X波段GaAs MMIC低噪声放大器设计研究

文章针对雷达和卫星通信等微波系统需求,设计一种X波段GaAs单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)低噪声放大器。该电路为两级放大器级联结构,采用自偏置电路结构,实现单电源3.5 V供电。通过电感峰化和宽带匹配等技术实现X波段的工作频率全覆盖,并实现较低的噪声系数。测试结果表明,在8~12 GHz频率范围内,低噪声放大器功率增益大于23 dB,噪声系数小于1.7 dB,输出1 dB压缩点功率大于13 dBm。

一种X波段150W紧凑型功率放大器MMIC

基于0.35μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺平台设计了一款功率放大器单片微波集成电路(MMIC),采用双场板将HEMT的击穿电压提升至200 V;借助热电联合设计,优化HEMT的栅栅间距和末级HEMT布局,器件热阻降至0.55℃/W;输出匹配融合了功率分配/合成、阻抗变换和谐波调谐等功能,并通过多电容串联提高了击穿电压,增强了电路的鲁棒性;优化了版图布局,末级HEMT采用两两共地,并利用片上电感以缩短栅极偏置线,减小了芯片面积。最终,实现了饱和输出功率大于150 W、功率附加效率大于40%、功率增益大于22 dB的X波段功率放大器MMIC,其尺寸为3.8 mm×5.3 mm。该功率放大器MMIC可广泛应用于通信领域。

GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型

GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)的热积累问题是制约其进一步高度集成和大功率化应用的主要技术瓶颈,针对该散热问题,提出了GaN功率放大器MMIC的近结区热阻解析模型。在简单多层叠加的热阻解析模型的基础上,细化至芯片的近结区域,引入了位置矫正因子矩阵和耦合系数矩阵,并通过加栅窗的方式建立了芯片近结区的热阻解析模型。该模型考虑了GaN功率放大器MMIC的特点以及衬底的晶格热效应,可以更准确地表征芯片结温。采用红外热成像仪对6种GaN功率放大器MMIC在不同工作条件下进行了热测试,对比仿真和测试结果发现,解析模型的结温预测误差在10%以内,说明该模型可以准确地表征GaN功率放大器MMIC的热特性,进而用于优化和指导电路拓扑设计。

一种V波段高效率5W GaN功率放大器MMIC

基于0.13μm SiC基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,设计了一款V波段GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。该功率放大器MMIC采用三级放大拓扑结构以满足增益需求;使用高低阻抗微带传输线进行阻抗匹配,通过威尔金森功分器/合成器完成功率放大器的末端功率合成;通过对晶体管宽长比的设计与多胞晶体管的合成,实现了功率放大器的高功率稳定工作和高效率输出。经过测试,在59~61 GHz频率范围内,在占空比为20%、脉宽为100μs时,该功率放大器MMIC的饱和输出功率达到37 dBm以上,功率附加效率(PAE)大于21.1%,功率增益大于17 dB;连续波测试条件下输出功率大于36.8 dBm, PAE大于21%。该设计在输出功率和PAE上具有一定的优势。

一款18~40GHzMMIC无源双平衡混频器

基于0.15μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(p HEMT)工艺,设计了一款18~40 GHz的无源双平衡混频器。该混频器采用肖特基二极管构成的混频环和3耦合线Marchand巴伦的结构,提高工作带宽的同时也减小了芯片尺寸。当本振(LO)功率为14 d Bm、中频(IF)频率为100 MHz时,常温下流片测试的各项参数典型值为上下变频模式下LO/射频(RF)频段覆盖18~40 GHz,带内变频损耗为-7 d B,1 d B压缩点功率值为10 d Bm,LO到RF端口的隔离度为-25 d B,同时其余各端口之间具有优良的隔离度。中频频率覆盖DC~20 GHz,芯片尺寸为1.63 mm×0.97 mm。

