廖春連，劉林海，石立志

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

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Ka波段高功率放大器設(shè)計(jì)

廖春連，劉林海，石立志

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

微波單片集成電路(Microwave Monolithic Integrated Circuit，MMIC)以其體積小型緊湊、一致性好、可靠性高、成品率高、適用于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在微波通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用?；贕aAs贗配高電子遷移率晶體管，采用功率合成技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)設(shè)計(jì)了一款Ka波段功率放大器，對(duì)電路進(jìn)行了仿真分析，并進(jìn)行流片。實(shí)測(cè)結(jié)果表明電路工作頻率從36～38GHz頻段范圍，P1dB輸出功率大于35dBm，增益大于18dB，功率附加效率為16%。

高功率放大器；單片微波集成電路； Ka波段；匹配網(wǎng)絡(luò)

0　引言

隨著人類社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信容量提出了更高的要求，微波通信技術(shù)因其頻段高、容量大在近幾十年得到了飛速發(fā)展。諸如相對(duì)低頻的L、S、C、X波段的利用率已趨于飽和，已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)無(wú)線通信發(fā)展要求。因而民用通信也逐步轉(zhuǎn)向更高的頻段，如Ku、K、Ka波段，甚至V波段都已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入民用領(lǐng)域。

早期無(wú)線通信系統(tǒng)中一般都采用分立器件搭建構(gòu)成或由混合微波集成電路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC))構(gòu)成。由于混合集成電路可靠性低、一致行差、調(diào)試復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，難以滿足人們的需求。隨著微電子工藝技術(shù)的發(fā)展成熟，砷化鎵、InP材料高速晶體管的研制成功以及單晶技術(shù)的發(fā)展，使得單片微波集成電路的實(shí)現(xiàn)成為可能[1]。

1　砷化鎵工藝

在Ka波段功率特性表現(xiàn)良好的工藝線是0.13μm D01PH工藝，D01PH工藝1999年投入使用，并通過(guò)歐宇航驗(yàn)證達(dá)標(biāo)。該工藝共13層掩摸板，采用620μm厚、電阻率大于1千萬(wàn)歐姆厘米、直徑為3 in、晶向?yàn)?100)的晶圓。在單片微波功率集成電路方面，該工藝具有許多特性：截止頻率典型值為100GHz，晶體管的飽和輸出功率密度達(dá)到650mW/mm，電流密度為700mA/mm，集成低電感圓錐形接地背孔，柵與柵之間的距離為13.5μm，源漏間距為2.5μm，晶體管采取兩端接地的方式以有效地減小源與背板之間的寄生效應(yīng)。除此之外，D01PH工藝的工藝特征如下：

① 采用雙溝道不對(duì)稱柵技術(shù)；

② 擊穿電壓大于12 V；

③ 在30GHz處最大穩(wěn)定增益為15dB；

④ 在30GHz處最小噪聲系數(shù)達(dá)到1dB；

⑤ 集成外延電阻、高精度NiCr電阻、MIM電容和螺旋電感；

⑥ 提供厚金屬互連減小損耗；

⑦ 提供穩(wěn)定可靠的空氣橋；

⑧ 背孔接地減小寄生。

2　pHEMT晶體管實(shí)現(xiàn)

在HEMT結(jié)構(gòu)中，GaAlAs與GaAs形成異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)一側(cè)的窄帶隙半導(dǎo)體材料(GaAs)不參雜，異質(zhì)結(jié)另一側(cè)的寬帶隙半導(dǎo)體材料(GaAlAs)中摻入施主雜質(zhì)。在異質(zhì)結(jié)處摻入n型雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶，不摻雜的半導(dǎo)體材料費(fèi)米能級(jí)靠近禁帶中間[2]，這樣，由于異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的費(fèi)米能級(jí)不同使得電子費(fèi)米能級(jí)高的一側(cè)轉(zhuǎn)移到低的一側(cè)，從而使施主雜質(zhì)電離產(chǎn)生電子在異質(zhì)結(jié)處形成二維電子氣(2DEG)[3-4]，如圖1所示。

圖1　HEMT異質(zhì)結(jié)2維電子氣模型

雖然HEMT獲得了性能良好的高頻特性，但是由于GaAlAs/GaAs異質(zhì)界面存在導(dǎo)帶不連續(xù)性和2DEG(Two dimensional electron gas)與襯底間勢(shì)壘相差不大，導(dǎo)致溝道對(duì)載流子的控制能力弱，因而器件電流較小。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)在異質(zhì)結(jié)中間加入贗配InGaAs層可以增加2DEG和襯底之間的勢(shì)壘，從而有HEMT發(fā)展而成pHEMT，pHEMT結(jié)構(gòu)如圖2所示。

