林 倩，陳思維，鄔海峰，胡單輝，陳依軍，胡柳林

(1.青海民族大學物理與電子信息工程學院,青海 西寧 810007；2.成都嘉納海威科技有限公司,四川 成都 610000)

隨著無線通信技術和微波集成電路工藝的進步,電子通信設備正向著小型化、輕量化和低成本等方向快速演進。與此同時,作為射頻收發(fā)機的關鍵部件的射頻驅動放大器(Radio Frequency Drive Amplifier,RFDA)也隨之產生了一系列的變革。單片微波集成電路(Mono-lithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)[1-2]相對于傳統(tǒng)的射頻電路,具有體積小、重量輕、可靠性高、便于批量生產等優(yōu)點,已經成為射頻收發(fā)前端電路的首要選擇[3]。同時,隨著半導體工藝的快速發(fā)展,砷化鎵贗匹配型高電子遷移率晶體管(GaAs Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,GaAs pHEMT)中,InGaAs 層起了非摻雜GaAs 層的作用,GaAs pHEMT 可以在更低溫度下工作,提供更大的電流密度和電子遷移率,使得工作頻率和增益有所提高[4-5]。相比Si、SiC、GaN 及其他工藝,GaAs pHEMT具有更高的電子遷移率和優(yōu)異的功率性能,其廣泛應用于MMIC DA 的設計與制造。

本文基于GaAs 工藝,設計并實現了一款S 波段高增益單片微波驅動放大器,其應用背景為5G 無線通訊系統(tǒng)中Sub-6 GHz 頻段的驅動放大器。測試結果表明,該DA 小信號增益(S21)達26 dB,輸出三階交調點(OIP3)為30.5 dBm,飽和輸出功率(Psat)為26.5 dBm,最大功率附加效率(PAE)為25%。

1 電路設計

該電路的電路原理圖如圖1 所示。為滿足25 dB 增益、90 mA 靜態(tài)電流的設計目標,電路采用了基于負反饋技術的Cascode 放大器驅動共源放大器的雙級放大結構。Cascode 電路結構可以降低結電容的米勒效應[4]對寬帶的影響,提高增益的同時又改善了頻率特性,從而可實現高增益、高速度和寬頻帶；結合電阻電容負反饋結構可以實現更好的輸入輸出匹配和反向隔離度[6-7]。驅動級Cascode 的晶體管M3、M2尺寸為6×100 μm。驅動級放大器電路的閉環(huán)增益Av1為:

圖1 GaAs MMIC DA 電路原理圖

其中Zload為前級DA 晶體管的輸出負載阻抗,gm1為驅動級晶體管的跨導。為了實現DA 的高線性度與最佳的輸出匹配電路,末級放大電路選擇了高線性度的共源放大結構[6,10]。其中末級共源放大結構由晶體管M5至M8組成,尺寸均為8×100 μm,以實現1 dB 壓縮點(P1dB)大于27 dBm 的目標,末級放大電路的閉環(huán)電壓增益為Av2為:

其中,Zload2為末級DA 晶體管的輸出負載阻抗,gm2為晶體管的跨導。其中忽略供電扼流電感L13的影響后,Zload2為:

為了減少非線性失真,降低電路的溫度敏感性[10],該驅動放大器采用了如圖1 所示的有源偏置電路,其中驅動級偏置電路主要由晶體管M1,整流電阻R2和R3和旁路電容C3組成；末級柵極偏置電路主要由晶體管M4,整流電阻R7和R8,旁路電容C9組成。這兩個偏置電路中晶體管的電壓電流會隨著輸入功率的增大而增大,從而對驅動放大器的增益壓縮和線性失真[8]進行相應的損耗補償[10-11]。

基于負反饋技術的Cascode 放大器驅動共源放大器的雙級放大結構可以顯著提升電路的增益。

2 電路測試

為了驗證DA 的實際性能,這里對加工好的芯片進行了常溫下的性能測試,包括小信號和大信號測試。電路測試夾具和加工實物如圖2 所示。

圖2 電路測試夾具和實物

DA 的S 參數測試曲線如圖3 所示。由圖可得,其小信號增益S21在2.5 GHz～4.2 GHz 頻帶范圍內為26±0.5 dB；S11在頻段內小于-7.5 dB,S22小于-6.5 dB。

圖3 S parameters 曲線

測得該DA 的輸出功率(Pout)、功率增益(Gain)及PAE(%)曲線如圖4 所示。由圖可得,頻段內電路的飽和輸出功率達26.5 dBm,Gain 在頻段內保持23±0.5 dB,最大PAE 在頻率為3 GHz 處為25%。

圖4 Pout,Gain 和PAE 曲線

DA 在不同頻點下的Pout、Gain 及PAE 隨輸入功率Pin的變化曲線如圖5 所示。由圖可得,在頻率為3.2 GHz 時,增益達最大值27.5 dB；在頻率為4 GHz 時,PAE 達最大值26.5%。

圖5 不同頻點Pout、Gain 及PAE 曲線

該DA 的三階交調(OIP3)隨頻率的變化曲線如圖6 所示。由圖可以看出,在2.5 GHz～4.2 GHz頻帶內OIP3 的值大于27.5 dBm,且最大值達30.5 dBm,表明該DA 具有良好的線性度。

圖6 OIP3 曲線

為了驗證該DA 特性指標的優(yōu)劣性,表1 給出了該DA 與其他相近頻段同工藝DA 特性指標的比較,從中可以看出本文提出的GaAs MMIC DA 具有高增益和高線性度。

表1 GaAs MMIC DA 性能比較

3 結論

本文介紹了一種基于GaAs pHEMT 工藝的S 波段高增益、高線性單片微波驅動放大器的設計、加工和實測結果。通過采用共源共柵雙級放大結構,該DA 小信號增益為26 dB,輸入回波損耗小于-7.5 dB,輸出回波損耗小于-6.5 dB,輸出三階交調點(OIP3)達30.5 dBm,功率增益(Gain)為25 dB,飽和輸出功率為26.5 dBm。該芯片實測結果可以滿足5G 無線通訊系統(tǒng)中Sub-6GHz 頻段的典型驅動功率放大的指標要求,具有廣泛的市場應用前景。