W波段InP HEMT MMIC功率放大器

基于InGaAs/InAlAs/InPHEMT设计制作了一款W波段功率放大器芯片。采用分子束外延技术生长了材料结构经过优化设计的InPHEMT外延材料,采用电子束光刻和三层胶工艺制作有源器件的超深亚微米T型栅,并采用神经网络模型对器件进行精确建模。电路采用4级级联提高电路的增益,末级采用4胞并联器件有效地分散热源。采用全波电磁场仿真技术设计电路版图有效降低芯片内部的电磁耦合。芯片采用在片脉冲测试,测试结果显示,在脉宽为10μs、占空比为10%、栅压为-0.15V和漏极电压为2V条件下,92~97GHz频率内功率放大器的小信号增益大于15dB,频率为94GHz时的输出功率达到300mW。

2～4 GHz MMIC低噪声放大器

采用中国电子科技集团公司第十三研究所的GaAs PHEMT低噪声工艺,设计了一款2~4 GHz微波单片集成电路低噪声放大器（MMIC LNA）。该低噪声放大器采用两级级联的电路结构,第一级折中考虑了低噪声放大器的最佳噪声和最大增益,采用源极串联负反馈和输入匹配电路,实现噪声匹配和输入匹配。第二级采用串联、并联负反馈,提高电路的增益平坦度和稳定性。每一级采用自偏电路设计,实现单电源供电。MMIC芯片测试结果为：工作频率为2~4 GHz,噪声系数小于1.0 dB,增益大于27.5 dB,1 dB压缩点输出功率大于18 dBm,输入、输出回波损耗小于-10 dB,芯片面积为2.2 mm×1.2 mm。

表贴式MMIC高密度封装外壳微波特性设计

基于高温共烧陶瓷(HTCC)工艺,研制了一款32根引脚方形扁平无引线封装(CQFN)型微波外壳,外形尺寸仅为5mm×5mm×1.4mm。该外壳采用侧面挂孔的方式实现微波信号从基板底部到外壳内部带状线和键合区微带线的传输,底部增加了密集阵列接地过孔以消除高密度引脚间的耦合。对制作的外壳进行了微波性能测试,在C波段内的插入损耗小于0.5dB,驻波比小于1.3,隔离度大于30dB。该小型化表贴陶瓷外壳适用于C波段的微波单片集成电路(MMIC)的高品质气密封装,且便于批量化生产。

基于故障树分析法的GaAs MMIC烧毁失效分析

用故障树分析法对一款高温工作寿命试验过程中烧毁的Ga As功率单片集成电路(MMIC)进行失效分析。故障样品呈现为有源区烧毁,判定由电流过大或过热引起。故障树的顶事件为Ga As功放芯片烧毁,次级因素分为设计缺陷、内部因素及外围因素三个方面。然后列举导致过热或电流过大的情况并建立故障树,通过对故障树中的末级故障逐一排查后,最终定位其烧毁是由栅金属下沉引起。这种故障模式主要出现在长期高温情况下,一般在正常使用过程中不会出现。

Ka波段高效率GaAs功率放大器MMIC

采用GaAs PHEMT工艺,研究了PHEMT器件材料结构和大信号建模,分析了如何提高电路效率,并利用ADS软件对电路进行了原理图与版图优化设计,成功研制了高效率Ka波段GaAs功率放大器MMIC。电路采用三级级联放大,各级选取合适的总栅宽,使用Wilkinson功率分配/合成网络,采用阻性网络消除奇模振荡,输入输出均匹配至50Ω。在36～40 GHz频带内测试,测试结果表明:饱和输出功率大于2 W,功率增益大于17 dB,功率附加效率大于20%,频带内最高效率高达25%,芯片尺寸3.7 mm×3.2 mm。

Ka波段GaAs MMIC限幅低噪声放大器的设计

采用GaAs pin二极管和低噪声GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)集成的一片式限幅低噪声放大器(LNA)工艺,设计并制备了一款Ka波段GaAs微波单片集成电路(MMIC)限幅LNA。为了在Ka波段实现大功率和低噪声的目标,采用限幅器和LNA一体化设计的思路,优化了限幅器的电路拓扑和pin二极管的结构。该LNA采用三级级联的电流复用拓扑结构。在片测试结果表明,限幅LNA在32~38 GHz频率范围内,噪声系数小于3. 1 dB,线性增益大于18 dB,芯片静态工作电流为20 m A;在70℃恒温条件下,能够承受脉冲功率为2 W(脉冲宽度4 ms,占空比30%);芯片尺寸为3. 3 mm×2. 0 mm×0. 07 mm。

