基于0.25μm GaAs PHEMT工艺的32GHz毫米波单片功率放大器

1、第!"卷!第#!期!$%年#!月半!导!体!学!报&'()*+*,-./)01-2+*3(&-)4.&5-/+6789!"!)79#!4:;9!$%基于Z)(.OH;%84=$,I工艺的*(H=K毫米波单片功率放大器!# !# A顾建忠# !张!健!喻筱静!钱!蓉!李凌云!孙晓玮#中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海!$!中国科学院研究生院 北京!#$S?摘要 设计 制造和测试了基于$该功率放大器采用三Q!B栅长RC0M工艺的=!R'J毫米波单片功率放大器9#工作电压为%工作电流为%带内最大小信号增益为#在=级放大 6 $B09

2、"QSL< !R'J具有$Qg的饱和功率输出9关键词 毫米波单片集成电路 功率放大器 赝配高电子迁移率晶体管4%&& "=S$,$%&& !%$!$中图分类号 5 )S=!文献标识码 0!文章编号 $!=NS#""!$%#!N!#%$N$='!引言近年来 通信系统在微波和毫米波频段的需求例如卫星通信系统 点对多点分布系统 越来越多个人通信链路等9功率放大器是这些系统中的一个重要器件 虽然传统的行波电子管 可以在5g50 毫米波频段应用 但是固态的功率放大器具有更小的尺寸及更高的可靠性 同时也容易量产

3、降低成在过去的几十年 基于R本9C0M衬底的单片微波#毫米波集成电路 有了长足的进展 金属33(& 场效应管 的功率放大器在微波频段内起3*+2*5 到了重要的作用 3*+2*5的截止频率在栅长为随着频率提$Q!B的工艺条件下一般为$R'J9#进入毫米波频段 赝配高电子迁移率晶体管高!%的结构被提出来 这类器件在二维电U'*35子气结构及材料系统等方面得到了巨大改进 使电子迁移率大大提高 通常$Q!BU'*35的截止#频率为?在国内 基于此工艺的单片微波功$R'J9% "率放大器也逐步被研制出来 9本文基于$设计和Q!BRC0MU'*3

4、5工艺 #制造了一个三级的=该放大器具!R'J功率放大器 有$Qg的功率输出和最大#"QSL<的小信号增益9直流偏置条件为 整个功率放大器%6 %$B09的输入输出阻抗均匹配到$9最后一级功率输出采用S个面积为!Q%BB=BB9在毫米波频段该晶体管仍>"B的功率管合成 #然能够提供足够高的增益和电流密度9为了满足小信号增益#采用三级放大9"L<的初步设计要求图#!=!R'J功率放大器的芯片照片 !Q%BB=BB2DQ#!UE7O7KCE7TOE:=!R'JX7Y:KCB8DTD:KHHXX !Q%BB=BB(!电路设计图#

5、是所设计的功率放大器的版图照片 芯片A通信作者9*BCD8PYMFG!BCD89MDB9C;9;G$%N$!N!"收到 !$%N$>N!=定稿!图!为三级功率放大器的结构拓扑图9对于最后一级的功率输出网络 需要将四个晶体管的功率合成 同时起到阻抗匹配的作用 将晶体管的最佳功率输出阻抗并联后匹配到最后该匹配网$输出络还要承担给四个晶体管提供直流偏置的作用9考虑到芯片面积 部分直流馈电网络不采用传统的四$%中国电子学会"!第#!期顾建忠等 Q!BRC0MU'*35工艺的=!R'J毫米波单片功率放大器!基于$#"!*!分之一波长 而是将匹配网络和直

6、流馈电网络相结合 达到节省面积和阻抗匹配的目的9两个级间匹配*!测试结果网络需要同时实现前一级的输出匹配和后一级的输入匹配级间匹配为了使晶体管达到尽可能大的增益输入输出都采用共轭匹配9最后设计第一级的输入匹配网络 利用开路的微带线将晶体管的输入阻抗在共轭匹配到$9图!三级功率放大器的结构拓扑图2DHQ!57X787Hc7TOEK:MOCH:MX7Y:KCBX8DTD:K消除低频振荡是设计一个功率放大器需要满足的首要条件之一 在功率放大器的每一级匹配网络的设计过程中都需要考虑到9传统的放大器一般在晶体管的栅极串联一个电阻 通过有损匹配使电路稳定这样的方法虽然对于消除低频振荡很有效 但是往往会降低

7、晶体管的增益9在第二级晶体管的漏匹配网络采用如图=所示的电阻电容网络目的是为了消除低频的振荡9该偏置网络C=的电容值为Q>X2 对于工作频段内节点U=接近理想的接地 根据传输线理论 该点的电压接近于$ 所以C!和J!网络对于工作频段内的信号不产生衰减9但是对于低频信号 该节点U并非理想的接地状态 C!和J!网络就会起到消除低频振荡和吸收低频增益的作用9图=!第二级晶体管漏极直流偏置网络拓扑图2DHQ=!57X787Hc7TLKCDG4&WDCMT7KOE:M:;7GLOKCGNMDMO7K该功率放大器的小信号测试使用'U>"!4矢量网络分析仪9直流偏置条件

8、为 %6 %$B09图S是测试的功率放大器的小信号增益和输入输出反射系数9从图中可以看到在=!%=R'J小信号增益均大于#%L< 其中在=!QSR'J具有最大的小信号增益#"QSL<9输入和输出反射系数略有漂移 在!QR'J附近 输入和输出反射系数均为?L<9图是在=!R'J频率测试的功率放大器输出功率增益和输入功率的曲线9从图中可以看到随着输入功率的增加 输出功率也逐渐增加 输入功率为#!L<B时 输出功率达到H#L< 信号增益下降到#L<9继续增加输入功率 放大器输出功率达到HMCO9图S!功率放大器的小信号测试

