Ka波段高功率放大器设计

廖春连，刘林海，石立志

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)



Ka波段高功率放大器设计

廖春连，刘林海，石立志

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

微波单片集成电路(Microwave Monolithic Integrated Circuit，MMIC)以其体积小型紧凑、一致性好、可靠性高、成品率高、适用于批量生产等特点，在微波通信系统中得到广泛的应用。基于GaAs赝配高电子迁移率晶体管，采用功率合成技术和阻抗匹配技术设计了一款Ka波段功率放大器，对电路进行了仿真分析，并进行流片。实测结果表明电路工作频率从36～38GHz频段范围，P1dB输出功率大于35dBm，增益大于18dB，功率附加效率为16%。

高功率放大器；单片微波集成电路； Ka波段；匹配网络

0　引言

随着人类社会发展，人们对无线通信容量提出了更高的要求，微波通信技术因其频段高、容量大在近几十年得到了飞速发展。诸如相对低频的L、S、C、X波段的利用率已趋于饱和，已经无法满足人们对无线通信发展要求。因而民用通信也逐步转向更高的频段，如Ku、K、Ka波段，甚至V波段都已经开始进入民用领域。

早期无线通信系统中一般都采用分立器件搭建构成或由混合微波集成电路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC))构成。由于混合集成电路可靠性低、一致行差、调试复杂，无法实现大规模生产，难以满足人们的需求。随着微电子工艺技术的发展成熟，砷化镓、InP材料高速晶体管的研制成功以及单晶技术的发展，使得单片微波集成电路的实现成为可能[1]。

1　砷化镓工艺

在Ka波段功率特性表现良好的工艺线是0.13μm D01PH工艺，D01PH工艺1999年投入使用，并通过欧宇航验证达标。该工艺共13层掩摸板，采用620μm厚、电阻率大于1千万欧姆厘米、直径为3 in、晶向为(100)的晶圆。在单片微波功率集成电路方面，该工艺具有许多特性：截止频率典型值为100GHz，晶体管的饱和输出功率密度达到650mW/mm，电流密度为700mA/mm，集成低电感圆锥形接地背孔，栅与栅之间的距离为13.5μm，源漏间距为2.5μm，晶体管采取两端接地的方式以有效地减小源与背板之间的寄生效应。除此之外，D01PH工艺的工艺特征如下：

① 采用双沟道不对称栅技术；

② 击穿电压大于12 V；

③ 在30GHz处最大稳定增益为15dB；

④ 在30GHz处最小噪声系数达到1dB；

⑤ 集成外延电阻、高精度NiCr电阻、MIM电容和螺旋电感；

⑥ 提供厚金属互连减小损耗；

⑦ 提供稳定可靠的空气桥；

⑧ 背孔接地减小寄生。

2　pHEMT晶体管实现

在HEMT结构中，GaAlAs与GaAs形成异质结。异质结一侧的窄带隙半导体材料(GaAs)不参杂，异质结另一侧的宽带隙半导体材料(GaAlAs)中掺入施主杂质。在异质结处掺入n型杂质的半导体材料费米能级靠近导带，不掺杂的半导体材料费米能级靠近禁带中间[2]，这样，由于异质结两侧的费米能级不同使得电子费米能级高的一侧转移到低的一侧，从而使施主杂质电离产生电子在异质结处形成二维电子气(2DEG)[3-4]，如图1所示。

图1　HEMT异质结2维电子气模型

虽然HEMT获得了性能良好的高频特性，但是由于GaAlAs/GaAs异质界面存在导带不连续性和2DEG(Two dimensional electron gas)与衬底间势垒相差不大，导致沟道对载流子的控制能力弱，因而器件电流较小。经研究发现通过在异质结中间加入赝配InGaAs层可以增加2DEG和衬底之间的势垒，从而有HEMT发展而成pHEMT，pHEMT结构如图2所示。

D01PH工艺为了得到更高的截止频率和更大饱和输出功率，一方面减小栅长提高器件速率，另一方面采用不对称结构增加漏极与栅之间的距离增大击穿电压。因此，D01PH工艺采用先进电子束刻蚀制作复杂形状的深亚微米栅极，使栅长减小至0.13μm。由于电子束的波长极短，电子束刻蚀的分辨率比光刻高；由于不需要掩摸板，电子束刻蚀对平整度、清洁度的要求不是很高。电子束刻蚀缺点是刻蚀速率慢，设备昂贵。

