V波段超寬帶功率放大器芯片的設(shè)計(jì)

摘? 要：介紹了一款V波段超寬帶放大器芯片，采用GaAs pHEMT工藝制作。該芯片具有超寬帶、高增益、高效率、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，主要用于射頻信號(hào)放大。微波在片測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該芯片實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，在50 GHz～66 GHz范圍內(nèi)，小信號(hào)增益24 dB～26 dB，1 dB壓縮輸出功率大于18 dBm，電流小于120 mA，帶內(nèi)輸入/輸出電壓駐波比小于1.4：1，芯片尺寸為3.20 mm×1.40 mm×0.07 mm。

關(guān)鍵詞：功率放大器;砷化鎵;超寬帶;微波單片集成電路

中圖分類號(hào)：TN43? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）04-0069-03

Design of V Band Ultra Wideband Power Amplifier Chip

XU Wei

（The 13th Research Institute of CETC， Shijiazhuang? 050051， China）

Abstract： A V-band ultra wideband amplifier chip is introduced， which is fabricated by GaAs pHEMT process. The chip has the advantages of ultra wideband， high gain， high efficiency and small size. It is mainly used for RF signal amplification. The actual test results of the chip given by the microwave on-chip test system show that in the range of 50 GHz～66 GHz， the small signal gain is 24 dB～26 dB， the 1 dB compression output power is greater than 18 dBm， the current is less than 120 mA， the in-band input/output voltage standing wave ratio is less than 1.4：1， and the chip size is 3.20 mm × 1.40 mm × 0.07 mm。

Keywords： power amplifier; GaAs; ultra wideband; MMIC

0? 引? 言

近年來隨著芯片制造工藝的進(jìn)步，微波單片集成電路逐漸向高頻率、寬頻帶、高效率等方向發(fā)展。由于大氣中氧分子和水汽分子的諧振吸收使V波段信號(hào)處于一個(gè)衰減峰，這使得V波段信號(hào)保密性強(qiáng)，在近距離通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。功率放大器是射頻系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其功率決定了通信距離的長(zhǎng)短、其效率對(duì)系統(tǒng)整體效率有較大的影響。

目前，對(duì)于V波段放大器芯片的研究主要集中GaN HEMT、GaAs pHEMT和硅基CMOS等工藝路線。硅基工藝芯片由于成本優(yōu)勢(shì)得到了研究人員的青睞，但硅基放大器功率低、效率低、增益低。Akbarpour等人[1]報(bào)道了一款V波段65 nm硅基功率放大器，線性增益大于12.5 dB，飽和輸出功率僅11.5 dBm，功率附加效率僅7%?；贕aN HEMT工藝的功率放大器在較大輸出功率（0.5 W以上）具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但其功率增益低、工作電壓高。劉如青等人[2]報(bào)道了一款基于GaN HEMT的高功率MMIC，頻率覆蓋55 GHz ～ 65 GHz，，電壓20 V，帶內(nèi)飽和輸出功率大于3W，功率附加效率大于22%。而基于GaAs pHEMT工藝的V波段放大器，主要不足是帶寬窄、功率增益小、效率低、電流大等。Chaki等人[3]報(bào)道了一款59 GHz GaAs功率放大器，輸出功率28.9 dBm、功率增益17.8 db、功率附加效率大于14.2%;Fujii等人[4]報(bào)道了一款GaAs功率放大器，其在40 GHz ～? 85 GHz漏源電壓3V時(shí)電流為500 mA、小信號(hào)增為18 dB、1 dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率為14 dBm。

本文以GaAs PHEMT工藝單片集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了50 GHz～66 GHz放大器芯片，并給出了芯片的研制結(jié)果。該芯片工作頻帶寬，增益高，效率高，為今后其他該類芯片設(shè)計(jì)提供了有益借鑒。

1? 總體方案

該功率放大器MMIC的工作頻率為50 GHz ～ 66 GHz、小信號(hào)增益大于20 dB、1 dB壓縮輸出功率大于18 dBm。功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)需要的頻率、帶寬、增益、輸出功率等指標(biāo)要求確定級(jí)聯(lián)數(shù)目和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率放大器單片的電路結(jié)構(gòu)有多種，常用的有分布式、負(fù)反饋式、有耗匹配、平衡式等幾種。分布式電路有較寬的頻帶、良好的輸入輸出駐波比等優(yōu)點(diǎn)，但卻不易提高增益。平衡式電路的輸入、輸出駐波比好，平坦度好等優(yōu)點(diǎn)，但有尺寸較大、效率低等缺點(diǎn)。負(fù)反饋式電路的增益平坦度較好，輸入、輸出駐波比也有所改善，但是犧牲增益來提升增益平坦度、損耗較大、效率低。有耗匹配電路的輸出功率高，平坦度好，但帶寬有一定限制。

設(shè)計(jì)目標(biāo)結(jié)合器件特性、匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗等方面，擬采用四級(jí)放大的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo);采用平衡式結(jié)構(gòu)，輸入級(jí)采用負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)，以獲得良好的駐波比;級(jí)間和輸出匹配電路采用多節(jié)有耗電抗的結(jié)構(gòu)為提升帶寬;增加阻性偏置網(wǎng)絡(luò)，消除奇模振蕩和參量自激;V波段寬度功率放大器電路原理圖如圖1所示。78B3293E-D178-40C9-B86C-84410D402017

