应用于收发链路多模块级联的优化设计方法

为解决波束赋形芯片中子电路模块由于寄生效应而导致的级联失配问题提出了一种优化设计方法。该设计方法通过主动引入相邻器件阻抗牵引效应,并使其与级联阻抗失配相抵消从而实现阻抗“预失配”的设计方案。对“预失配”的技术原理以及设计流程进行了简要分析,并通过加工一款采用优化设计方案的4通道X/Ku波段的射频收发芯片,验证了该设计方案的可实现性与有效性。在8 GHz~18 GHz频带范围内,该芯片与基于端口驻波设计体系的原芯片相比,收发链路增益分别为6.5 dB和14 dB,提升了超过2 dB。发射链路输出功率21 dBm,发射效率为15.7%,分别提升了1 dB和9%。接收链路噪声系数为8.72 dB,降低了1.2 dB。收发链路最大移相均方根误差为5.12°和5.25°,分别下降了3.17°和1.75°。

0.6~18.0 GHz超宽带低噪声放大器MMIC

基于0.15μm GaAs E-pHEMT工艺设计并制备了一款0.6~18.0 GHz的低噪声放大器单片微波集成电路。该放大器使用一级共源共栅结构,通过负反馈实现宽带的匹配设计。同时在共栅晶体管栅极增加到地电容,共源管和共栅管漏极增加峰化电感,以提高高频增益,扩展带宽,改善噪声。常温在片测试结果表明,在3.3 V单电源供电下,0.6~18.0 GHz频带内该款低噪声放大器噪声系数典型值1.5 dB,小信号增益约15 dB,增益平坦度小于±0.9 dB,输入、输出电压驻波比典型值分别为1.7和1.8,1 dB压缩点输出功率典型值14 dBm,功耗72.6 mW,芯片面积1.5 mm×1.2 mm。

面向脉冲调制器的S波段高效线性MMIC功率放大器

针对脉冲调制全数字发射机中高速数字信号难以高效驱动射频功率放大器的问题,提出了一种高效线性MMIC功率放大器设计方法。采用连续F类功率放大器提高数字发射机系统的效率,采用三阶互调抵消改善临近饱和线性度。基于南京电子器件研究所GaAs pHEMT工艺,研制了一款S波段高效率线性功率放大器进行验证。测试结果表明,在3.4~4.0 GHz频段内,当输入功率为-10 dBm时,输出功率为26.2~26.7 dBm,功率附加效率为53.3%~60.7%,功率增益为36.2~36.7 dB。在3.7 GHz频点,输出功率为24.5 dBm,三阶互调失真小于-30 dBc;9 dB峰均比、40 MHz正交频分多路复用的64-QAM调制信号激励下,平均输出功率及对应的功率附加效率分别为20.5 dBm和28%,实现了-30 dBc的邻道功率比及5.5%的误差向量幅度。

晶圆级异构集成3D芯片互连技术研究

南京电子器件研究所基于芯片微凸点制备工艺和倒装互连工艺,进行了GaAs,GaN等晶圆级异构集成3D芯片互连工艺的研究,实现了芯片与芯片堆叠(Die to die,D2D)到芯片与圆片堆叠(Die to wafer,D2W)的技术性突破。芯粒间采用耐腐蚀、抗氧化、有良好塑性变形的金凸点作为互连材料。

星载高可靠性Ku波段GaN功率放大器芯片

基于星载高可靠性的应用背景,采用0.20μm GaN HEMT工艺研制了一款12 V工作电压的Ku频段功率放大器芯片。利用电热结合的分析方法,确定了管芯结构及工作电压。基于Load-pull测试获得GaN HEMT管芯的最佳输出功率和最佳效率阻抗,设计了一种带谐波匹配的高效率输出匹配电路,并通过引入有耗匹配,研制出了低压稳定的级间匹配电路。芯片面积为2.8 mm×2.6 mm,管芯漏极动态电压仿真峰值低于30 V,实测结温小于80℃,满足宇航Ⅰ级降额要求。功率放大器在17.5~18.0 GHz、漏压12 V(连续波)条件下,典型饱和输出功率2.5 W,附加效率38%,功率增益大于20 dB,线性增益大于27 dB,满足星载高效率要求。