D01PH工藝為了得到更高的截止頻率和更大飽和輸出功率，一方面減小柵長(zhǎng)提高器件速率，另一方面采用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)增加漏極與柵之間的距離增大擊穿電壓。因此，D01PH工藝采用先進(jìn)電子束刻蝕制作復(fù)雜形狀的深亞微米柵極，使柵長(zhǎng)減小至0.13μm。由于電子束的波長(zhǎng)極短，電子束刻蝕的分辨率比光刻高；由于不需要掩摸板，電子束刻蝕對(duì)平整度、清潔度的要求不是很高。電子束刻蝕缺點(diǎn)是刻蝕速率慢，設(shè)備昂貴。

3　功率合成網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本功率放大器主要指標(biāo)包括：頻率范圍：36～38GHz；P1dB：35 dBm；增益：≥18dB；

輸入回?fù)p：<-10dB；效率：≥16%。

本文提出的功率放大器結(jié)構(gòu)如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)Ka波段高功率輸出，最后一級(jí)采用功率合成網(wǎng)絡(luò)(MNo)。因此，如何降低功率合成網(wǎng)絡(luò)的損耗同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳阻抗或者最佳效率匹配是本文設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)要求較高的增益，采用三級(jí)功率放大器級(jí)聯(lián)，每級(jí)實(shí)現(xiàn)6dB增益。所以級(jí)間阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(MN23、MN12)和輸入網(wǎng)絡(luò)(MNi)需要實(shí)現(xiàn)功率與增益的折中，也是本文設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[5]。

圖3　三級(jí)功率放大器

整個(gè)功率放大器的合成與分配網(wǎng)絡(luò)都需要考慮如何降級(jí)損耗，尤其在功率放大器的輸出級(jí)。因?yàn)?，在輸出?jí)需要把多路晶體管(通常是8路、16路)的輸出功率合成最終輸出功率，工作電流大，版圖尺寸大，熱損耗大。而且輸出網(wǎng)絡(luò)的功能除了功率合成外還需要滿足帶寬和阻抗變換的要求，設(shè)計(jì)復(fù)雜。因此，低損耗功率合成技術(shù)在砷化鎵工藝MMIC設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮損耗、隔離、負(fù)載阻抗和工藝實(shí)現(xiàn)的難易程度。威爾金森功分器可以在緊湊的版圖上實(shí)現(xiàn)多路功率分配與合成，同時(shí)兼顧阻抗變換。如圖4所示，本文中采用的最后一級(jí)功率合成網(wǎng)絡(luò)。

圖4　輸出級(jí)合成網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)版圖

在每一級(jí)功率合成和分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮3個(gè)因素：阻抗變換、帶寬和損耗。以輸出級(jí)為例，晶體管的尺寸比前兩級(jí)大，選擇晶體管的尺寸為8×65μm，即每個(gè)晶體管采用8個(gè)插指，每個(gè)65μm。阻抗變換是指需要把晶體管的最佳負(fù)載阻抗變換到輸出負(fù)載阻抗50Ω。帶寬為了覆蓋36～38GHz，把匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成帶通濾波器結(jié)構(gòu)，微帶線在史密斯圓圖上表現(xiàn)為一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的員，所以通過(guò)使用微帶線加并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)平均Q值，從而拓展帶寬。但引入電容會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的損耗。所以并聯(lián)電容值不能太大，個(gè)數(shù)也不能太多，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)損耗小于1dB。

設(shè)計(jì)輸出級(jí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要仿真動(dòng)態(tài)負(fù)載線和網(wǎng)絡(luò)的損耗。電路仿真與版圖電磁場(chǎng)仿真會(huì)存在差別，差別的大小與版圖的復(fù)雜度、電磁場(chǎng)耦合或干擾的強(qiáng)烈程度來(lái)決定。版圖復(fù)雜、電磁場(chǎng)變化劇烈的地方往往容易發(fā)生耦合。

對(duì)版圖進(jìn)行電磁仿真，產(chǎn)生電磁場(chǎng)模型，調(diào)入電路圖中進(jìn)行聯(lián)合仿真，以此判斷版圖的性能。圖5和圖6是仿真結(jié)果，圖5是動(dòng)態(tài)負(fù)載線的仿真結(jié)果，3組曲線分別對(duì)應(yīng)36GHz、37 GHZ和38GHz；圖6是輸出級(jí)損耗的仿真。