2? 最佳功率與效率匹配設(shè)計(jì)

功率放大器設(shè)計(jì)就是在需要的帶寬內(nèi)獲得足夠高的輸出功率和功率附加效率，這是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。功率附加效率PAE定義是[5]：

其中，G為放大器的功率增益，PL為輸出功率，PDC為放大器的直流功耗。由該公式，要提高電路PAE，則需要提高輸出功率PL和功率增益G，降低直流功耗。同時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗應(yīng)盡可能小，尤其是輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

GaAs器件的最佳效率阻抗和最大輸出功率阻抗不重合[5]。為了滿足功率和效率的設(shè)計(jì)要求，必須在功率和效率之間進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，Smith圓圖上選擇合適的區(qū)域滿足功率、效率的要求。

3? 電路優(yōu)化與仿真設(shè)計(jì)

考慮器件在V波段內(nèi)的功率密度以及電路增益要求，該放大器采用四級(jí)級(jí)聯(lián)放大，末級(jí)總柵寬約240 ?m，四級(jí)柵寬配比約為1：2：4：9。

第一級(jí)器件柵寬：40 ?m，貢獻(xiàn)增益約5.5 dB;第二級(jí)器件柵寬：80 ?m，貢獻(xiàn)增益約6.5 dB;第三級(jí)器件柵寬：160 ?m貢獻(xiàn)增益約6.5 dB;第四級(jí)器件柵寬：360 ?m貢獻(xiàn)增益約5.5 dB。具體器件尺寸及偏置情況如表1所示。

依據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高精度的器件模型，采用微波CAD設(shè)計(jì)軟件根據(jù)電路指標(biāo)要求，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的進(jìn)行仿真。仿真過程采用循序漸進(jìn)的原則先隨機(jī)優(yōu)化后梯度優(yōu)化的方法、先集中參數(shù)后分布參數(shù)、先大信號(hào)后小信號(hào)的方式進(jìn)行，以提高設(shè)計(jì)效率。

電磁場(chǎng)和電路仿真相結(jié)合的方法，準(zhǔn)確分析毫米波功放版圖布局對(duì)電性能的影響，從而獲得最佳版圖設(shè)計(jì)并減小芯片尺寸。V波段電磁互擾現(xiàn)象較明顯，采用電磁仿真獲得較佳的電性能和較小的芯片尺寸的折中設(shè)計(jì)，放大器全版電磁場(chǎng)仿真3D圖如圖2所示。

4? 測(cè)試結(jié)果

圖3為所研制的芯片實(shí)物照片，芯片尺寸為3.20 mm× 1.40 mm。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與微波探針臺(tái)組成的微波在片測(cè)試系統(tǒng)，

測(cè)試結(jié)果表明，在50 GHz～66 GHz工作頻帶內(nèi)，Vd= +5 V，Vg=-0.4 V時(shí)動(dòng)態(tài)工作電流120 mA小信號(hào)增益24 dB～? 26 dB如圖4（a）所示，1 dB壓縮輸出功率大于18 dBm如圖4（b）所示，全頻帶輸入/輸出電壓駐波比小于1.4：1如圖4（c）所示，與國(guó)際同類產(chǎn)品相比，達(dá)到較高的水平。

5? 結(jié)? 論

基于GaAs MMIC技術(shù)，采用GaAs pHEMT工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證了50 GHz～66 GHz GaAs V波段功率放大器，通過微波在片測(cè)試評(píng)果可以看出，在50 GHz～66 GHz范圍內(nèi)獲得了良好的電性能，信號(hào)增益24 dB～26 dB，1dB壓縮輸出功率大于18 dBm，工作電流小于120 mA，全頻帶輸入輸出電壓駐波比小于1.4：1，芯片尺寸僅3.20 mm×1.40 mm× 0.07 mm。滿足了系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)寬帶放大器的急需。

參考文獻(xiàn)：

[1] AKBARPOUR M，HELAOUI M，GHANNOUCHI F M. Efficiency optimized 60 GHz CMOS power amplifier for high PAPR signals [C]//Proceedings of Global Symposium on Millimeter-Waves.Montreal：IEEE，2015： 1-3.

[2] SHIN C，AMASUGA H，GOTO S，et al. A V-band high power and high gain amplifier MMIC using GaAs PHEMTtechnology [C]//compound semiconductor integrated circuits symposium. Monterey：IEEE，2008：1-4.

[3] FUJII K，STANBACK J，MORKNER H. 40 to 85 GHz power amplifier MMICs using an optical lithography based low cost GaAs PHEMT process [C]//Proceedings of European Microwave Conference. Rome：IEEE，2009：503-506.

[4] 劉如青，劉帥，高學(xué)邦，等.V波段3W GaN功率放大器MMIC [J].半導(dǎo)體技術(shù)，2021，46（8）：599-603+634.

[5] POZAR D M.微波工程 [M].張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：徐偉（1989—），男，漢族，陜西城固人，工程師，碩士，研究方向：微波毫米波單片集成電路設(shè)計(jì)。78B3293E-D178-40C9-B86C-84410D402017