基于合成技术的毫米波太赫兹固态功放研究进展

随着下一代通信和装备向着更大带宽和更高精确度的方向发展,毫米波太赫兹频段成为微波技术研究的重点方向。发射功率是太赫兹系统中的关键指标,功率的大小直接决定了系统的作用距离。近些年来,毫米波太赫兹频段的固态功率器件取得了显著进步,推动了国内外太赫兹固态功率放大器的工程实现。本文介绍了国际上毫米波太赫兹频段功率合成技术和固态功放的研究现状,以及我国特别是南京电子器件研究所在W波段与G波段基于径向功率合成技术、矩形波导合成技术以及硅基波导合成技术的固态功放模组的最新研究进展。

太赫兹固态放大器研究进展

随着半导体技术的发展,晶体管特征频率不断提高,已经进入到太赫兹(THz)频段,使得固态器件可以在THz频段工作。THz放大器可以将微弱的信号进行放大,在THz系统中起着关键作用。介绍了基于氮化镓(Gallium Nitride,GaN)高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)器件、磷化铟(Indium Phosphide,InP)HEMT器件和InP异质结双极晶体管/双异质结双极晶体管(InP Heterojunction Bipolar Transistor/Double Heterojunction Bipolar Transistor,HBT/DHBT)器件的THz单片放大器研究进展。

基于70nm GaAs MHEMT工艺的W波段低噪声放大器

报道了一种采用电子束直写70nm"Y"型栅工艺制备的GaAs MHEMT器件及W波段低噪声放大器。器件的最大跨导可达到1 050mS/mm,最大电流密度可达650mA/mm。通过小信号S参数测试,可外推其电流增益截至频率fT及最大振荡频率fmax分别达350GHz及470GHz。采用该工艺制备的W波段低噪声放大器,在86~96GHz频段可实现噪声系数小于3dB,增益大于20dB。

基于大功率扩频的功率放大器测试方法

随着毫米波雷达在自动驾驶、机场异物探测等领域的应用,(92~96) GHz频段(W波段)功率放大器的性能评价备受关注。为解决该频段功率放大器的测试问题,给出了一种基于功放集成型大功率网分扩频的测试方案。该方案采用专用网分扩频模块,该模块具备网分扩频和信号功率放大两项功能,可实现在一套测量系统中完成全部功率参数和小信号S参数的测量。与传统测量方式相比较,具有系统集成度高、测量连接方式简单、测试效率高、测量重复性好等特点。通过试验验证,所提出方法可有效解决W频段功率放大器的测试任务,并显著提高功率放大器的测试效率。

W波段3.4W/mm GaN功率放大器MMIC

采用100nm GaN高电子迁移率晶体管工艺,研制了一款应用于W波段的高功率密度功率放大器微波单片集成电路。该工艺采用厚度为50μm的SiC作为衬底。放大器采用三级级联拓扑结构,利用高低阻抗微带线与上下极板电容构成W波段低损耗阻抗匹配网络,实现较高的增益和较高的输出功率。同时,该放大器通过由1/4波长微带线构成的直流偏置网络进行片上集成设计,实现全单片集成。测试结果表明,当工作电压为15V时,该放大器芯片在88~98GHz范围内,典型小信号增益为20dB,连续波状态下饱和输出功率大于250mW。在98GHz下,芯片实现最大输出功率为405mW,功率增益为13dB,功率附加效率为14.4%。因此,该GaN功率放大器芯片输出相应的最大功率密度达到3.4W/mm。

X波段压控可调带通滤波器

通信系统中为了选择出所需频段的信号,抑制其它频段信号的干扰,射频前端电路中往往需要采用由多个不同中心频率的滤波器组合而成的滤波器组,以达到选择不同频段信号的目的。滤波器组体积较大,不符合当前接收机射频前端电路小型化、集成化的主流趋势,所以用单个尺寸较小的可调谐滤波器取代传统的滤波器组是未来的趋势。本文研究设计了一款X波段的压控可调带通滤波器,在普通梳状线滤波器基础上在梳状线枝节末端加入变容二极管,通过调整电压改变变容管的容值以达到调整滤波器中心频率的目的。制作的X波段压控可调滤波器测试结果显示可实现中心频率在8-10GHz内连续调节,验证了该方法的可行性。

W波段固态合成功放研究

介绍了W波段固态合成功放的研究结果。研究了W波段波导到微带之间的过渡理论,并验证了微带探针在W波段功率合成中运用的可行性,最终采用了8只GaN功率MMIC,通过高效波导功率合成的方式,在92~98GHz的频带内,实现了连续波大于6W输出功率,在98GHz最大功率可达7.4W,功率附加效率大于11%。

一款W波段GaN HEMT高谐波抑制八次倍频器MMIC

报道了一款采用0.1μm GaN HEMT工艺制作的W波段八次倍频器芯片。该芯片集成了3个二次倍频器和1个驱动放大器。二次倍频器采用有源平衡电路结构以实现较好的功率输出和有效的基波和奇次谐波抑制;驱动放大器采用单级负反馈电路结构,在实现良好输入输出匹配的同时兼顾增益平坦度。最终实现的八次倍频器芯片3 dB工作带宽为16 GHz(84～100 GHz),输出功率大于13 dBm,谐波抑制度大于40 dBc,带内谐波抑制度大于60 dBc。芯片面积3.6 mm×1.7 mm。

基于GaN HEMT的155~172 GHz功率放大器设计

设计了一款G波段GaN HEMT功率放大器。放大器采用级联结构,在每级设计中均引入了并联反馈。放大器工作频段内的小信号增益大于25 dB,3 dB带宽为17 GHz。大信号测试结果显示,在155~172 GHz饱和输出功率为14~17 dBm;在165 GHz饱和输出功率密度为17 dBm,对应的功率密度为1.25 W/mm。该功率放大器直流损耗功率为1 060 mW,峰值功率附加效率为4.7%。