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。

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。

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。

GaAs MMIC开关MESFET电路建模技术研究

基于Agilent公司的IC-CAP软件及GaAs圆片工艺加工线,研究了砷化镓微波毫米波单片集成电路(GaAs M-MMIC)开关MESFET电路建模技术及其应用。讨论了MMIC设计中电路建模技术的重要性,提出了高精度GaAs MMIC开关MESFET简化电路模型及不同栅宽模型参数的比例缩放方案,扩展了电路模型的应用频率范围,解决了电路模型参教提取中的关键问题,如:开关MESFET模型的版图设计、微波探针校准图形的设计、电路模型参数的提取、统计和确认。采用该技术提取的电路模型参数,成功研制出GaAs MMIC控制电路系列产品,验证了该方法的有效性。

5~13GHz GaAs限幅低噪声放大器MMIC

基于0.15μm GaAs pin二极管和GaAs PHEMT工艺,设计并实现了一款5~13 GHz限幅低噪声放大器(LNA)单片微波集成电路(MMIC)。该MMIC中限幅器采用三级反向并联二极管结构,优化了插入损耗和耐功率性能;LNA采用两级级联设计,利用负反馈和源电感匹配,在宽带下实现平坦的增益和较小的噪声;限幅器和LNA进行一体化设计,实现了宽带耐功率和低噪声目标。测试结果表明,在5~13 GHz内,该MMIC的小信号增益大于20 dB,噪声系数小于1.8 dB,耐功率大于46 dBm(2 ms脉宽,30%占空比),总功耗小于190 mW,芯片尺寸为3.3 mm×1.2 mm。限幅LNA MMIC芯片的尺寸较小,降低了组件成本,同时降低了组件装配难度,提高通道之间的一致性。

GaAs器件和MMIC的失效分析

从可靠性物理的角度,分析引起砷化镓(GaAs)器件和单片微波集成电路(MMIC)退化或失效的主要失效模式及其失效机理,明确了GaAsMMIC的可靠性问题主要表现为有源器件、无源器件和环境因素等引入了损伤退化,并针对几种常见的失效原因:过电烧毁、静电损伤、器件分层、设计和工艺缺陷等进行举例分析,为生产和使用过程中控制其主要的失效模式及失效机理提供参考和依据。

一款GaAs PHEMT超宽带无源双平衡混频器MMIC

混频器是微波系统关键部件之一。微波通信系统的宽带化和小型化发展趋势对混频器性能提出更高要求。基于GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺设计了一款超宽带无源双平衡混频器单片微波集成电路(MMIC)。该混频器采用环形肖特基二极管结构和两个新颖的螺旋式平行耦合微带线巴伦结构,大大提高了混频器工作带宽,减小了芯片尺寸,提高了本振(LO)到射频(RF)端口的隔离度。在片探针测试结果显示该芯片在上、下变频模式下RF和LO工作频率均为2~22 GHz,中频工作频率为0~4 GHz,变频损耗≤11.5 dB,LO到RF端口隔离度≥37 dB,LO输入功率为15 dBm。芯片尺寸为1.7 mm×1.0 mm。

GaAs PHEMT工艺V波段有源二倍频器MMIC

基于标准GaAs赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺,设计了一个输出频率在V波段的有源二倍频器单片微波集成电路（MMIC）,实现了高输出功率和良好的谐波抑制特性。芯片内部集成了180°马逊巴伦、对管变频和输出功率放大器等电路。重点优化设计了马逊巴伦的版图结构,在宽带内具有良好的相位和幅度特性;分析了对管变频结构电路的原理,确定其最佳工作电压在压断电压附近;设计了V波段两级放大器电路,对带内信号放大的同时抑制了带外谐波信号,提高了整个倍频器的输出功率。芯片采用微波探针台在片测试,在外加3.5 V电源电压下的工作电流为147 mA;输入功率为14 dBm时,在55-65 GHz输出带宽内的输出功率为13 dBm;带内基波抑制大于20 dBc,芯片面积为2.1 mm×1.3 mm。此倍频器MMIC可应用于V波段通信系统和微波测量系统。

