Q波段高线性高效率GaN功率放大器MMIC_邬佳晟.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202307008600半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月基金项目:重大科技成果转化专项(222802027)Q 波段高线性高效率 GaN 功率放大器 MMIC邬佳晟，蔡道民，高学邦，陈晓宇(中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄050051)摘要: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 mm2.1 mm。测试结果表明，在 3742 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。关键词:Q 波段;线性度;功率放大器;谐波调谐;预失真;单片微波集成电路(MMIC)中图分类号:TN722.75;TN43文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)07060005Q-Band GaN Power Amplifier MMIC withHigh Linearity and High EfficiencyWu Jiasheng，Cai Daomin，Gao Xuebang，Chen Xiaoyu(The 13thesearch Institute，CETC，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:Based on the deep submicronmetre GaN process，a high power，high linearity and highefficiency power amplifier monolithic microwave integrated circuit(MMIC)applied in satellite communi-cation and 5G millimeter-wave communication was developed The total gate width of the final stage tran-sistor was determined by the maximum gain and loadpull characteristics of the device A four-stage ampli-fier was adopted according to the gain requirement The gate width ratio of transistors in the first，second，third and final stage is 1 2 4 8 By adjusting the gate bais voltages of the final stage and the firstthree stages respectively，the gain of each stage of the circuit can be adjusted separately to improve thelinearity of the amplifier The output matching network included the second harmonic tuning circuit toreduce the harmonic components and improve the efficiency of the amplifier，and the linearity improve-ment was realized with the off-chip analog pre-distortion circuit The chip size of the power amplifierMMIC is 2.6 mm 2.1 mm The test results show that at 3742 GHz，the amplifier has a saturationoutput power greater than 40 dBm，a power added efficiency greater than 30%，a power gain greater than18 dB，and a third-order intermodulation distortion(IMD3)36 dBm greater than 30 dBcKeywords:Q-band;linearity;power amplifier;harmonic tuning;pre-distortion;monolithic micro-wave integrated circuit(MMIC)EEACC:1220;2570A邬佳晟等:Q 波段高线性高效率 GaN 功率放大器 MMIC=July2023Semiconductor Technology Vol48 No76010引言通信技术的发展催生了多种通信体制，包括4G/5G 通信、卫星通信和 WiFi 以及蓝牙通信等，占据了大量的频谱资源，低频段(6 GHz)已经无法满足其大容量传输、低延迟和高可靠链接等需求，新的频谱规划逐渐明朗1。毫米波频段因其具有较大的频谱带宽而受到青睐，成为卫星通信和5G 毫米波通信的热门频段，与其相关的器件和电路研究也比较多。