一体化匹配网络的Q波段Doherty功率放大器MMIC设计

提出了一种毫米波Doherty放大器一体化匹配网络的设计方法。该匹配网络将功率合成、阻抗变换和相位调节功能一体化,结合兰格耦合器,去除了传统Doherty功放结构中输出和输入四分之一波长线。采用0.15μm GaN工艺研制了一款Doherty放大器MMIC。连续波测试条件下,此放大器在38~42 GHz频段内,饱和功率达到40 dBm,饱和PAE大于24%,6 dB输出功率回退PAE达到16%。在中心频率40 GHz、20 MHz双音间隔测试条件下,输出功率回退3 dB时,放大器的三阶交调失真IMD3小于-21 dBc。

X波段60W高效率GaN HEMT功率MMIC

研制了一款采用0.25μm GaN功率MMIC工艺研制的X波段高效率功率放大器芯片。芯片采用三级放大拓扑结构设计。末级匹配电路采用电抗匹配方式兼顾输出功率和效率,同时优化驱动级和末级管芯栅宽比以及级间匹配电路,降低驱动级管芯电流。通过这两种技术途径有效提高芯片的功率附加效率。输入级和级间匹配电路采用有耗匹配方式,扩展工作带宽以及提高稳定性。芯片在8~12GHz频带范围内漏压28V,脉宽100μS,占空比10%工作条件下输出功率达到47.5~48.7dBm,功率增益大于20dB,功率附加效率40%~45%。芯片面积3.5mm×3.8mm,单位面积功率密度为5.57 W/mm2,连续波条件下热阻为1.7K/W。

Ka波段5W GaAs PHMET功率MMIC

报道了一款采用0.15μm GaAs功率MMIC工艺研制的Ka波段功率放大器芯片。芯片采用四级放大拓扑结构,在29～32GHz频带范围内6V工作条件下线性增益25dB,线性增益平坦度小于±0.75dB;饱和输出功率大于5W,饱和效率大于20%,功率增益大于22dB;1dB压缩点输出功率大于36.5dBm,效率大于18%。

Q波段2W平衡式GaAs pHEMT功率MMIC

报道了一款采用0.15μm GaAs功率MMIC工艺研制的Q波段平衡式功率放大器芯片。芯片采用Lange耦合器进行功率合成。在该平台工艺规则限制条件下,按照传统设计方法设计的Lange耦合器无法满足平衡式放大器设计需求。文中提出了解决方法,对Lange耦合器的端接阻抗进行优化,使得设计的Lange耦合器物理尺寸符合工艺规则要求。放大器采用三级放大拓扑结构,同时综合应用三维和平面场仿真技术,提高电路仿真精度。芯片在43~46GHz频带范围内、6V偏置、连续波工作条件下,饱和输出功率大于33dBm,效率大于15%,功率增益大于14dB,线性增益为16dB,线性增益平坦度小于±0.8dB,芯片面积3.9mm×4.8mm。

超宽带硅基三维集成四通道收发微模组

南京电子器件研究所大力推进射频组件芯片化技术发展,在国内首先提出了五层硅基晶圆级堆叠架构(图1),在8英寸硅晶圆上,通过基于TSV射频转接板的三维集成先进工艺技术,制备出首款2~18 GHz硅基三维集成四通道收发微模组,模组大小为17 mm×17 mm×1.8 mm(图2),连续波输出功率大于29 dBm,发射电流小于0.8 A(图3),衰减态精度小于±(0.3+6%标称值)dB(图4)。基于成熟的TSV制造工艺,实现了多层硅基转接板间的射频垂直传输,通过硅腔技术大幅提升模组的稳定性和通道间隔离度,可靠的多层晶圆键合能力确保了模组的密封性能。该微模组的研制为高密度、高可靠性、高性能收发组件的开发奠定了基础。

0.15μm GaN HEMT及其应用

报道了毫米波应用的0.15μm场板结构GaN HEMT。器件研制采用了76.2mm(3英寸)SiC衬底上外延生长的AlGaN/GaN异质结构材料,该材料由MOCVD技术生长并引入了掺Fe GaN缓冲层技术以提升器件击穿电压。器件栅脚和集成了场板的栅帽均由电子束光刻实现,并采用栅挖槽技术来控制器件夹断电压。研制的2×75μm栅宽GaN HEMT在24V工作电压、35GHz频率下的负载牵引测试结果显示其输出功率密度达到了4W/mm,对应的功率增益和功率附加效率分别为5dB和35%。采用该0.15μm GaN HEMT技术进行了Ka波段GaN功率MMIC的研制,所研制的功率MMIC在24V工作电压下脉冲工作时(100μs脉宽、10%占空比),29GHz频点处饱和功率达到了10.64W。

