6～27_GHz_GaAs宽带功率放大器MMIC_冯晓冬.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs20230100954半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月627 GHz GaAs 宽带功率放大器 MMIC冯晓冬，何美林，柳林，冯彬，刘亚男(河北雄安太芯电子科技有限公司，石家庄050051)摘要:基于 90 nm GaAs 赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺研制了一款 627 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。关键词:GaAs;单片微波集成电路(MMIC);宽带;功率放大器;预匹配中图分类号:TN43;TN722.16文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01005405627 GHz GaAs Broadband Power Amplifier MMICFeng Xiaodong，He Meilin，Liu Lin，Feng Bin，Liu Yanan(Hebei Xiongan Taixin Electronics Technology Co，Ltd，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:Based on 90 nm GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT)tech-nology，a 627 GHz broadband power amplifier monolithic microwave integrated circuit(MMIC)wasdeveloped The pre-matching circuit was used to reduce the gain of the low frequency band，so that thedesign of the wide band circuit was simplified to a narrowband circuit design Using the filter matchingnetwork，the gate equivalent capacitance and the drain equivalent capacitance of the GaAs PHEMT wereadded into the matching circuit，reducing the size of the broadband power amplifier MMIC The resultsof on-chip test show that the gain of the amplifier MMIC is more than 23 dB，the saturation output poweris above 20.9 dBm，and the gain flatness is about 0.8 dB in the frequency range of 627 GHz Theamplifer MMIC operates at 4 V with 125 mA current The chip size is 1.69 mm 0.96 mm This broad-band amplifier MMIC is beneficial to reducing the complexity and cost of the broadband systemKeywords:GaAs;monolithicmicrowaveintegratedcircuit(MMIC);broadband;poweramplifier;pre-matchingEEACC:2570A;12200引言雷达系统、微波测试测量系统等综合一体化系统通常工作在宽带模式下，因此对系统应用的功率放大器的带宽、功率、效率等性能提出了严格的要求。626.5 GHz 是宽带微波系统非常重要的频段，由于带宽宽，设备系统一般由 6 18 GHz 和 18 26.5 GHz两个频段的系统拼接而成。功率放大器单片微波集成电路(MMIC)是该宽带微波系统的核心器件。国内外对这两个频段的功率放大器 MMIC研究较多，采用工艺包括 GaAs 工艺12、GaN 工艺35、CMOS 工艺6 等。近年来，6 18 GHz 和1826.5 GHz 功率放大器 MMIC 发展迅速，但是覆盖 626.5 GHz 的宽带频段应用通常需要两个频段冯晓冬等:627 GHz GaAs 宽带功率放大器 MMIC=January2023Semiconductor Technology Vol48 No155的芯片才能实现。为了降低宽带系统的复杂度和成本，设计能同时覆盖这两个频段的放大器变得愈加重要。本文基于 GaAs 赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)工艺，采用预匹配电路和滤波器匹配网络，研制了一款尺寸紧凑的 627 GHz GaAs 宽带功率放大器 MMIC，同时覆盖 C、X、Ku 和 K 典型频段。测试结果表明，该宽带功率放大器 MMIC 在 627 GHz 频带内增益大于 23 dB，增益平坦度良好，对实现更宽频带的系统具有重要意义。1GaAs 宽带功率放大器 MMIC设计1.1工艺平台MMIC 的半导体基片的材料特性决定了芯片电路的性能上限，在 MMIC 设计中，首先要根据工作频带、带内性能指标，甚至带外性能等指标需求选择合适的衬底材料及工艺平台。