要。選取合適的元件對電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而在節(jié)省仿真時間、提高仿真效率的同時，使版圖更加合理化。為了保證版圖與原理圖仿真結(jié)果的一致性，在原理圖仿真時電路結(jié)構(gòu)與分布版圖需要完全相同；為了避免偏置電流之間互相干擾，每一級電路偏置均獨(dú)立設(shè)計(jì)，并且通過濾波電容對低頻信號進(jìn)行濾除。為了保證電流容量，本設(shè)計(jì)均采用雙層金屬走線設(shè)計(jì)，同時對寄生參數(shù)有一定的削減作用。通過電磁場設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試，盡量縮小芯片面積以提高成品率，確定功率放大器最終的版圖如圖5所示，版圖面積為2.5mm×3.2 mm。

圖5 K波段功率放大器版圖設(shè)計(jì)

通過大量的調(diào)試，電路輸出功率仿真曲線如圖6所示。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)功率放大器電路工作在21～24.5 GHz時，飽和輸出功率大于33 dBm，功率附加效率大于25%，功率增益大于19 dB。

圖6 功率放大器電磁場仿真結(jié)果

本次工作與近幾年文獻(xiàn)中功率放大器電路的平行比較如表1所示。從表1中可知，本功率放大器相對于同類放大器電路具有較高的工作頻率，且在輸出功率方面體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。

表1 不同文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的功率放大器電路性能參數(shù)對比

4 結(jié)論

本文基于0.25 μm GaAs pHEMT工藝，采用了三級級聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，用微帶電路實(shí)現(xiàn)電路輸入、輸出和級間匹配，實(shí)現(xiàn)了一款工作在K波段的高功率放大器，各級柵寬比為1：1.5：2.4。經(jīng) ADS仿真結(jié)果顯示，當(dāng)放大器工作在21～24.5 GHz時，飽和輸出功率大于33dBm，功率附加效率大于25%，功率增益大于19 dB，具有良好的微波性能。