賈 潔，蔡利康

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

1 引言

超寬帶放大器是超寬帶通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展使無(wú)線通信領(lǐng)域?qū)ζ湫枨笈c日俱增。超寬帶放大器的主要實(shí)現(xiàn)方案包括雙輸入共柵共源結(jié)構(gòu)放大器、反饋式放大器、分布式放大器、有耗匹配式放大器等[1-2]。本文通過(guò)兩級(jí)分布式放大器方案，在2~18 GHz 的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較好的增益、增益平坦度、駐波等技術(shù)指標(biāo)。

GaN 材料屬于第三代寬禁帶半導(dǎo)體，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高和電流密度大是其顯著優(yōu)點(diǎn)，擊穿電壓高意味著器件可以具備更高的工作電壓，獲得更高的輸出功率[3]。氮化鎵器件的功率密度可以做到砷化鎵的10 倍，即同樣的功率，GaN 器件可以以更小的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)，而更小的器件尺寸具有更低的寄生效應(yīng)、更高的阻抗，這對(duì)于分布式放大器設(shè)計(jì)是很有益的。本文介紹的電路設(shè)計(jì)，工作電壓為25 V、功耗小于10 W，在2~18 GHz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于30 dBm、小信號(hào)增益大于20 dB、小信號(hào)增益平坦度小于3 dB、輸入輸出回波損耗小于-10 dB。國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)用GaAs 和GaN 設(shè)計(jì)的超寬帶MMIC 均有報(bào)道，其中國(guó)內(nèi)有文章報(bào)道2~20 GHz 超寬帶功放，功率(＞39.5 dBm)和效率(＞15%)[1]優(yōu)于本文介紹的電路，但是由于其是單級(jí)放大器，增益只有8dB。

2 電路分析與設(shè)計(jì)

2.1 分布式放大器原理

常用的超寬帶放大器芯片拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有行波放大器和電抗放大器兩種[2,4]。電抗匹配放大器具有輸出增益高、功率大等特點(diǎn)，但帶寬一般只有3 個(gè)倍頻程左右，行波放大器頻帶最高能有幾十個(gè)倍頻程[5]，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)要達(dá)到9 個(gè)倍頻程，所以采用分布式放大器結(jié)構(gòu)。目前國(guó)外已有采用GaN HEMT 實(shí)現(xiàn)10 個(gè)倍頻程帶寬、功率10 W 左右的放大器。1936 年，PERCIVAL 首先提出分布式放大器這一概念。1948 年，GINZTON 首次將該結(jié)構(gòu)命名為分布式放大器[6]。1969 年起，固態(tài)器件開(kāi)始應(yīng)用于分布式放大器設(shè)計(jì)。

分布式放大器由多個(gè)器件并聯(lián)構(gòu)成，輸入輸出信號(hào)在傳輸線上傳播，構(gòu)成了2 條人工傳輸線。輸入信號(hào)在串聯(lián)于FET 柵極的電感上依次傳輸，激勵(lì)各級(jí)FET，最后吸收于電阻Rin。信號(hào)被放大后，通過(guò)FET 漏極傳輸?shù)脚c漏極串聯(lián)的電感上，兩個(gè)相鄰的被放大信號(hào)的相位差為e-jwL，漏極電感L 可以補(bǔ)償各放大信號(hào)間的相位差，因此所有放大信號(hào)在輸出端可以形成同相疊加，成為最終的放大信號(hào)。

圖1 分布式放大器原理

本文報(bào)道了一款基于 0.15 μm GaN 工藝的2~18 GHz 超寬帶功放芯片，通過(guò)兩級(jí)放大提升了總體增益，優(yōu)化了輸入端結(jié)構(gòu)，全部頻帶內(nèi)優(yōu)化了輸入駐波。

2.2 電路設(shè)計(jì)

為了在高頻段實(shí)現(xiàn)足夠的單級(jí)增益，電路選取了短指的模型管，前級(jí)采用4 μm×40 μm 單指柵寬的模型管，末級(jí)采用4 μm×60 μm 單指柵寬的模型管。由于帶寬較寬，傳統(tǒng)電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的帶內(nèi)增益平坦度，故采用分布式放大器結(jié)構(gòu)；由于單級(jí)放大器只能提供15 dB 左右的小信號(hào)增益，為了實(shí)現(xiàn)20 dB 以上的增益，采用了兩級(jí)分布式放大器結(jié)構(gòu)。整個(gè)電路選取前級(jí)總柵寬為 0.480 mm，采用 3 個(gè) 4 μm×40 μm HEMT 并聯(lián)；選取末級(jí)總柵寬為1.44 mm，采用6 個(gè)4 μm×600 μm HEMT 并聯(lián)。

4 μm×60 μm 單管工作在 2 GHz 時(shí)具有 25 dB 的增益，在18 GHz 時(shí)有15 dB 的增益，整個(gè)帶內(nèi)具有接近10 dB 的增益差（見(jiàn)圖2），為了平滑增益，電路在多處采用了有耗匹配的方式和高通濾波結(jié)構(gòu)。為了提升電路的穩(wěn)定性，同時(shí)降低低頻增益，提升管芯輸入端的阻抗，所有管芯的輸入端都串聯(lián)有50 Ω 的電阻和0.6 pF 的電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)。電路的穩(wěn)定因子曲線如圖3所示，電路在17 GHz 左右具有最低的穩(wěn)定因子，在1~22 GHz 范圍內(nèi)穩(wěn)定因子大于1.4。