基于GaN芯片的宽带固态功率放大器设计

介绍了一种基于GaN功率放大芯片的Ku波段宽带固态功率放大器的设计与实现。通过采用目前已经成熟的合成技术,进行了128路的功率合成,获得了大于1 000W的宽带输出功率和20%的功率附加效率,并分析了基于GaN芯片的固态功放的优势。

Ku波段20W GaN功率MMIC

报道了一款采用三级放大结构的Ku波段高效率GaN功率放大器芯片。放大器设计中通过电路布局优化改善功放芯片内部相位一致性,提高末级晶胞的合成效率,最终实现整个放大器功率及效率的提升。经匹配优化后放大器在14.6~17.0GHz频带内脉冲输出功率大于20 W,功率附加效率大于36%,最高39%。功率放大器芯片采用0.25μm GaN HEMT 101.6mm(4英寸)圆片工艺制造,芯片尺寸为2.3mm×1.9mm。

GaN HEMT工艺的X波段发射前端多功能MMIC

采用0.25μm Ga N HEMT工艺,研制了一款X波段发射前端多功能MMIC,片上集成了一个单刀双掷(SPDT)开关和一个功率放大器电路。其中SPDT开关采用对称的两路双器件并联结构,功率放大器采用三级放大拓扑结构设计,电路采用电抗匹配方式兼顾输出功率和效率。测试结果表明,在8~12 GHz频带内,芯片发射通道饱和输出功率为38.6~40.2 d Bm,功率附加效率为29%~34.5%,其中开关插入损耗约为0.8 d B,隔离度优于-45d B。该芯片面积为4 mm×2.1 mm。

L波段GaN大功率高效率准单片功率放大器

研制了一款基于NEDI 0.25μm GaN功率MMIC工艺的L波段大功率高效率准单片功率放大器。采用两级拓扑结构,以准单片形式实现。输入采用有耗匹配网络提高芯片的稳定性,级间和末级匹配均采用无耗纯电抗网络,其中末级匹配电路通过低损耗陶瓷电路实现。合理规划前级与末级间推动比,降低前级漏电流,减小末级匹配损耗,优化谐波匹配,实现大功率高效率设计。芯片在28V脉冲电压下工作,在1.2~1.4GHz范围内,实测输出功率大于49dBm,功率增益大于25dB,功率附加效率达到73%。管芯部分及输入匹配电路采用GaN功率MMIC工艺制作,输出匹配电路采用低损耗陶瓷片介质加工,两块电路键合一起总面积8.0mm×5.6mm。

负载牵引测试系统的误差源分析

负载牵引测试系统是一个复杂的微波测试系统,必然存在测试误差。本文从系统的组成、系统的校准、测量仪器自身测试误差和测试环境等角度分析了误差的来源,及其对测试系统的影响。

Load Pull系统高频测试误差分析及新型测试方案

负载牵引(Load pull)测试系统是一个复杂的微波测试系统,在不同的频段有不同的实现方案以及测试误差。本文从Load pull系统及待测器件的固有特性出发,分析了系统高频测试误差产生的原因,并且提出了一种提高系统高频测试精度的新型测试方案。

面向有源相控阵系统2~18 GHz超宽带幅相多功能MMIC

基于0.15μm GaAs E/D pHEMT工艺研制了一款工作频率为2~18 GHz的高精度低功耗超宽带幅相多功能芯片,片内集成了超宽带数控移相器、Gm-boost结构行波放大器、单刀双掷吸收式开关、无源匹配电路、数字SPI接口电路等,整个芯片尺寸为4.0 mm×4.0 mm。提出奇偶模相速补偿的全通网络结构以及基于有源宽带差分结构的移相器电路拓扑,在九个倍频程范围内实现了高移相精度、低损耗和高幅度平坦度的数控移相器。测试结果表明:在2~18 GHz频率范围内移相精度RMS小于5°,移相寄生调幅小于±0.8 dB,发射/接收增益大于8 dB,输出1 dB压缩点功率大于12 dBm,输入驻波小于2.4,输出驻波小于1.7。

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。

GaAs功率单片脉冲在片测试技术研究

讨论了功率单片在片脉冲测试中在片校准技术、脉冲功率测试技术等难题,并在讨论以上问题的基础上,实现工程化应用,该测试技术能够有效覆盖至40GHz。在建立的脉冲大功率在片测试系统上对输出功率典型值5W的GaAs功率单片放大器进行测试验证,测试结果和装架测试结果相比较,输出功率误差<0.2dB。