本文功率放大器采用了中国电子科技集团公司第十三研究所的 90 nm栅长 GaAs PHEMT MMIC 工艺平台。该工艺平台采用 90 nm 电子束曝光工艺，主要用于0100 GHz低噪声放大器、中小功率放大器、开关等 MMIC 的开发。主要采用 90 nm PHEMT 作为有源器件;采用NiCr 电 阻、GaAs 电 阻、金 属绝 缘 体金 属(MIM)电容、螺旋电感等作为无源元件;有桥面层、带线层、栅层三层金属;MMIC 采用空气桥互连;采用背面通孔的方式接地;表面覆盖有 SiN 保护层;GaAs 衬底厚度为70 m，薄膜电阻为50/，工作电压范围为 15 V。采用该工艺器件的横截面示意图如图 1 所示。图 1GaAs 放大器 MMIC 截面图Fig.1Section view of the GaAs amplifier MMIC根据放大器芯片输出功率大于 20 dBm 的指标要求，参考该工艺平台宽带功率密度约 2.5 W/mm的工艺水平，保留一定的设计裕量，本文放大器MMIC 末级采用了总栅宽为 450 m 的晶体管放大器，采用 6 指结构，单指栅宽为 75 m。根据线性增益大于 20 dB 的指标要求，采用了三级放大结构，次末级和前级的晶体管总栅宽比分别为1 2.8和 1 3.2。1.2预匹配电路由于 6 27 GHz 频带较宽，相对带宽达到约160%，整个频带内 GaAs 晶体管的最大可用增益(Gmax)相差较大，尤其是频带内低频段和高频段之间，直接进行宽带电路匹配相对复杂。为降低设计复杂度，将晶体管的栅偏置替换为预匹配电路，使等效的 GaAs 晶体管频带内低频段 Gmax减小，设计宽带电路的复杂度大大降低。预匹配电路如图 2 所示，图中 VG为栅偏置电压;L、C 和 分别为电感、接地电容和电阻。通过调节 L、C 和 的值，可以大大降低等效的晶体管频带内低频段的 Gmax。预匹配 LC网络不可避免地牺牲了一些高频段的增益。因此在预匹配过程中，需要通过优化选择合适的、L、C 值，在降低带内低频增益的同时减小高频增益的损失。图 2预匹配电路示意图Fig.2Schematic diagram of the pre-matched circuit图 3 和图 4 分别为加入预匹配电路后 PHEMT的 Gmax和稳定性(Mu 值)仿真。由图 3 和图 4 可见，加入预匹配电路后 PHEMT 的 Gmax变得相对平坦，频 带 内 电 路 稳 定 性 大 大 提 高。可 以 采 用PHEMT 在带内单一频点的源阻抗和负载阻抗进行输入、输出网络匹配和级间网络匹配。图 3加入预匹配电路前后 PHEMT 的 GmaxFig.3Gmaxof the PHEMT with and without pre-matched circuit冯晓冬等:627 GHz GaAs 宽带功率放大器 MMIC=56半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月图 4加入预匹配电路前后 PHEMT 的 Mu 值Fig.4Mu values of the PHEMT with and without pre-matched circuit1.3滤波器匹配网络设计匹配网络时，首先设计末级输出匹配网络，该匹配电路性能的优劣直接决定了放大器输出功率的高低和工作频带的宽窄;然后设计晶体管级间匹配网络;最后设计输入级匹配网络。其中输出匹配、级间匹配和输入匹配均采用了滤波器匹配网络。利用 Load-Pull 和 Source-Pull 获得加入预匹配网络后的 GaAs PHEMT 负载阻抗 ZL和源阻抗 ZS。在 PHEMT 器件输入端，电抗通常表现为栅极等效电容 Cs，而在器件输出端表现为漏极等效电容 Cd。将 ZL和 ZS等效为 C 并联电路和 C 串联电路。将等效的电容 Cs和 Cd加入图 5 所示的滤波器匹配网络中，可大大减小匹配网络的尺寸，仅用 24 阶滤波器匹配网络就可实现良好匹配。图 54 阶带通滤波器示意图Fig.5Schematic diagram of fourth-order bandpass filter滤波器匹配网络计算方法如下78。先由实阻抗比 Zratio计算得到中间物理量 KN的值，即Zratio=2/1(1)Zratio=1+1 KN1 1 KN 1(N=1，3，5，)(2)Zratio=1+2+1+2 KN1+21+2 KN1(N=2，4，6，)(3)式(2)和(3)中指数的正负号取决于 2和 1的大小，正号对应 2 1，负号对应 2 1;N 为滤波器的阶数;为滤波器通带内波纹因子。再由 KN的值计算滤波器归一化元件参量 gi，(i=1，2，N)，计算公式为m=m2N(4)a=1Nsinh11()(5)a=1Nsinh11 KN()(6)u=sinh a(7)v=sinh a(8)fmu，v()=u2+v2+sin22m 2uvcos 2m(9)g1=2sin2NZratio(sinh a sinh a)(10)g2m1g2m=4sin 4m3sin 4m1f2m1(sinh a，sinh a)(11)g2m+1g2m=4sin 4m1sin 4m+1f2m(sinh a，sinh a)(12)式中:m为关于 N 的参量;m=1，2，N/2;a、a、u 和 v 为关于 和 N 的参量;fm(u，v)为关于 u 和 v 的参量。由归一化元件值 gi计算得到相应的集总参数电感和电容值9。最后将滤波器匹配网络中的集总参数电感替换成微带线或者螺线电感，集总参数电容替换成MIM 电容，微调微带线、螺线电感和 MIM 电容的值，进一步提高宽带功率放大器的性能。其中集总参数电感替换成螺线微带的近似计算公式为10 L=0.039 37b2n28a+11cKg(13)b=Do+Di2(14)c=Do Di2(15)Kg=0.57 0.145lnWh(Wh 0.05)(16)式中:n 为螺线圈数;Di和 Do分