基于0.25 μm GaN 的2～12 GHz 連續(xù)波10 W功率放大器

劉士奇，周 云，周文碩

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.陸軍北京軍代局駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，諸多電子系統(tǒng)亟需寬帶、大功率和高效率的射頻功率放大器，以滿足電子測(cè)試儀器、電子對(duì)抗和干擾等領(lǐng)域需求[1-3]。GaN HEMT器件因其固有優(yōu)勢(shì)，逐步擠占真空管市場(chǎng)，成為新一代寬帶、大功率器件的新寵[4-5]，分布式放大器拓?fù)浼軜?gòu)則充分考慮了有源器件特性，利用微帶線補(bǔ)償寄生電容，實(shí)現(xiàn)超寬帶，是目前多倍頻程放大器的主流結(jié)構(gòu)[6-7]。因此，基于GaN HEMT器件的分布式放大器成為當(dāng)前超寬帶、高功率放大器的主流，其研究結(jié)果不斷刷新業(yè)界記錄[8]。

本文基于自主的0.25 μm GaN HEMT工藝，利用分布式放大器結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一款超寬帶、高功率和高效率的微波單片功率放大器，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際主流水平，包括GaN HEMT 有源器件特性分析、分布式放大器設(shè)計(jì)和制作，放大器性能測(cè)試和分析等。該功率放大器可廣泛地應(yīng)用于通用電子儀器測(cè)量和測(cè)試、電子對(duì)抗和干擾等眾多領(lǐng)域。

1 GaN HEMT器件特性和分析

有源器件是功率放大器的核心和基礎(chǔ)，可從直流參數(shù)、頻率響應(yīng)參數(shù)和功率以及效率參數(shù)3個(gè)方面評(píng)估其性能優(yōu)劣[9-10]。

直流參數(shù)如跨導(dǎo)、最大漏極電流和器件擊穿電壓以及閾值電壓等，表1為 0.25 μm GaN HEMT器件直流參數(shù)。其中Gm為器件跨導(dǎo)，Ids為飽和漏極電流，Imax為最大飽和電流，BVgd為擊穿電壓，Vth為閾值電壓，可提供較大的工作電流和足夠的工作電壓，確保正常、可靠工作。

表1 GaN HEMT 器件直流參數(shù)

Tab.1 Parameters of GaN HEMT DC Component

參數(shù)均值條件Gm/(mS·mm-1)400Ids/(mA·mm-1)700Vds=10 V,Vgs=0 VImax/(mA·mm-1)800Vds=10 V,Vgs=0.6 VBVgd/V100Igd=1 mA·mm-1Vth/V-3.0

頻率響應(yīng)參數(shù)主要包括最大電流增益和最大功率增益[11]。其直接決定放大器的頻率響應(yīng)。柵寬為6×90 μm 器件的頻率響應(yīng)如圖1所示。從圖1中可以得到，在頻率為8 GHz時(shí)，最大功率增益大于19 dB，為寬帶放大器設(shè)計(jì)提供足夠的功率增益。

圖1 Vds=28 V，Vgs=-2.0 V GaN HEMT器件頻率特性曲線

功率、效率參數(shù)則主要通過LOADPULL 測(cè)試，評(píng)估出單位柵寬器件的功率密度和效率。柵寬為6×90 μm器件的LOADPULL測(cè)試原圖如圖2所示，包括等功率圓和等效率圓，其最大輸出功率約為35 dBm,最佳效率大約62%。

圖2 Vds=28 V，Vgs=-2.0 V GaN HEMT LOADPULL 曲線

2 分布式放大器設(shè)計(jì)和制作

超寬帶、高功率和高效率放大器的設(shè)計(jì)和制作難點(diǎn)體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：① 最佳阻抗隨頻率變化，分散較大；② 由于增益滾降使得器件在倍頻程帶寬內(nèi)增益差距較大，難以平坦；③ 阻抗Q值變化較大，匹配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗較大[12-13]。

采用分布式放大器結(jié)構(gòu)，如圖3所示。充分利用柵極和漏極傳輸線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)功率器件的功率合成，同時(shí)把寄生電容Cgs融入匹配傳輸線中，消除電容帶來的低通極點(diǎn)，極大提高放大器增益帶寬乘積，進(jìn)而有效避免上述寬帶功放的技術(shù)瓶頸，顯著改善寬帶特性。