X波段12W GaAs功率放大器MMIC

基于0.25μm Ga As赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺研制了一款可工作在脉冲和连续波条件下的X波段高性能大功率放大器（HPA）。根据Ga As材料的导热特性和热分布特点,设计了能够在连续波条件下工作的功率器件,并提取了器件的EEHEMT可定标模型参数。HPA原理图设计采用低损耗高效率母线拓扑结构,并基于最优效率原则优化了HPA各级阻抗匹配参数。对HPA容易出现的几种稳定性问题进行了分析,并在设计过程中采取了相应的防范措施。采用电磁场仿真技术优化设计的HPA芯片尺寸为3.5 mm×4.0 mm。在栅源电压为-0.7 V,漏源电压为8 V,工作频率为9～10 GHz的条件下,连续波输出功率达到12 W以上,功率附加效率大于45%,在9.6 GHz时功率附加效率达到50%。

基于GaAs pHEMT工艺的宽带6位数字移相器MMIC

基于0.15μm GaAs pHEMT (pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)工艺,研制了一款6位数字移相器微波单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC).该移相器由六个基本移相位级联组成,工作频带为10~18 GHz,步进值为5.625°,移相范围为0~360°,具有64个移相态.根据最优拓扑选择理论,5.625°,11.25°,22.5°移相位采用桥T型结构,降低了移相器的插损及面积;采用开关型高低通滤波器结构实现45°,90°,180°移相位,提高了大移相位的移相精度,并有效降低了寄生调幅.实测结果表明:64态移相寄生调幅均方根误差小于0.6 dB,移相输入输出回波损耗低于-11 dB,移相均方根误差小于4.2°,基态插入损耗低于8.6 dB.芯片尺寸为3.35 mm×1.40 mm.该数字移相器具有宽频带、高移相精度、尺寸小的特点,主要用于微波相控阵T/R组件、无线通信等领域.

GaAs微波单片集成电路(MMIC)的可靠性研究

本文介绍了GaAsMMIC的可靠性研究与进展 ,重点介绍了工艺表征工具 (TCV)、工艺控制监测 (PCM )和统计工艺控制 (SPC)等实现产品高质量、高可靠性和可重复性的可靠性保障技术 ,为国内GaAsMMIC可靠性研究提供了新的思路。

基于GaAs PHEMT工艺的超宽带多通道开关滤波器组MMIC

基于0.25μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,研制了一款超宽带7路开关滤波器组单片微波集成电路(MMIC)芯片。芯片内集成了开关、驱动电路和带通滤波器,实现了开关滤波功能。开关采用反射式串-并联混合结构;译码器和驱动电路控制某一支路开关的导通或关断;带通滤波器由集总电感和电容组成。该开关滤波器组芯片通带频率覆盖0.8~18 GHz。探针测试结果表明,开关滤波器组芯片各个支路的中心插入损耗均小于8.5 dB,通带内回波损耗小于10 dB,典型带外衰减大于40 dB。为后续研发尺寸更小、性能更优的开关滤波器组提供了参考。

基于GaAs PHEMT工艺的60~90GHz功率放大器MMIC

研制了一款60~90 GHz功率放大器单片微波集成电路(MMIC),该MMIC采用平衡式放大结构,在较宽的频带内获得了平坦的增益、较高的输出功率及良好的输入输出驻波比(VSWR)。采用GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)标准工艺进行了流片,在片测试结果表明,在栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,功率放大器MMIC的小信号增益大于13 dB,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,功率放大器的小信号增益均大于15 dB。载体测试结果表明,栅极电压为-0.3 V、漏极电压为+3 V、频率为60~90 GHz时,该功率放大器MMIC饱和输出功率大于17.5 dBm,在71~76 GHz和81~86 GHz典型应用频段,其饱和输出功率可达到20 dBm。该功率放大器MMIC尺寸为5.25 mm×2.10 mm。