3　功率合成网络优化设计

本功率放大器主要指标包括：频率范围：36～38GHz；P1dB：35 dBm；增益：≥18dB；

输入回损：<-10dB；效率：≥16%。

本文提出的功率放大器结构如图3所示。为实现Ka波段高功率输出，最后一级采用功率合成网络(MNo)。因此，如何降低功率合成网络的损耗同时实现最佳阻抗或者最佳效率匹配是本文设计的难点之一。本设计要求较高的增益，采用三级功率放大器级联，每级实现6dB增益。所以级间阻抗匹配网络(MN23、MN12)和输入网络(MNi)需要实现功率与增益的折中，也是本文设计的难点[5]。

图3　三级功率放大器

整个功率放大器的合成与分配网络都需要考虑如何降级损耗，尤其在功率放大器的输出级。因为，在输出级需要把多路晶体管(通常是8路、16路)的输出功率合成最终输出功率，工作电流大，版图尺寸大，热损耗大。而且输出网络的功能除了功率合成外还需要满足带宽和阻抗变换的要求，设计复杂。因此，低损耗功率合成技术在砷化镓工艺MMIC设计过程中需要考虑损耗、隔离、负载阻抗和工艺实现的难易程度。威尔金森功分器可以在紧凑的版图上实现多路功率分配与合成，同时兼顾阻抗变换。如图4所示，本文中采用的最后一级功率合成网络。

图4　输出级合成网络网络版图

在每一级功率合成和分配网络的设计过程中，需要综合考虑3个因素：阻抗变换、带宽和损耗。以输出级为例，晶体管的尺寸比前两级大，选择晶体管的尺寸为8×65μm，即每个晶体管采用8个插指，每个65μm。阻抗变换是指需要把晶体管的最佳负载阻抗变换到输出负载阻抗50Ω。带宽为了覆盖36～38GHz，把匹配网络设计成带通滤波器结构，微带线在史密斯圆图上表现为一个顺时针旋转的员，所以通过使用微带线加并联电容的结构可以设计合适的网络平均Q值，从而拓展带宽。但引入电容会增加网络的损耗。所以并联电容值不能太大，个数也不能太多，使整个网络损耗小于1dB。

设计输出级网络的设计需要仿真动态负载线和网络的损耗。电路仿真与版图电磁场仿真会存在差别，差别的大小与版图的复杂度、电磁场耦合或干扰的强烈程度来决定。版图复杂、电磁场变化剧烈的地方往往容易发生耦合。

对版图进行电磁仿真，产生电磁场模型，调入电路图中进行联合仿真，以此判断版图的性能。图5和图6是仿真结果，图5是动态负载线的仿真结果，3组曲线分别对应36GHz、37 GHZ和38GHz；图6是输出级损耗的仿真。

图5　输出网络负载线仿真　　图6　输出网络损耗仿真

4　级间阻抗匹配网络

级间阻抗匹配网络需要在第二级的最佳负载阻抗与输出级的输入阻抗之间进行匹配。在设计级间阻抗匹配时需要考虑扩展带宽，优化带内平坦度，减小损耗使足够的功率传输至输出级，还需要使晶体管保持稳定[6]。

输出级晶体管的输入阻抗一般比较小，在36～38GHz频段内输入阻抗实部约3Ω，虚部从-0.3Ω变化至+0.3Ω。由于匹配网络工作频率高，匹配参数都是很小的数值，导致网络的匹配对版图微小的变化及其敏感。

级间匹配的另外一个难点是需要在有限的空间内实现匹配和漏极电压栅极电压的供电，特别是采用1/4波长馈电的电源线的设计。由于功率放大器的输出级采用16路晶体管合成功率，因此整个功率放大器在Y轴上的尺寸基本确定，既是16个晶体管以及它们的接地通孔并列排成的高度。所以，为缩小版图的面积就必须减小X轴的尺寸，因此级间匹配必须在尽可能小的空间内完成匹配、馈电的任务。一般来说级间匹配、输入输出匹配网络在X轴的尺寸从600～1 000μm不等。图7是设计好的两个级间匹配网络。

图7　级间匹配网络

级间阻抗匹配网络仿真方式按照输出级匹配网络进行仿真，仿真结果如图8所示，3组曲线对应的分别是36GHz、37GHz和38GHz。

图8　级间匹配负载线仿真结果

5　版图联合仿真与测试

流片之前对整体版图进行联合电磁场仿真验证是必须的。首先，在Ka波段电磁波的波长小于1 mm，而功率放大器的版图一般是几毫米乘以几毫米，所以整个版图的可能是几个电长度，整个版图的微带线、电容和电阻都是分布模式，所以版图中电流强度是随着坐标不同而不同的。其次，复杂的版图处、版图直角处、微带线的边缘，电磁场分布复杂，会产生辐射和发生耦合。最后，接触孔、接地背孔及衬底的损耗需要考虑。因此需要从电磁波的角度对版图进行验证。

