0.1～40 GHz GaAs MMIC超寬帶行波放大器的研制

崔 亮，張忠山，楊 楠

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

行波放大器因在寬帶工作范圍內(nèi)的優(yōu)異性能，被廣泛用于微波通信、微波測量、雷達以及電子對抗等接收系統(tǒng)。通過改良傳統(tǒng)行波放大器的增益單元，可以改善其性能，提升放大器的增益和輸出功率等[1-5]。本文基于GaAs pHEMT設(shè)計了一款行波放大器，在+7 V工作電壓偏置下，0.1～40 GHz帶寬內(nèi)的增益為19 dB，增益平坦度為±1 dB，在20 GHz處，1 dB增益壓縮點輸出功率24 dBm。此外，該行波放大器具有面積小、可重復性好、增益高以及輸出功率高等特點，外圍電路簡單裝配方便，具有廣闊的應用前景。

1 行波放大器原理

行波放大器又被稱作分布式放大器，憑借簡單的電路拓撲結(jié)構(gòu)在超寬帶的頻率范圍內(nèi)擁有較好的性能，廣泛應用于通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)行波放大器原理如圖1所示。一系列的電感分別串聯(lián)在并排晶體管的柵極和漏極兩邊形成兩條人工傳輸線，即柵極人工傳輸線和漏極人工傳輸線。信號從輸入端的柵極人工傳輸線進入放大器，依次通過各個晶體管放大后進入漏極傳輸線進行輸出。相速度相同的信號會疊加輸出，多余的反向信號會被漏極傳輸線末端的吸收負載吸收。柵極傳輸線和漏極傳輸線結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

圖1 傳統(tǒng)行波放大器原理簡圖

圖2 柵極人工傳輸線

圖3 漏極極人工傳輸線

行波放大器晶體管的柵極和漏極通過引入電感，分別與柵極和漏極的寄生電容構(gòu)成一組串聯(lián)的T型網(wǎng)絡(luò)。每一小節(jié)T型網(wǎng)絡(luò)相當于一小節(jié)傳輸線，串聯(lián)起來的T型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了行波放大器的人工傳輸線。同時，在柵極傳輸線和漏極傳輸線的兩端分別有電阻Rg和Rd。柵極人工傳輸線上的電阻Rg用來吸收多余的輸入信號，輸入信號經(jīng)過各個晶體管后，多余的信號被柵極傳輸線的電阻吸收。晶體管放大后的信號在漏極傳輸線上會有部分信號進行反向傳輸，這部分冗余信號會被漏極傳輸線的電阻吸收。通過分析行波放大器的兩條人工傳輸線可知，它最重要的部分是重復構(gòu)建T型網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的柵極和漏極人工傳輸線的電容與電感。

將漏極和柵極的等效寄生電容Cds和Cgs統(tǒng)一用電容C表示，將參與人工傳輸線構(gòu)建的漏極電感Ld和柵極電感Lg統(tǒng)一用電感L表示，Z0表示為傳輸線的特征阻抗，由復阻抗計算可得從左邊看進去的輸入阻抗：

式（1）中，令Zin=Z0，可以得到：

當w2L2C＜＜1時，由式（2）可以得到：

所以，可得到傳輸線的特征阻抗Z0的表達式為：

一般來說，設(shè)計行波放大器時傳輸線的特征阻抗通常固定為50 Ω。由已知的晶體管寄生電容可以確定需要進行匹配電感L的初值，進而進行行波放大器的仿真。

2 GaAs行波放大器設(shè)計

本文設(shè)計的GaAs行波放大器芯片的制作是基于中國電子科技集團公司第十三研究所的GaAs工藝。通過分析傳統(tǒng)行波放大器的原理可知，傳統(tǒng)行波放大器采用多個晶體管并聯(lián)的形式，每個晶體管構(gòu)成一個單元，通過優(yōu)化這個單元可以得到性能更好的行波放大器。

設(shè)計的0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器拓撲如圖4所示，采用cascode結(jié)構(gòu)作為行波放大器的增益單元。Cascode結(jié)構(gòu)具有高增益和高隔離特點，適合超寬帶的設(shè)計。共源管和共柵管采用相同且尺寸合適的晶體管，小尺寸的晶體管具有較小的柵極寄生電容，寄生電容會直接影響等效傳輸線的截止頻率進而影響帶寬，最終在增益、輸出功率以及帶寬等指標的折中下選定管子尺寸。共源管的柵極采用外加電源提供所需要的負電壓。在芯片內(nèi)部共柵管的柵極電壓由漏極電壓分壓得到，以此減少電源的使用。同時，在共柵管的柵極偏置線上的每一級增益單元間都加入旁路電容進行充分濾波，以提升低頻帶寬。共柵管的柵極采用電容電阻串聯(lián)到地，提高射頻信號交流的同時影響電路的穩(wěn)定。每一級增益單元共柵管的漏極處都并聯(lián)一個小電容到地，在不影響電路帶寬的前提下提升高頻的穩(wěn)定性。此外，該行波放大器還具有檢波功能。

圖4 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器拓撲原理簡圖

電路原理圖設(shè)計完成后，需要進行版圖電磁仿真，以生產(chǎn)對應的版圖。本文設(shè)計的0.1～40 GHz行波放大器帶寬覆蓋到了毫米波頻段，很多無源器件會產(chǎn)生分布效應。利用ADS中的Momentum功能進行電磁場仿真，可使設(shè)計結(jié)果更接近于實測。

通常簡單的電路原理圖，利用ADS中Generate/Update Layout功能可直接生成版圖文件，經(jīng)過簡單修改后開始進行電磁場仿真。對于復雜電路，這種方式生成的版圖圖形不能最優(yōu)排布，將導致電磁耦合和圖形面積過大等問題。設(shè)計的超寬帶行波放大器本著低成本的設(shè)計理念，對版圖排版進行充分優(yōu)化，保證性能指標的同時，做到芯片面積最小。電路原理圖和版圖聯(lián)合仿真曲線分別如圖5和圖6所示。

最終得到如圖7所示的0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器版圖，芯片尺寸為2.4×1.0 mm2。射頻方向為左進右出，芯片上方為漏極偏置壓點與功率檢測壓點，右下方為共源管的柵極偏置壓點。

3 測試結(jié)果分析

在+7 V漏極電壓的工作條件下，探針臺裸片測試了該款行波放大器芯片在常溫條件下的小信號S參數(shù)、P-1輸出功率以及飽和輸出功率（輸出P3dB）等指標，測試結(jié)果如圖8所示。

圖5 增益與頻率的關(guān)系曲線

圖6 增益壓縮點輸出功率與頻率的關(guān)系曲線

圖7 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器版圖

圖8（a）在0.1～40 GHz的帶寬內(nèi)增益為19 dB，增益波動為±1 dB；圖8（b）顯示了該行波放大器工作帶寬內(nèi)具有良好的輸入回波損耗，輸入回波損耗均在-10 dB以下；圖8（c）和圖8（d）分別顯示了該行波放大器的輸出P1dB和輸出P3dB時的輸出功率特性。

圖8 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器裝配測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文基于GaAs pHEMT工藝設(shè)計并制作了一款0.1～40 GHz行波放大器芯片，同時集成了電壓檢波功能。測試結(jié)果顯示，它在實現(xiàn)了0.1～40 GHz超寬帶工作的同時，小信號和功率性能優(yōu)良，達到了預期目標，滿足了工程需求。