圖 2 4 μm×60 μm PCM 圖形的最大增益特性

圖3 電路的穩(wěn)定因子曲線

為了改善輸入駐波，輸入端采用有耗匹配，采用特殊的結(jié)構(gòu)使得低頻段損耗大，高頻端損耗較小。

為了保證在9 個(gè)倍頻程內(nèi)的輸入駐波、平滑低頻增益，特別設(shè)計(jì)了有耗輸入端匹配結(jié)構(gòu)（圖4），在輸入級(jí)設(shè)計(jì)了RC 串聯(lián)到地，然后RC 并聯(lián)到管芯輸入端的結(jié)構(gòu)，實(shí)際測(cè)試通過(guò)改結(jié)構(gòu)，帶內(nèi)輸入回波損耗小于-10 dB，同時(shí)降低了低頻增益并使其平滑。

圖4 輸入端有耗匹配結(jié)構(gòu)

2.3 電路制作

電路在10.16 cm GaN HEMT 外延材料上制作，外延材料由MOCVD 設(shè)備在SiC 襯底上生長(zhǎng)。圖5 為0.15 μm 柵場(chǎng)板結(jié)構(gòu)GaN HEMT 的材料橫截面示意圖。外延材料由成核層（Nucleation layer）、GaN buffer（Fe 摻雜）、GaN 溝道層（GaN channel）、AlGaN 勢(shì)壘層（AlGaN barrier） 和 GaN 帽層（GaN cap） 組成,其中AlGaN 勢(shì)壘層未摻雜[7]。

圖5 GaN HEMT 器件橫截面示意圖

行波放大器采用 0.15 μm 工藝、100 mm GaN HEMT MMIC 技術(shù)制作，制作工藝主要包括：(1)歐姆接觸，蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au，在860 ℃條件下形成源和漏的歐姆接觸，接觸電阻小于0.5 Ω·mm；(2)器件隔離，采用B 離子注入形成有源區(qū)；(3)鈍化，采用SiN 保護(hù)柵和GaN 表面，優(yōu)化擊穿電壓；(4) 肖特基接觸采用WN 金屬形成肖特基勢(shì)壘，可以有效地提高器件高溫下工作的穩(wěn)定性；(5)正面采用4 μm 的金進(jìn)行電鍍，能夠有效降低高頻損耗；(6)SiC 襯底減薄至80 μm，采用背面通孔工藝實(shí)現(xiàn)接地，背面采用加厚金層保證接地良好。

2.4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的 MMIC 在 0.15 μm GaN HEMT 工藝平臺(tái)完成實(shí)物流片，芯片實(shí)物照片見(jiàn)圖6，該2~18 GHz功率放大器芯片面積為4.5 mm×3 mm。

圖6 加工后的電路照片

小信號(hào)增益的模擬和實(shí)測(cè)對(duì)比如圖7 所示。芯片在2~18 GHz 帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了20 dB 以上的小信號(hào)增益，帶內(nèi)平坦度小于±1.5 dB。電路的飽和輸出功率和效率如圖8 所示。在15dBm 的大信號(hào)注入下，實(shí)現(xiàn)了30dBm以上的輸出功率和7%以上的功率附加效率（PAE）。增益的仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果有差異，可能是工藝離散和器件模型不精確造成的，實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真的趨勢(shì)是基本一致的。

圖7 小信號(hào)增益的模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖8 電路的飽和輸出功率和效率

器件工作在大信號(hào)時(shí)，在12 GHz 左右有一個(gè)功率低點(diǎn)和效率低點(diǎn)，可能是輸出的阻抗匹配不合理造成的，但由于缺乏精確的大信號(hào)模型，無(wú)法仿真該處的大信號(hào)狀態(tài)。

實(shí)測(cè)小信號(hào)下的輸入駐波如圖9 所示。由于輸入端的特殊設(shè)計(jì)使得整個(gè)帶寬內(nèi)駐波比都小于-10 dB，電路的應(yīng)用將更加方便。本文設(shè)計(jì)的分布式放大器與其他文獻(xiàn)中相類似的電路性能比較如表1 所示，GaN HEMT 工藝較CMOS 工藝和GaAs PHEMT 工藝在輸出功率上有很大優(yōu)勢(shì)，與同樣采取0.15 μm GaN HEMT 工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的另外一種分布式放大器相比，本文設(shè)計(jì)的電路在增益方面有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖9 實(shí)測(cè)小信號(hào)下的輸入駐波

表1 本文設(shè)計(jì)的功率放大器與其他文獻(xiàn)的參數(shù)比較

3 結(jié)論

本文利用0.15 μm GaN HEMT 工藝平臺(tái)成功設(shè)計(jì)加工出2~18 GHz 分布式單片放大器，實(shí)際測(cè)試結(jié)果跟仿真結(jié)果基本相符，在增益方面有比較突出的優(yōu)勢(shì)。另外，本次設(shè)計(jì)的分布式單片放大器在帶寬、輸入駐波、功率平坦度等指標(biāo)也表現(xiàn)出良好的綜合性能。測(cè)試結(jié)果表明GaN HEMT 分布式放大結(jié)構(gòu)在超寬帶功率放大器領(lǐng)域具有較大的潛力和競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)分布式放大器效率偏低的缺點(diǎn)也是需要逐步解決的問(wèn)題。