S Q Chen 等人2 基于 0.15 m GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺，采用 Lange 电桥合成的方式，研发了一款频率为 3238 GHz 的功率放大器，在脉宽10 s、占空比10%、漏压20 V 条件下，输出功率 10 W，功率增益 22 dB，功率附加效率(PAE)30%。N Estella 等人3 基于 0.2 mGaN HEMT 工艺，采用 4 路功率合成及谐波调谐技术，研发了一款频率为 3134 GHz 的功率放大器，在漏压 24 V 和连续波条件下，输出功率 20 W，功率增益 23 dB，PAE 30%。K Nakatani 等人4 基于0.15 m GaN HEMT 工艺，研发了一款频率为26.531 GHz 的宽带功率放大器，在漏压 24 V 和连续波条件下，输出功率 15 W，PAE 20%，输出功率回退 3 dB 时，三阶交调达到 27 dBc。PBlount 等人5 采用 0.2 m GaN HEMT 工艺，研发了一款 35 GHz 的功率放大器，在漏压 24 V 和连续波条件下，输出功率 5 W，小信号增益 25 dB，PAE 38%。F Costanzo 等人6 采用 100 nm GaNHEMT 工艺，研发了一款频率为 37.5 42.5 GHz的功率放大器，在漏压 8 V、连续波条件下，输出功率 4 W，小信号增益 22 dB，PAE 30%。Q 波段(3742 GHz)的频率高，行波放大器因其输出功率大、饱和效率高而在该频段放大器中占据主导位置7，但是其固有的可靠性低和体积大等不足制约了其发展;而 GaN HEMT 因其高击穿电压、高输出功率密度、高电子饱和速率和高频率响应等特性，使 GaN 放大器的功率增益、输出功率密度和效率均有明显提升，成为该频段放大器的有力竞争者8。本文基于深亚微米 GaN 工艺，优化了外延材料结构和加工工艺，实现了高性能的有源器件，同时采用谐波调谐、非线性对消、最佳三阶交调阻抗匹配及预失真等技术提升了放大器的回退效率和线性度，实现了 Q 波段高功率、高效率和高线性GaN 功率放大器。1深亚微米 GaN工艺和器件特性放大器的工作频率受其使用晶体管的最大电流增益截止频率 fT和最大功率增益截止频率 fMAX的影响，尤其是 fMAX。通常从工程应用方面权衡，取fMAX的 1/3 或 1/4 作为放大器工作频率的上限，此时器件有良好的性能。其定义为9 fT12=v2L(1)fMAXfT2rdsri(2)式中:为电子渡越时间;v 为电子饱和速率;L为栅长;rds为漏极等效输出电阻;ri为栅极等效输入电阻。通过改进深亚微米 GaN 工艺平台关键工艺，提升晶体管的高频特性，实现毫米波单片微波集成电路(MMIC)芯片的优异性能。首先采用缓变异质结结构，提升沟道二维电子气(2DEG)密度，实现跨导的提升;其次在版图上将晶体管设计为栅极偏源极结构，优化 T 形栅制作，缩短电子渡越时间，减小 ri和栅源寄生电容 Cgs;然后优化欧姆接触工艺，实现低欧姆接触电阻，减小漏极、源极的寄生电阻;最后调整有源区的 SiN 钝化层厚度，控制生长过程中的压应力和张应力，实现零应力SiN 介质生长。图 1 是 GaN HEMT 结构示意图，图2 是该晶体管的频率特性曲线，图中 Gu为最大单向功率增益，Vds为漏源电压，Vgs为栅源电压。从图中可以看到晶体管的 fMAX大于 170 GHz，为后续 Q波段功率放大器的设计奠定基础。源栅S i N漏G a NA l G a NA l Ni-G a N2 D E G缓冲层S i C 衬底图 1GaN HEMT 结构示意图Fig.1Structure schematic diagram of the GaN HEMT邬佳晟等:Q 波段高线性高效率 GaN 功率放大器 MMIC=602半导体技术第 48 卷第 7 期2023 年 7 月3 5.03 2.53 0.02 7.52 5.02 2.52 0.01 7.51 5.01 2.51 0.07.55.02.511 01 0 01 0 0 0F r e q u e n c y/G H zGu/d BfM A X0.1Vd s=2 0 V,Vg s=1.6 V图 2GaN HEMT 的频率特性曲线Fig.2Frequency characteristic curve of the GaN HEMT单胞晶体管栅宽为850 m。对改进前后晶体管的最大增益进行仿真对比，结果如图 3 所示，晶体管的最大增益相对改进前提升了 2 dB 左右，42 GHz时增益为 10 dB。图 4 是末级单胞晶体管的负载牵引曲线，输出功率约为 34 dBm，PAE 约为47%。根据功率密度和晶体管的最大增益，选择放大器末级晶体管共计 8 胞，总栅宽为 8850 m，输出功率大于 43 dBm。4 54 03 53 02 52 01 51 0505 1 0 1 52 53 54 52 03 04 05 0最大增益/d BF r e q u e n c y/G H z改进前器件改进后器件1 0 d B 4 2 G H z图 3单胞晶体管的最大增益仿真曲线Fig.3Simulated maximum gain curves of the single cell transistor图 4末级单胞晶体管的负载牵引曲线Fig.4Loadpull curve of the single cell transistor in thefinal stage2功率放大器设计和制备Q 波段功率放大器的设计难点主要体现在 3 个方面:频率高、增益低;损耗大、效率低;线性度差。针对以上难点开展设计工作。由于单级晶体管增益低，因此放大器采用 4 级放大，前级、次前级、末前级和末级的栅宽比为1 2 4 8。按照最大增益累计相加，可提供约40 dB增益，为后续输出匹配、末前级级间匹配、次前级级间匹配、输入匹配损耗以及增益均衡提供了足够的增益裕量。图 5 是功率放大器的整体电路图。Vg 2,Vg 3VdVdVd