楊實(shí) 方家興

（南通至晟微電子技術(shù)有限公司 江蘇省南通市 226000）

1 介紹

目前，一些用于5G 通信的單片微波集成電路（MMIC）已經(jīng)在Ka 波段得到了實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镵a 波段的頻率具有短波長(zhǎng)、千兆位數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。極高的工作頻率對(duì)系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)提出了重大挑戰(zhàn)。與低頻情況類(lèi)似，最關(guān)鍵的電路元件之一是功率放大器（PA）。在毫米波時(shí)，功率損耗、對(duì)元件公差的敏感度以及晶體管技術(shù)的物理局限性使得功率放大器的設(shè)計(jì)比低頻更具挑戰(zhàn)性。另外，毫米波5G 終端有低功耗、低噪聲、高線(xiàn)性度和低成本的要求，因此GaAs E-pHEMT 成為毫米波5G 終端合適的工藝選擇之一[1]-[6]。

毫米波封裝后的產(chǎn)品電特性與封裝前的MMIC 相比有很大變化，需盡量減小封裝的寄生效應(yīng)，并在設(shè)計(jì)時(shí)將封裝引起的寄生考慮進(jìn)去。之前已經(jīng)一些研究小組報(bào)告了在高達(dá)Ka 波段的頻率下工作的封裝MMIC，基于QFN 或陶瓷封裝[7]-[10]。QFN 塑封對(duì)毫米波PA 的性能影響很大，而陶瓷封裝成本過(guò)高。本文采用多層基板嵌銅工藝再進(jìn)行塑封，在保證產(chǎn)品毫米波性能的同時(shí)控制封裝成本。

2 放大器電路設(shè)計(jì)

圖1顯示了我們?cè)O(shè)計(jì)的中功率放大器的原理圖。為了獲得高增益，放大器采用三級(jí)級(jí)聯(lián)，以獲得超過(guò)18 dB 的增益。第一級(jí)管子尺寸為4×25um（Q1），第二級(jí)管子尺寸為4×50um（Q2），第三級(jí)管子尺寸為8×50um（Q3），以實(shí)現(xiàn)P-1 大于18dBm，PAE-1 大于25%。

2.1 0.15um 增強(qiáng)型pHEMT工藝

增強(qiáng)型pHEMT 提供與傳統(tǒng)耗盡型pHEMT 相比，有單電源供電、直流功耗低、高線(xiàn)性度，噪聲系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)[11]。0.15μm 增強(qiáng)型pHEMT 器件的截至頻率fT約為85GHz，最大震蕩頻率fmax約為155GHz，最大跨導(dǎo)Gm 約為1000ms/mm，標(biāo)稱(chēng)漏極電壓Vdd 為4V[12]。采用Ti/Pt/Au T 型柵實(shí)現(xiàn)低輸入電阻和高可靠性。6 英寸圓片背金MMIC 工藝，配備了無(wú)源元件，包括薄膜金屬電阻、體電阻、MIM 電容器、STACK 電容、背面通孔和兩層傳輸線(xiàn)金屬層。綜合上述特性，可以選擇增強(qiáng)型pHEMT 工藝作為設(shè)計(jì)手機(jī)終端用中功率放大器的工藝[13]。

2.2 放大器設(shè)計(jì)

由于末級(jí)主要決定放大器的功率和效率等特性，因此輸出級(jí)的設(shè)計(jì)變得非常關(guān)鍵。為了達(dá)到Ka 波段的目標(biāo)輸出功率和效率，選擇了8×50μm 器件作為輸出級(jí)。在漏極偏壓為3.5V，直流電流為15mA 的條件下，對(duì)器件進(jìn)行了諧波負(fù)載牽引仿真，得到了輸出功率和PAE 最高的最佳阻抗。圖2（a）和（b）示出了基頻為26GHz時(shí)的功率和PAE 等值線(xiàn)。根據(jù)可獲得24.0dBm 的最大輸出功率和40%的最大PAE 的阻抗，選取最優(yōu)阻抗Zopt=14.4+j13.7（Ω）。

圖1：中功率放大器原理圖

圖2：負(fù)載牽引等勢(shì)圓，管子尺寸8×50um，頻率26GHz

圖3：放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

圖4：阻抗轉(zhuǎn)換圖

眾所周知，設(shè)計(jì)功率放大器最實(shí)用的方法是從輸出級(jí)開(kāi)始，然后反向工作[14]。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將50Ω 的實(shí)際負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換為最佳電阻，從而為負(fù)載提供最佳電阻。由于該功率放大器的最佳負(fù)載電阻小于50Ω，因此必須使用阻抗變換網(wǎng)絡(luò)將功率放大器阻抗轉(zhuǎn)換為最佳電阻。圖3所示為將50Ω 負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換為期望的14.4+j13.7（Ω）的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，以獲得最大輸出功率。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包含5 個(gè)元器件：C1、C2、TL1、TL2 和TL3。圖4顯示了這5 個(gè)元器件將50Ω 負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)換為期望阻抗的過(guò)程，其中TL2 在參與匹配的同時(shí)起到第三級(jí)管子Q3 漏極加電的作用。同理，選取合適的元器件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，完成中間級(jí)的匹配。對(duì)于第一級(jí)的輸入匹配，在柵級(jí)增加了RC 網(wǎng)絡(luò)，來(lái)保證穩(wěn)定性。