一种新颖的具有HEMT和GaAs MMIC的Ku波段低噪声放大器

本文介绍了一种具有高电子迁移率晶体管(HEMT)和砷化镓单片微波集成电路(GaAs MMIC)的Ku波段低噪声放大器。在11.7～12.2GHz频率范围内,该放大器的噪声系数小于1.9dB,相关增益大于27dB,输入和输出驻波比小于1.4。放大器第一级采用了HEMT和微波串联电感反馈技术,放大器未级采用了Ku波段GsAs MMIC。设计的关键是采用微波串联电感反馈方法同时获得最佳噪声和最小输入驻波匹配。放大器的输入端和输出端均为BJ-120波导。

采用负阻电路的大调频范围GaAsMMIC压控带通有源滤波器

采用负阻电路以及我们自行构造的模型设计的集成化平面肖特基变容管，用GaAsMMIC技术实现了L波段大调频范围压控带通滤波器该滤波器具有200MHk的3dB带宽，调频范围1．64GHz～1．0GHz、计约600MHz并具有足够的带外抑制比．全部偏置电路均在片上，芯片共占面积1．6×1．8mm2．

120 GHz GaAs MMIC双平衡式基尔伯特混频器

作为低频段混频电路中的典型拓扑结构,基尔伯特单元在毫米波、太赫兹领域的应用较少,在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体单片微波集成电路(MMIC)设计中,超过100 GHz的基尔伯特混频器很少有文献报导。基于70 nmGaAsmHEMT工艺,设计了一款120 GHz的双平衡式基尔伯特混频器,同时对该混频器版图结构进行优化改进,提升了混频器中频差分输出端口间的平衡度。仿真结果显示该混频器在本振输入0 dBm功率时,在100～135 GHz频率范围内有(-7.6±1.5) dB的变频损耗,射频输入1 dB压缩点为0 dBm@120 GHz,中频输出带宽大于10 GHz,差分输出信号间的功率失配<1 dB,相位失配<4°。该芯片直流功耗为90 mW,面积为1.5 mm×1.5 mm。

2~18 GHz GaAs超宽带低噪声放大器MMIC

基于90 nm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺设计并制备了一款2~18 GHz的超宽带低噪声放大器(LNA)单片微波集成电路(MMIC)。该款放大器具有两级共源共栅级联结构,通过负反馈实现了超宽带内的增益平坦设计。在共栅晶体管的栅极增加接地电容,提高了放大器的高频输出阻抗,进而拓宽了带宽,提高了高频增益,并降低了噪声。在片测试结果表明,在5 V单电源电压下,在2~18 GHz内该低噪声放大器小信号增益约为26.5 dB,增益平坦度小于±1 dB,1 dB压缩点输出功率大于13.5 dBm,噪声系数小于1.5 dB,输入、输出回波损耗均小于-10 dB,工作电流为100 mA,芯片面积为2 mm×1 mm。该超宽带低噪声放大器可应用于雷达接收机系统中,有利于接收机带宽、噪声系数和体积等的优化。

K波段收发多功能GaAs MMIC芯片

介绍了一种基于0.15μm GaAs pHEMT功率工艺的K波段收发一体多功能芯片。该多功能芯片包含了功率放大器和低噪声放大器及收发开关。接收支路19.6-23.0GHz内增益大于23dB,增益平坦度为±0.2dB,输入输出驻波均小于1.8,噪声低于3.5dB;发射支路21-23GHz内输出驻波小于2.2,输入驻波小于2,增益大于25.6dB。在22GHz时饱和输出功率为23.3dBm,饱和电流170mA,效率达到25.2%。该多功能芯片接收/发射由单刀双掷开关控制。芯片尺寸为：4.1mm×2.75mm×0.05mm。