S波段GaN功率放大器MMIC

基于0.25μm Ga N HEMT工艺,研制了一款S波段Ga N功率放大器单片微波集成电路（MMIC）。该电路采用三级拓扑放大结构,提高了放大器的增益;采用电抗匹配方式,减小了电路输出级的损耗,提高了MMIC的功率和效率。输出级有源器件的布局优化,改善了放大器芯片的温度分布特性。测试结果表明,在2.8~3.6 GHz测试频带内,在脉冲偏压28 V（脉宽100μs,占空比10%）时,峰值输出功率大于60W,功率附加效率大于45%,小信号增益大于34 d B,增益平坦度在±0.3 d B以内,输入电压驻波比在1.7以下;在稳态偏压28 V时,连续波饱和输出功率大于40 W,功率附加效率38%以上。该MMIC尺寸为4.2 mm×4.0 mm。

5～10GHz MMIC低噪声放大器

采用稳懋公司150 nm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,设计了一款5~10 GHz单片微波集成电路(MMIC)低噪声放大器(LNA)。该LNA采用三级级联结构,且每一级采用相同的偏压条件,电路的低频工作端依靠电容反馈,高频工作端依靠电阻反馈调节阻抗匹配,从而实现宽带匹配,芯片面积为2.5 mm×1 mm。测试结果表明,工作频率为5~10 GHz,漏极电压为2.3 V,工作电流为70 m A时,LNA的功率增益达到35 dB,平均噪声温度为82 K,在90%工作频段内输入输出回波损耗优于-15 dB,1 dB压缩点输出功率为10.3 dBm,仿真结果与实验结果具有很好的一致性。

V波段3W GaN功率放大器MMIC

以50μm厚的SiC为衬底,基于T型栅GaN HEMT工艺技术,设计并制作了一款V波段GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。该功率放大器MMIC电路采用三级放大拓扑结构进行设计;采用高低阻抗微带传输线进行阻抗匹配和片上功率合成;采用介质电容和薄膜电阻进行偏置网络设计,实现稳定工作和低损耗输出。经测试,在55~65 GHz频带内,漏极工作电压+20 V、栅极工作电压-2.3 V的偏置条件下,在占空比20%、脉宽100μs脉冲状态时,该功率放大器MMIC的饱和输出功率达到3 W以上,功率附加效率达到22%;连续波状态时,其饱和输出功率达到2.5 W以上,60 GHz时最高功率达到3 W。

一种超小型DC^18 GHz MMIC 6 bit数字衰减器

微波单片集成电路(MMIC)数字衰减器的尺寸是芯片成本最主要的决定因素。基于GaAs E/D PHEMT工艺,研制了一款超小型DC^18 GHz 6 bit数字衰减器,芯片上集成了4 bit反相器。重点介绍了数字衰减器拓扑结构的改进及反相器的逻辑单元等电路设计的关键点。通过在衰减器拓扑中共用接地通孔、合并两个小衰减位、缩小微带线宽度和线间距、缩小薄膜电阻尺寸、减少控制电压压点个数,实现了芯片的超小型化,从而降低了MMIC数字衰减器的成本。测试结果表明,在DC^18 GHz频段内,数字衰减器的插入损耗小于6 d B,全态输入输出驻波比(VSWR)小于1.6,全态均方根误差小于0.7 d B,工作电流小于5 m A。数字衰减器芯片面积为1.45 mm×0.85 mm。