圖5　輸出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載線仿真　　圖6　輸出網(wǎng)絡(luò)損耗仿真

4　級(jí)間阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

級(jí)間阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)需要在第二級(jí)的最佳負(fù)載阻抗與輸出級(jí)的輸入阻抗之間進(jìn)行匹配。在設(shè)計(jì)級(jí)間阻抗匹配時(shí)需要考慮擴(kuò)展帶寬，優(yōu)化帶內(nèi)平坦度，減小損耗使足夠的功率傳輸至輸出級(jí)，還需要使晶體管保持穩(wěn)定[6]。

輸出級(jí)晶體管的輸入阻抗一般比較小，在36～38GHz頻段內(nèi)輸入阻抗實(shí)部約3Ω，虛部從-0.3Ω變化至+0.3Ω。由于匹配網(wǎng)絡(luò)工作頻率高，匹配參數(shù)都是很小的數(shù)值，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的匹配對(duì)版圖微小的變化及其敏感。

級(jí)間匹配的另外一個(gè)難點(diǎn)是需要在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配和漏極電壓柵極電壓的供電，特別是采用1/4波長(zhǎng)饋電的電源線的設(shè)計(jì)。由于功率放大器的輸出級(jí)采用16路晶體管合成功率，因此整個(gè)功率放大器在Y軸上的尺寸基本確定，既是16個(gè)晶體管以及它們的接地通孔并列排成的高度。所以，為縮小版圖的面積就必須減小X軸的尺寸，因此級(jí)間匹配必須在盡可能小的空間內(nèi)完成匹配、饋電的任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)級(jí)間匹配、輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在X軸的尺寸從600～1 000μm不等。圖7是設(shè)計(jì)好的兩個(gè)級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖7　級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)

級(jí)間阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)仿真方式按照輸出級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，3組曲線對(duì)應(yīng)的分別是36GHz、37GHz和38GHz。

圖8　級(jí)間匹配負(fù)載線仿真結(jié)果

5　版圖聯(lián)合仿真與測(cè)試

流片之前對(duì)整體版圖進(jìn)行聯(lián)合電磁場(chǎng)仿真驗(yàn)證是必須的。首先，在Ka波段電磁波的波長(zhǎng)小于1 mm，而功率放大器的版圖一般是幾毫米乘以幾毫米，所以整個(gè)版圖的可能是幾個(gè)電長(zhǎng)度，整個(gè)版圖的微帶線、電容和電阻都是分布模式，所以版圖中電流強(qiáng)度是隨著坐標(biāo)不同而不同的。其次，復(fù)雜的版圖處、版圖直角處、微帶線的邊緣，電磁場(chǎng)分布復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生輻射和發(fā)生耦合。最后，接觸孔、接地背孔及襯底的損耗需要考慮。因此需要從電磁波的角度對(duì)版圖進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)電磁仿真可以真實(shí)版圖所引起的耦合與寄生效應(yīng)，如復(fù)雜的微帶線、耦合線濾波器、蘭格耦合器和功率合成器等，電路模型不包含端口連接線、走線突變引起的不連續(xù)問(wèn)題等。電磁仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于對(duì)真實(shí)版圖電磁波行為的把握，以及理解判斷能力。襯底劃分成幾層、接地孔的模型、無(wú)源器件網(wǎng)格劃分、端口定義及類型等都會(huì)影響版圖的結(jié)果。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)比電磁仿真與電路仿真的結(jié)果來(lái)判斷電磁仿真的準(zhǔn)確性[7]。如果只是頻率點(diǎn)、增益及輸出功率有所改變，一般認(rèn)為電磁仿真結(jié)果準(zhǔn)確。

基于OMMIC D01PH工藝庫(kù)的Momentum電磁仿真流程如下：

① 簡(jiǎn)化版圖，去掉有源器件如晶體管和一些不會(huì)影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的電路等，因?yàn)橛性雌骷赡Ｐ捅ＷC其仿真準(zhǔn)確性；

② 考慮是否需要將版圖劃分成幾個(gè)模塊分別仿真，以及在哪些位置對(duì)版圖進(jìn)行劃分，如果在電磁場(chǎng)變換強(qiáng)烈的地方劃分版圖，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出錯(cuò)；

③ 定義襯底，包括襯底厚度、有幾層金屬、幾層過(guò)孔、各種絕緣層厚度、砷化鎵材料損耗角正切和金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電率等參數(shù)；