通过电磁仿真可以真实版图所引起的耦合与寄生效应，如复杂的微带线、耦合线滤波器、兰格耦合器和功率合成器等，电路模型不包含端口连接线、走线突变引起的不连续问题等。电磁仿真结果的准确性依赖于对真实版图电磁波行为的把握，以及理解判断能力。衬底划分成几层、接地孔的模型、无源器件网格划分、端口定义及类型等都会影响版图的结果。设计者可以根据设计经验对比电磁仿真与电路仿真的结果来判断电磁仿真的准确性[7]。如果只是频率点、增益及输出功率有所改变，一般认为电磁仿真结果准确。

基于OMMIC D01PH工艺库的Momentum电磁仿真流程如下：

① 简化版图，去掉有源器件如晶体管和一些不会影响仿真结果准确性的电路等，因为有源器件由模型保证其仿真准确性；

② 考虑是否需要将版图划分成几个模块分别仿真，以及在哪些位置对版图进行划分，如果在电磁场变换强烈的地方划分版图，可能会导致结果出错；

③ 定义衬底，包括衬底厚度、有几层金属、几层过孔、各种绝缘层厚度、砷化镓材料损耗角正切和金属导体的导电率等参数；

④ 修复版图中氮化硅通孔的问题；

⑤ 在版图的源端和负载端增加端口并设置合适的端口阻抗；

⑥ 选择仿真频率范围、按照最高频率网格划分，网格的划分必须充分；

⑦ 进行电磁仿真，生成基于电磁仿真结果的S参数模型，以便在电路中于有源器件相结合进行联合仿真。

按照上述对电磁仿真进行配置，首先去掉电路中晶体管、二极管及隔离电阻等，并划分版图模块，设置端口划分网格等，其次还需要完成对微带线、螺旋电感、平行板电容等多种无源器件进行网格划分。仿真结果如图9、图10和图11所示。

由于功率放大器上电以及工作过程中会产生大量的热，在测试机台上没有有效的冷却机制，为了防止晶圆积累热量导致芯片损坏，采用占空比为1/20的脉冲测试，即在在2ms的时间内，只有100μs进行直流供电测试。由于晶圆的热时间常数非常短，只有5μs左右，即芯片工作5μs后晶圆的热量已经累积到了正常工作时的状态。因此，100μs的测试时间能够反映芯片在有良好散热条件下的连续波工作状态。

图9　增益仿真

图10　输入和输出散射参数仿真图

图11　饱和输出功率仿真结果

目前已经完成流片并初步测试了主要参数，具体内容如下：增益测试结果，在既定工作频段下，增益平均值超过20dB。在既定工作频段下，输出功率平均值超过35dBm，达到预期要求。PAE在既定工作频段下，平均值超过16%，在36GHz达到20%，如图12所示。

图12　Psat实测结果

6　结束语

本文设计了ka波段功率放大器，对功率合成网络、级间匹配网络进行了优化和电磁仿真验证，仿真结果表明，功率放大器主要指标满足要求，其中增益大于20dB、输入回损小于-10dB、输出功率大于35dBm。对流片后进行测试，测试结果与仿真基本一致。

[1]张志华，刘玉奎，谭开洲，等，不同基区Ge组分分布对SiGe HBT特性的影响[J].微电子学，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].张肇仪,周乐柱,吴德明,等,译.北京：电子工业出版社，2006.

[4]Andrei Grebennikov著.射频与微波功率放大器设计[M].张玉兴、赵宏飞，译.北京：电子工业出版社，2005.

[5]张书敬.SiC宽带功率放大器模块设计分析[J].无线电工程,2011,41(5):39-42.

[6]许瑞生,郝伟光.微波功率放大器失配保护电路设计分析[J].无线电工程,2011,41(8):31-34.

[7]党章.Ku频段宽带功率合成放大器设计[J].无线电工程,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:廖春连，刘林海，石立志.Ka波段高功率放大器设计[J].无线电通信技术,2016,42(5):64-67，74.

2016-06-25

廖春连(1982—)，男，工程师，主要研究方向：CMOS射频集成电路设计和GaAs高功率放大器设计。刘林海 (1971—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：射频及微波集成电路设计。

TN722

A

1003-3114(2016)05-64-4