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。

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。

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。

X波段平衡式限幅低噪声放大器MMIC

为满足接收机的小型化需求,基于GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺设计了一款用于8~12 GHz的平衡式限幅低噪声放大器(LNA)单片微波集成电路(MMIC)。将Lange电桥、限幅器、LNA集成在同一衬底上,Lange电桥采用异形设计,芯片比传统尺寸降低30%以上;限幅器级间采用电感匹配结构,提升MMIC的工作带宽;LNA采用并联负反馈、源极电感负反馈以及电流复用拓扑结构,实现超低功耗和良好的稳定性。芯片采用整体最优化设计,在片测试结果表明,在工作频带内,限幅LNA MMIC芯片的增益为(25±0.2)dB(去除1 dB斜率),噪声系数小于1.6 dB,总功耗小于100 mW,耐功率大于46 dBm,该芯片尺寸为2.8 mm×2.4 mm,充分体现了集成工艺的性能和尺寸优势。

2~6GHz高性能开关滤波器组MMIC

基于0.25μm GaAs E/D赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺,设计了一款2~6 GHz开关滤波器组单片微波集成电路(MMIC)芯片。片上集成了8路带通滤波器、输入、输出单刀八掷(SP8T)开关、3-8译码器和驱动器。通过输入、输出SP8T开关进行通道选择,采用三串两并结构,提高了通道间隔离度。带通滤波器组采用多级LC谐振器实现,最小、最大相对带宽分别为18%和100%,可用于宽带及窄带滤波器设计,具有通带插入损耗小,阻带抑制度高等优点。末级级联低通滤波器,实现远端寄生通带抑制大于35 dBc。在片探针测试结果显示,该开关滤波器组芯片在2~6 GHz频率范围内,每个带通滤波器的插入损耗均小于8.5 dB,阻带衰减为40 dB。该芯片具有通道多、功能复杂、集成度高的特点,可应用于宽带雷达系统进行频率预选。

2~18GHz超宽带GaN分布式功率放大器MMIC

介绍了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的2~18 GHz超宽带功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。采用两级非均匀分布式拓扑结构,通过调整各级管芯输出阻抗和微带线阻抗实现超宽带的功率匹配。在管芯前端增加电阻、电容并联结构,提升各级电路稳定性并提高截止频率。为改善整体电路布局,在前级和末级放大器之间加入50Ω微带线,既可便于单侧加电,又使芯片尺寸更加合理。测试结果表明,功率放大器MMIC在2~18 GHz频带内,连续波饱和输出功率达到10 W,功率增益大于15 dB,功率附加效率大于20%。GaN非均匀分布式功率放大器MMIC在超宽带、高功率等方面具有广阔的应用前景。

Q波段高线性高效率GaN功率放大器MMIC

针对卫星通信和5G毫米波通信应用,基于深亚微米GaN工艺,开发了一款高功率、高线性和高效率的功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。根据器件的最大增益和负载牵引特性确定末级晶体管的总栅宽;根据增益要求采用4级放大器级联,前级、次前级、末前级和末级的栅宽比为1∶2∶4∶8;通过对末级和前三级栅极偏置电压分别加电,实现对各级电路增益分别调节,以提高放大器的线性度;输出匹配网络中包含了二次谐波调谐电路,以降低谐波分量,提高放大器的效率,并结合片外模拟预失真电路实现线性度提升。功率放大器MMIC芯片尺寸为2.6 mm×2.1 mm。测试结果表明,在37~42 GHz,放大器的饱和输出功率大于40 dBm,功率附加效率大于30%,功率增益大于18 dB,三阶交调失真(IMD3)@36 dBm小于-30 dBc。