圖3 功率放大器電路

當(dāng)然，分布式放大器也存在不足。主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：① 最大飽和輸出功率受到漏極工作電壓Vd和負(fù)載阻抗RL的制約，其關(guān)系約為Po=Vd2/RL。要么提高工作電壓，但受到器件擊穿電壓限制；要么降低負(fù)載阻抗，但需要附加寬帶阻抗變換，增加損耗，功率和效率受到影響[14-17]。② 分布式放大器的效率通常不高，主要原因是輸出功率可以朝源和負(fù)載2個(gè)方向傳輸，導(dǎo)致其有一半的功率被耗散，無法被負(fù)載吸收。③ 傳輸增益受到傳輸線損耗限制。

基于上述困難，擬采用非均勻分布式(NDPA)電路結(jié)構(gòu)，即漸變式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸出功率朝負(fù)載方向傳輸，扼制其向源極方向傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高功率和高效率。同時(shí)也成功避免了均勻分布式放大器結(jié)構(gòu)中固有的第一級(jí)有源器件阻抗過高，通常大于200 Ω，對(duì)于單片MMIC工藝制程來說，特性阻抗過高，制作困難，而且損耗較大，使得放大器的效率和功率受到影響。

本文基于非均勻分布式放大器架構(gòu)，根據(jù)增益和傳輸損耗相互制約關(guān)系，擬采用7階非均勻分布式放大器，推導(dǎo)出歸一化最優(yōu)阻抗，總柵寬和輸出功率，構(gòu)建分布式放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。晶體管簡(jiǎn)化的輸出模型如圖4所示[7]，從中可以推出相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。

圖4 簡(jiǎn)化的FET 管輸出模型

(1)

歸一化后得到最優(yōu)阻抗表達(dá)式為：

(2)

進(jìn)而得到不同晶體管階數(shù)的匹配特性阻抗表達(dá)式為：

(3)

如果末級(jí)輸出的特性阻抗Zo,n=RL，則可以得到：

(4)

基于上述理論推導(dǎo)，可以得到分布式放大器核心架構(gòu)參數(shù)，比如每一級(jí)晶體管的柵寬、最優(yōu)阻抗、匹配特性阻抗以及預(yù)期的輸出功率。表2是基于上述公式推導(dǎo)得到的7階分布式放大器相關(guān)參數(shù)。

表2 7階非均勻分布式放大器設(shè)計(jì)

Tab.2 Design of 7 order non-uniform distributed PA

GaN NDPAFETWQ/mmZo/ΩRp(Ω·mm)=134RL=50Totalwidths=2.68 mmnumber of cell =7Vdd=28 VPSAT=15 W10.5424820.3614830.3610640.368250.366760.365770.3650

同時(shí)，在每一個(gè)有源器件的柵極前串聯(lián)一個(gè)電容電阻(RC)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，降低了有源器件的柵極電容，提高了電路的截止頻率，擴(kuò)展了電路帶寬，同時(shí)也增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性，改善了電路增益平坦度。

完成電路拓?fù)浼軜?gòu)以及原理圖仿真，著手考慮電路版圖設(shè)計(jì)。首先，借助最優(yōu)阻抗匹配點(diǎn)，通過調(diào)整版圖匹配無源器件，不斷逼近最優(yōu)阻抗點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這對(duì)寬帶功放來說，尤其關(guān)鍵。其次，充分考慮版圖之間的電磁場(chǎng)干擾，尋求版圖布局合理化，以期獲得較佳的電性能和緊湊的芯片尺寸。同時(shí)考慮工藝容差和功率容量，在縮小芯片面積的同時(shí)，避免增強(qiáng)電磁耦合效應(yīng)。最后，開展版圖后仿真驗(yàn)證和冗余度分析，降低工藝誤差對(duì)性能產(chǎn)生影響，提高成品率和批產(chǎn)能力。