X波段GaN MMIC低噪声放大器设计

采用Si C衬底0.25μm Al Ga N/Ga N高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺,研制了一款X波段Ga N单片微波集成电路（MMIC）低噪声放大器（LNA）。放大器采用三级级联拓扑,第一级采用源极电感匹配,在确保良好的输入回波损耗的同时优化放大器噪声系数;第三级采用电阻电容串联负反馈匹配,在尽量降低噪声系数的前提下,保证良好的增益平坦度、输出端口回波损耗以及输出功率。在片测试表明,在10 V漏级电压、-2 V栅极电压偏置下,放大器静态电流为60 m A,8~12 GHz内增益为22.5 d B,增益平坦度为±1.2 d B,输入输出回波损耗均优于-11 d B,噪声系数小于1.55 d B,1 d B增益压缩点输出功率大于11.9 d Bm,其芯片尺寸为2.2 mm×1.1 mm。装配测试表明,噪声系数典型值小于1.6 d B,可承受33 d Bm连续波输入功率。该X波段Ga N低噪声放大器与高功率放大器工艺兼容,可以实现多功能集成,具有广阔的工程应用前景。

基于GaAs E/D PHEMT工艺的6～10 GHz多功能MMIC

采用Ga As衬底增强/耗尽型赝配高电子迁移率晶体管（E/D PHEMT）工艺研制了一款6～10 GHz多功能微波单片集成电路（MMIC）。其集成了4个单刀双掷开关、6 bit数控移相器、6 bit数控衰减器、3个放大器和14 bit并口驱动电路。测试结果表明：接收支路增益大于8 d B,1 d B压缩点输出功率大于3 d Bm;发射支路增益大于1 d B,1 d B压缩点输出功率大于8 d Bm。移相64态均方根误差小于3°,衰减64态均方根误差小于1 d B。在工作频带内接收和发射两种状态下,输入输出驻波比均小于1.5∶1。经过版图优化后,芯片尺寸为3.5 mm×5.1 mm。该多功能MMIC可用于微波收发组件,对传输信号进行幅相控制。

一款130～140 GHz MMIC低噪声放大器

基于90 nm栅长的InP高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款工作于130~140 GHz的MMIC低噪声放大器(LNA)。该款放大器采用三级级联的双电源拓扑结构,第一级电路在确保较低的输入回波损耗的同时优化了放大器的噪声,后两级则采用最大增益的匹配方式,保证了放大器具有良好的增益平坦度和较小的输出回波损耗。在片测试结果表明,在栅、漏极偏置电压分别为-0.25 V和3 V的工作条件下,该放大器在130~140 GHz工作频带内噪声系数小于6.5 dB,增益为18 dB±1.5 dB,输入电压驻波比小于2∶1,输出电压驻波比小于3∶1。芯片面积为1.70 mm×1.10 mm。该低噪声放大器有望应用于D波段的收发系统中。

2～4GHz GaN MMIC功率放大器

相对GaAs材料而言,GaN具有更高的击穿电压和更高的功率密度,使得GaN更适合用于宽带功率放大器的设计和实现。采用比GaAs赝配高电子迁移率晶体管更小栅宽的器件,设计和实现了一种2～4 GHz GaN微波单片集成功率放大器,达到了与GaAs大栅宽器件同样的输出功率。通过研究GaN功率器件的材料生长、器件设计、模型提取、电路匹配以及热分析等技术,并对电路的设计和工艺进行优化。在器件输入端设计了有耗匹配网络以获得宽带,在输出端设计了电抗匹配网络以降低功率损耗,提高效率。把芯片装配到测试夹具进行了10%脉冲条件下的功率测试,测试结果表明,28 V供电、工作电流为1.2 A时,微波单片集成功率放大器在频带内的功率增益大于20 dB,输出功率约为10 W,功率附加效率达到30%。电路芯片尺寸为3.99 mm×2.1 mm。

W波段三路合成GaN功率放大器MMIC

基于GaN HEMT工艺,研制了一款W波段功率放大器MMIC。利用Lange耦合器将3个饱和输出功率大于1 W的单元电路进行三路片上功率合成来实现该功率放大器MMIC。该芯片的制作采用了0.1μm T型栅GaN HEMT技术,衬底为50μm厚的SiC。芯片为三级级联拓扑结构,采用高低阻抗传输线、介质电容等进行匹配和偏置电路设计,实现低损耗输出,芯片尺寸为3.37 mm×3.53 mm×0.05 mm。测试结果表明,在漏源工作电压15 V、88~92 GHz频率范围内,该MMIC的线性增益大于15 dB,饱和输出功率大于3 W。该MMIC具有功率大、输入输出回波损耗小及应用范围广的优势。