圖5：多層基板3D 電磁場(chǎng)模型

圖6：中功率放大器多層基板封裝照片

圖7：中功率放大器EVB 照片

圖8：輸出P-1、PAE-1 vs.頻率Vds=3.5V，Idq=26mA，參考端面為DUT

圖9：輸出功率、PAE、增益vs.信號(hào)源輸出功率，Vds=3.5V，Idq=26mA，參考面為DUT

圖10：S 參數(shù)測(cè)試結(jié)果，Vds=3.5V，Idq=26mA，參考面為DUT

2.3 封裝和3D電磁場(chǎng)仿真

本文采用多層基板嵌銅工藝再進(jìn)行塑封，在保證產(chǎn)品毫米波性能的同時(shí)控制封裝成本。封裝采用的基板為4 層，內(nèi)部包含放大器芯片和100pF 的對(duì)地芯片電容，實(shí)現(xiàn)電源濾波功能，盡量靠近芯片的柵極和漏極，芯片的壓點(diǎn)通過(guò)鍵合線(xiàn)、基板的2、3 層和過(guò)孔與封裝引腳互連。芯片底部為整體嵌銅工藝以保證良好的接地特性，受嵌銅工藝面積比例的限制，嵌入銅塊尺寸不能過(guò)大，否則容易造成基板翹曲，芯片電容的接地采用了傳統(tǒng)的通孔接地。

封裝的準(zhǔn)確電學(xué)特性對(duì)封裝放大器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了提取多層基板和塑封的寄生現(xiàn)象，利用ADS 的3D FEM 三維電磁仿真器對(duì)多層封裝的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，包括引線(xiàn)和塑封料，仿真設(shè)置如圖5所示。將這些寄生參數(shù)與放大器共同設(shè)計(jì)，以確保在毫米波頻段進(jìn)行阻抗匹配。圖6所示為所提出的多層基板封裝放大器的照片。

3 測(cè)試結(jié)果

將多層基板封裝好的放大器連接到EVB 上，以便于測(cè)量評(píng)估。該封裝產(chǎn)品的EVB 采用Rogers RO4350B 制作，其中第1 層為射頻走線(xiàn)、第2 層為射頻地，1、2 層厚度為10mil，第3 層直流走線(xiàn)，第4 層為整體的地，射頻輸入輸出微帶線(xiàn)采用CPWG 結(jié)構(gòu)，接頭采用Gwave 的50GHz 接頭，整體評(píng)估板如圖7所示。EVB 上采用低成本多層電容器（1nF 和10μF）進(jìn)行直流去耦。

三級(jí)放大器的漏極和柵極在EVB 上分別通過(guò)0Ohm 連接在一起，這樣只需要一個(gè)正壓的漏極電源和一個(gè)正壓柵極電源。該放大器需要Vds=3.5V，Idq=26mA。本文報(bào)道的所有功率測(cè)量都是在連續(xù)波條件下進(jìn)行的。采用Keysight N5183A 信號(hào)源和Keysight N1912A 功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，輸出功率和附加效率特性曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。測(cè)試結(jié)果顯示在25Gz～27GH，P-1 大于18dBm，PAE-1大于25%。

小信號(hào)S 參數(shù)測(cè)量使用Keysight N5244A 矢網(wǎng)，其結(jié)果如圖10所示。25GHz～27GHz 小信號(hào)增益大于18dB，輸入回波損耗小于-5dB，輸出回波損耗小于-10dB。

4 結(jié)論

本文報(bào)道了一款應(yīng)用于5G 毫米波終端的低功耗中功率放大器。這個(gè)封裝尺寸是4.0mm×3.5mm，成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了封裝級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)，以恢復(fù)芯片級(jí)性能。封裝后的放大器，在25GHz～27GHz 頻率范圍內(nèi)，小信號(hào)增益（Gain）大于18 dB，輸出功率1dB 壓縮點(diǎn)（P-1）大于18 dBm，1dB 壓縮點(diǎn)的效率（PAE-1）大于25%，直流功耗45.5mW，很適合5G 毫米波手機(jī)終端的應(yīng)用。