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。

用于毫米波相控阵的U波段10W GaN功率放大器MMIC

基于0.15μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款U波段10 W功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。该功率放大器MMIC使用的GaN HEMT漏源击穿电压高达90 V,在28 V的漏源电压下,器件功率密度达到5 W/mm。电路级间引入增益补偿网络(GCN),并与偏置网络结合,提高电路稳定性的同时可降低插入损耗;输出级匹配电路使用威尔金森功率合成器及簇丛式结构实现8路功率合成,同时保证阻抗匹配效果及漏极供电能力,提高放大器的输出功率与效率。测试结果表明,在40~50 GHz工作频带内,在栅极工作电压为-1.4 V,漏极工作电压28 V的工作条件下,该功率放大器MMIC饱和输出功率大于40 dBm,功率增益大于15 dB,输入电压驻波比(VSWR)小于2,功率附加效率(PAE)大于20%。

Ka波段40W功率放大器MMIC的设计和实现

采用0.15μm栅长GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款Ka波段大功率、高效率功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。电路采用三级放大结构,在输入、输出端采用Lange耦合器进行功率分配和合成,输入匹配网络加入RC稳定结构以提升电路稳定性,末级器件采用改进型电抗式Bus-bar总线合成匹配网络,在保证各路平衡性的同时,调整器件电压和电流波形,提高电路的输出功率和功率附加效率。测试结果表明,在34~36 GHz频带内,放大器MMIC的饱和输出功率达到40 W,功率增益达到18 dB,功率附加效率达到30%。该功率放大器可有效改善毫米波发射系统的信号传输距离和作用精度。

X波段双模功率MMIC设计

基于有源负载调制的多阻抗匹配技术,采用0.25μm GaN HEMT工艺,研制了一款工作在X波段双模功率放大器芯片,使功率放大器在峰值及回退10 dB两种输出功率模式下均具有较高的效率。采用对称双路三级放大拓扑设计,利用多阻抗匹配与电压切换方式实现双模工作。主功放设计兼顾高功率与低功率模式下的输出功率与效率;辅功放兼顾低功率模式下输出匹配网络呈现高阻状态与高功率模式下匹配网络实现宽带匹配两种状态。测试结果表明,在25℃环境温度、脉宽100μs、占空比10%脉冲测试下,8.5~13.0 GHz频率范围内,功率放大器的高功率模式饱和输出功率最高可达47.5 dBm,功率附加效率最高达到43%;10~12 GHz频率范围内,低功率模式输出功率可达37 dBm,功率附加效率最高达到27%。

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。

一种宽带无源双平衡倍频器MMIC的设计

基于GaAs肖特基二极管工艺,设计了一款输入频率覆盖11~21 GHz的宽带双平衡二倍频单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)芯片。通过仿真优化,设计出幅度和相位平衡性良好的超宽带宽巴伦,同时利用相位相消技术,有效抑制奇次谐波,在输出端得到所需的二次谐波信号,提高输出信号的频谱纯度。该倍频器集成了放大器,在整个工作频段内,当输入功率为0 dBm时,二次谐波输出功率均大于3 dBm,基波抑制度优于37 dB,三次谐波抑制度优于26 dB,尺寸仅为2.1 mm×0.8 mm,可以广泛用于微波收发系统的小型化设计。

基于GaN工艺的3.3~3.6 GHz Doherty功率放大器MMIC设计

基于GaN工艺设计了一款饱和输出功率为44 dBm、功率回退为9 dB的非对称Doherty功率放大器。为了提高增益,在Doherty功率放大器前方增加驱动级。通过对主放大器的输出匹配电路进行阻抗匹配优化设计,去掉λ/4阻抗变换线;辅助功放输出阻抗采用RC网络等效代替,控制输出匹配电路相位为0°,确保关断时为高阻状态;合路点的最佳阻抗直接选取50Ω,从而去掉λ/4阻抗变换线。芯片仿真结果表明,在3.3~3.6 GHz时,Doherty功率放大器的饱和输出功率达到44 dBm以上,功率增益达到25 dB以上,功率附加效率(PAE)达到50%以上;功率回退为9 dB时,PAE达到34.7%以上。Doherty功率放大器的版图尺寸为3.4 mm*3.3 mm,驱动级功率放大器的版图尺寸为1.5 mm*1.7 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。