④ 修復(fù)版圖中氮化硅通孔的問(wèn)題；

⑤ 在版圖的源端和負(fù)載端增加端口并設(shè)置合適的端口阻抗；

⑥ 選擇仿真頻率范圍、按照最高頻率網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分必須充分；

⑦ 進(jìn)行電磁仿真，生成基于電磁仿真結(jié)果的S參數(shù)模型，以便在電路中于有源器件相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合仿真。

按照上述對(duì)電磁仿真進(jìn)行配置，首先去掉電路中晶體管、二極管及隔離電阻等，并劃分版圖模塊，設(shè)置端口劃分網(wǎng)格等，其次還需要完成對(duì)微帶線、螺旋電感、平行板電容等多種無(wú)源器件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真結(jié)果如圖9、圖10和圖11所示。

由于功率放大器上電以及工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，在測(cè)試機(jī)臺(tái)上沒(méi)有有效的冷卻機(jī)制，為了防止晶圓積累熱量導(dǎo)致芯片損壞，采用占空比為1/20的脈沖測(cè)試，即在在2ms的時(shí)間內(nèi)，只有100μs進(jìn)行直流供電測(cè)試。由于晶圓的熱時(shí)間常數(shù)非常短，只有5μs左右，即芯片工作5μs后晶圓的熱量已經(jīng)累積到了正常工作時(shí)的狀態(tài)。因此，100μs的測(cè)試時(shí)間能夠反映芯片在有良好散熱條件下的連續(xù)波工作狀態(tài)。

圖9　增益仿真

圖10　輸入和輸出散射參數(shù)仿真圖

圖11　飽和輸出功率仿真結(jié)果

目前已經(jīng)完成流片并初步測(cè)試了主要參數(shù)，具體內(nèi)容如下：增益測(cè)試結(jié)果，在既定工作頻段下，增益平均值超過(guò)20dB。在既定工作頻段下，輸出功率平均值超過(guò)35dBm，達(dá)到預(yù)期要求。PAE在既定工作頻段下，平均值超過(guò)16%，在36GHz達(dá)到20%，如圖12所示。

圖12　Psat實(shí)測(cè)結(jié)果

6　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了ka波段功率放大器，對(duì)功率合成網(wǎng)絡(luò)、級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化和電磁仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，功率放大器主要指標(biāo)滿足要求，其中增益大于20dB、輸入回?fù)p小于-10dB、輸出功率大于35dBm。對(duì)流片后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真基本一致。

[1]張志華，劉玉奎，譚開(kāi)洲，等，不同基區(qū)Ge組分分布對(duì)SiGe HBT特性的影響[J].微電子學(xué)，2013， 43(6)：859-862.

[2]KIM D H，del ALAMO J A.30nm InAs PHEMTs with =664GHz and =681GHz[J].IEEE Electron Device Letters，2010，31(8)：806-808.

[3]David M.Pozar著.微波工程(第三版)[M].張肇儀,周樂(lè)柱,吳德明,等,譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4]Andrei Grebennikov著.射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)[M].張玉興、趙宏飛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]張書(shū)敬.SiC寬帶功率放大器模塊設(shè)計(jì)分析[J].無(wú)線電工程,2011,41(5):39-42.

[6]許瑞生,郝偉光.微波功率放大器失配保護(hù)電路設(shè)計(jì)分析[J].無(wú)線電工程,2011,41(8):31-34.

[7]黨章.Ku頻段寬帶功率合成放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2015,45(8):58-61.

Design of Ka-band High Power Amplifier

LIAO Chun-lian，LIU Lin-hai，SHI Li-zhi

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

The microwave monolithic integrated circuit (MMIC) has such features as small volume，good consistency，high reliability，high finished product rate，batch production suitability，etc.So it is widely used in the microwave communication system.Based on the GaAs pseudomrphic high electron mobility transistor，a Ka band power amplifier is designed by using power synthesis and impedance matching techniques.The simulation analysis is performed for circuit，and the results show that the working frequency range is within 36～38GHz，the p1dB output power is higher than 35dBm，the gain is higher than 18dB，and the power added efficiency is 16%.

high power amplifier；MMIC；Ka band；matching network

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.16

引用格式:廖春連，劉林海，石立志.Ka波段高功率放大器設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(5):64-67，74.

2016-06-25

廖春連(1982—)，男，工程師，主要研究方向：CMOS射頻集成電路設(shè)計(jì)和GaAs高功率放大器設(shè)計(jì)。劉林海 (1971—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：射頻及微波集成電路設(shè)計(jì)。

TN722

A

1003-3114(2016)05-64-4