本文設(shè)計(jì)的功率放大器主要工作在連續(xù)波模式下，有源器件作為發(fā)熱源，其熱耗密度在芯片中也是最大的，應(yīng)重點(diǎn)考慮。在有源器件布局中，通過增加有源器件之間的間距，降低有源器件之間的熱重疊，同時(shí)采用梯度加寬柵-柵間距的方式，加大有源器件面積，降低熱耗功率密度，同時(shí)最大程度減小由于有源器件面積增加所帶來的寄生電容增大和模型誤差所導(dǎo)致設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)性能之間的差距。

完成電磁場(chǎng)的仿真和優(yōu)化，進(jìn)行電路版圖繪制，最終設(shè)計(jì)的2～12 GHz非均勻分布式放大器MMIC芯片電路如圖5所示，芯片尺寸為3.35 mm×2.60 mm。

圖5 放大器MMIC電路(3.35 mm×2.60 mm)

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 放大器小信號(hào)特性

放大器流完片后，進(jìn)行裝配，然后借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源和輔助測(cè)試夾具，測(cè)試其小信號(hào)S參數(shù)，測(cè)試頻率范圍為2～12 GHz。測(cè)試條件如下：偏置條件為Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，連續(xù)波。圖6為放大器的S參數(shù)測(cè)試曲線，從中得到S21≥11 dB，S11≤-11 dB，S22≤-12 dB，表明該研制的放大器具有較高的增益，良好的輸入駐波和輸出駐波并與仿真曲線對(duì)比，二者吻合較好。

圖6 放大器小信號(hào)特性參數(shù)測(cè)試曲線

3.2 放大器大信號(hào)特性

開展大信號(hào)測(cè)試，主要包括飽和功率、飽和附加效率和飽和功率增益。測(cè)試系統(tǒng)包括功率計(jì)、信號(hào)源和頻譜儀以及測(cè)試夾具。測(cè)試條件如下：偏置條件為Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，連續(xù)波。測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。其中，圖7為測(cè)試和模擬輸出功率隨頻率變化曲線，圖8為測(cè)試和模擬功率附加效率隨頻率變化曲線，圖9為測(cè)試和模擬功率增益隨頻率變化曲線。在2～12 GHz頻率范圍內(nèi)，功率放大器的輸出飽和功率Pout≥40 dBm，飽和附加效率PAE≥30%，飽和功率增益Gp≥7 dB。

圖7 測(cè)試和模擬輸出功率Vds=28 V，Vgs=-2.0 V連續(xù)波

圖8 測(cè)試和模擬功率附加效率Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，連續(xù)波

圖9 測(cè)試和模擬功率增益Vds=28 V，Vgs=-2.0 V，連續(xù)波

由以上曲線可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)試曲線和仿真曲線的吻合度較高，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)模型是可靠、可用的，為后續(xù)同類產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

該功率放大器芯片在2～12 GHz頻率范圍內(nèi)具有超寬帶、高功率和高效率特性，性能結(jié)果達(dá)到國(guó)際主流水平。表3是與國(guó)際主流廠家類似產(chǎn)品的報(bào)道結(jié)果對(duì)比。

表3 GaN MMIC 分布式放大器總結(jié)

Tab.3 Summary of GaN MMIC distributed PA

參考頻率/GHz功率/dBm效率/%增益/dB文獻(xiàn)[15]1～640.01810～15文獻(xiàn)[16]2～1739.0157文獻(xiàn)[17]0.02～643.03018～21文獻(xiàn)[18]4～1836.51610本文2～1240.0307

4 結(jié)束語

基于0.25 μm GaN HEMT工藝，采用非均勻分布式電路結(jié)構(gòu)，借助寬帶匹配和增益補(bǔ)償技術(shù)以及充分考慮器件散熱，設(shè)計(jì)和制作了一款2～12 GHz、高功率和連續(xù)波的超寬帶放大器，其連續(xù)波輸出功率Pout大于40 dBm，功率附加效率PAE介于30%～45%之間，大信號(hào)增益大于7 dB，輸入回波損耗小于-11 dB，芯片面積為3.35 mm×2.60 mm。電路性能滿足設(shè)計(jì)要求，可廣泛應(yīng)用電子測(cè)試儀表、電子對(duì)抗和干擾等諸多領(lǐng)域。