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。

GaAs MMIC射频开关设计与研制

介绍了ＧａＡｓＭＭＩＣＲＦ开关的设计方法，在这种方法中，把ＭＥＳＦＥＴ当作一个两端口网络处理，直接提取开与关两种状态下网络（ＭＥＳＦＥＴ）的Ｓ参数，应用Ｓ参数进行开关电路的ＣＡＤ。这种设计方法更准确，更简单，容易实现。文中还给出了ＧａＡｓＭＭＩＣＲＦ开关的研制结果。

栅结漏电流对GaAs MMIC中平面肖特基二极管C-V特性的影响

构造了考虑栅结漏电流影响的平面肖特基二极管电容计算模型，并用此模型对同一结构不同漏电流的肖特基二极管作了计算分析。计算结果显示，所构造模型与实验结果符合得很好，同时揭示出栅结漏电流对Ｃ—Ｖ特性确有影响。这种影响表现为，在一定的栅压范围内，随着栅结漏电流的增大，Ｃ—Ｖ曲线明显上抬。文中还与其它未考虑栅结漏电流影响的模型作了对比。

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。

GaAs MMIC 压控带通有源滤波器的一个实现

采用负阻电路以及由作者自行构造的模型设计的集成化平面肖特基变容管，应用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２００ＭＨｚ的３ｄＢ带宽，其中心频率调频范围约６００ＭＨｚ，从１．０～１．６４ＧＨｚ，并具有足够的带外抑制比．全部偏置电路均在芯片上，芯片占用面积１．６ｍｍ×１．８ｍｍ．

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。

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.

C波段6bit GaAs MMIC数控移相器的设计

基于0.15μm GaAs PHEMT工艺,设计并制备了一款C波段GaAs微波单片集成电路(Millimeter Microwave Integrated Circuit,MMIC)6位数控移相器。在片测试结果表明:移相器在4~8 GHz频段内,插入损耗≤8 dB,移相均方根误差≤5.8°,输入、输出回波损耗≥10 dB。芯片尺寸为4.40 mm×1.60 mm×0.07 mm。

6~27 GHz GaAs宽带功率放大器MMIC

基于90 nm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺研制了一款6~27 GHz宽带功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。采用预匹配电路降低带内低频段的增益,将宽带电路设计简化为窄带电路设计。采用滤波器匹配网络,将GaAs PHEMT的栅极等效电容和漏极等效电容加入匹配电路中,缩小了宽带功率放大器MMIC的尺寸。在片测试结果表明,该放大器MMIC在6~27 GHz内,增益大于23 dB,增益平坦度约为±0.8 dB,饱和输出功率大于20.9 dBm。放大器MMIC的工作电压为4 V,电流为125 mA,芯片尺寸为1.69 mm×0.96 mm。该宽带功率放大器MMIC有利于降低宽带系统的复杂度和成本。

DC~70 GHz GaAs超宽带放大器MMIC

基于90 nm GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺研制了一款DC~70 GHz超宽带放大器单片微波集成电路(MMIC)。采用6级共源共栅结构,拓展了超宽带放大器MMIC的带宽,提高了其增益。在共源共栅PHEMT之间引入一条调谐微带线作为调谐电感,改善了超宽带放大器MMIC的增益平坦度。在片测试结果表明,该放大器MMIC在DC~70 GHz内,小信号增益大于8.3 dB,增益平坦度典型值为±1 dB,饱和输出功率大于13 dBm。在50 GHz以下噪声系数小于5 dB,在70 GHz的噪声系数为8.5 dB。该放大器MMIC的工作电压为8 V,电流为70 mA,包含射频压点与直流压点的芯片尺寸为1.39 mm×1.11 mm。

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。

GaAs毫米波双路数控衰减器MMIC

基于GaAs E/D赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,设计并实现了一款毫米波双路数控衰减器。芯片上集成了两个4位数控衰减器、一分二功分器和8位数字驱动器。重点介绍了射频电路数控衰减器和功分器的拓扑结构设计。该芯片测试结果显示在26~32 GHz频段内,芯片插入损耗小于6 dB,衰减均方根误差小于0.5 dB,衰减附加相移小于±5°,输入输出电压驻波比小于1.6:1,工作电流小于6 mA。芯片尺寸仅为2.00 mm×2.00 mm×0.07 mm。

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。

V波段2W高效率GaN功率放大器MMIC的研制

由于氮化镓(GaN)具有高功率密度特性,因此GaN功率放大器在毫米波领域得到快速发展,其性能不断提升。基于此,采用0.13μm GaN工艺,研制了一款V波段高效率的GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC),对0.13μm GaN工艺和器件进行阐述。对功率放大器设计和制作进行研究,包括功率放大器的架构、电路实现以及功率合成和版图实现,并对功率放大器进行测试和结果分析,包括小信号特性和大信号特性。该功率放大器在40 GHz~75 GHz频段内,其饱和输出功率大于2 W,附加效率大于15%,功率增益大于18 dB,可广泛应用于毫米波雷达和通信领域。

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。

E波段GaAs PHEMT工艺有源六倍频器MMIC

基于GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺设计了一款输出频率在E波段的有源六倍频器微波单片集成电路(MMIC)。片上集成六倍频器及输出驱动放大器,采用PHEMT管进行倍频,具有较高输出功率及较小的芯片尺寸。在片探针测试结果显示该倍频器芯片在输入功率5dBm时,输出66~88GHz频率范围内,输出功率大于13dBm,谐波抑制20dBc,功耗600 mW,芯片尺寸为3.0 mm×1.4 mm×0.07 mm。

GaAs MMIC用无源元件的模型

制作了不同结构参数的GaAsMMIC无源元件,包括矩形螺旋电感、MIM电容和薄膜电阻,建立了无源元件的等效电路模型库,采用多项式公式表征无源元件的模型参数和性能参数,便于电路设计的应用.并提取得到MIM电容的单位面积电容值,约为195pF/mm2,NiCr薄膜电阻的方块电阻约为16·1Ω/□.分析结构参数对螺旋电感性能的影响可知,减小线圈面积相关的寄生损耗有助于获得高品质的电感.

一种InGaP/GaAs HBT高速预分频器MMIC

采用Foundry提供的InGaP/GaAs HBT工艺设计了一种数字静态除2高速预分频器MMIC.流片测试结果与仿真结果基本吻合,最高工作频率高于仿真结果.设计过程在速度和功耗之间进行了折中,并且考虑了自谐振频率对电路的影响.测试结果显示:在5V电源电压下,该预分频器静态电流为60mA,最高工作频率达到15GHz,自谐振频率为19.79GHz.该MMIC可以直接应用到S-X波段射频微波系统中.

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。