9、曲线2DHQS!3:CMFK:LMBC88MDHGC87TX7Y:KCBX8DTD:K图!在=!R'J测试的功率放大器输出功率 增益和输入功率的曲线2DHQ!3:CMFK:L7FOXFOX7Y:KCGLHCDGYDOEDGXFOX7Y:KCO=!R'J在高功率测试中 功率放大器必然会产生大量的热9功率放大器的测试一般有两种方法 一是给芯片提供热沉 以增加散热面积和散热速度来降低芯片温度 二是采用脉冲测试的方法 即将直流馈电电压由连续直流变为直流脉冲 放大器在脉冲内工作=$"!*"半!导!体!学!报第!"卷而在其余时间内由于没有直流馈电而不工作!这样

10、在脉冲周期内工作所产生的热量能够在没有脉冲的从而降低对散热系统的要周期内得到充分的散发!求!控制了芯片温度的上升9图%是在连续波和直流脉冲条件下测试的功率放大器饱和输出功率比较9从图中可以看到采用直流脉冲的测试方法可以最大在限度地消除结温上升对芯片输出功率的影响!=!R'J采用脉冲测试得到饱和输出功率为!"Q%L<B9在片匹配到测试结果表明在带内最大的小信$!号增益可以达到#饱和功率输出在="QSL<!#Q%本文还简要探讨了毫米波功=!QR'J大于$Qg9率放大器稳定性设计的方法!从测试结果表明!该方法可以有效地解决功率放大器设计中的低频振荡问题

11、9参考文献'#(DB<!&CBD88:KD)!+EDE'4!:OC89=R'JRC0MX7Y:K!b*3*+2*5MCGLB7G78DOED;CB8DTD:KM9(*5KCGM3D;K7YX"$#5E:7K:;E!#?>?!="?#=!"c5'!(:KFM7G4g!088:G+0!bC73f!:OC89=R'JXM:FL7N!2HB7KED;'*3533(&X7Y:KCB8DTD:K9(*3D;K7YCV:XXCGL3D88DB:O:KNgCV:37G78DOED;&DK;FDOM

12、+B7MDFB!#?#cX'!=(ECGTD:8L+;EDGL8:K3!0F;7DG1!:OC890EDE8DG:CKDO!+HcEDE:TTD;D:G;M:FL7B7KED;'*359(*RC0M(&+BNHcXXc#?!7MDFB!X'S(ECKBC0b!-GCeR!fCBCF;ED4!:OC893D88DB:O:KNYCV:!+EDEX7Y:KCB8DTD:KMFMDGM:FL7B7KED;'*35+9(*HXHXX355N+(GO:KGCOD7GC83D;K7YCV:+B7MDFB!#?ScX'(75!3:OJ:R!&7KGT:8

13、L0!:OC8937G78DOED;BD88DB:O:KN!'图%!在连续波和直流脉冲条件下测试的功率放大器饱和输出功率YCV:XM:FL7B7KED;'*35X7Y:KCB8DTD:KMCObCNWCGL9XX!"$#(*3D;K7YRFDL:LgCV:1:OO#?!>=!'!R!g%(E:GDGFC7,DCGT:GCGFGPDCG!:OC89bCNWCGL!&cHH,U'*35X7Y:KCB8DTD:K9/:M:CK;EpUK7K:MM7T+*!$#!XH"$#"$'陈新宇!高建峰!王军贤!等9!#S=&q

14、uot;#DG&EDG:M:bC波段固体电子学研究与进展!#U'*35功率放大器9!$#!#"S$(="#'!"(FDC78DECGDG!+EC7bCD90!9#R'JXK:NLDMO7KOD7G!H<!8DG:CKDOC0M33(&9&EDG:M:,7FKGC87T+:BD;7GLF;O7KMcR"$#$'许晓丽!张斌!邵凯9用R!$S!=!#"DG&EDG:M:C0M半导体学报!33(&实现!Q#R'J的预失真线性化单片9"$#(!$S!=!#2

15、DQ%!3:CMFK:LMCOFKCO:L7FOFOX7Y:KCO;7GODGF:LHXCGLXF8M:4&WDCM+!结论本文设计了一个基于$Q!B的三级=!R'J#单片U输入输出阻抗均'*35毫米波功率放大器!*(H=K,#&46F05%OA>P>058>2)(.OH;%84=$,I7Z#!#!#A!f!CRF,DCGJE7GECGDCGFDC7DGDCG/7GD1DGFGGL+FGDC7Y:DH!H,ZH!dH!1Hc!"#/"08"0?78$?$A$15?>&5$1B08:785&B0

16、$?58W1>"85=5"?811D>0:1B/>?18>1!/"08"0?!$!C"?80$96G*69*!C*569"!U&0:A0$1/>"55=5$"1C"?811D>0:1B/>?18>1!E1?8$S?!C"?80$6*56F9!#0=!%C835;13!R'J$QgU'*3533(&X7Y:KCB8DTD:KYED;EECMOEK:MOC:MDML:MDG:LTCWKD;CO:LCGLB:CMFK:L9(OXHH7:KCO:MFGL:KC%6X7Y:KMF8GL%$B04&WDCM90#"QSL<BCPDBFBMBC88MDGC8HCDGCGL$QgMCOFKCO:L7FOFOXXXcCHX7Y:KCK:C;ED:V:LCOOE:7:KCOD7GTK:F:G;9XXIc#33%UD065<8(&%X7Y:KCB8DTD