X波段GaN收发前端芯片设计

刘福海，鲁丽丽，陈南庭

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄，050051）

X波段GaN收发前端芯片设计

刘福海，鲁丽丽，陈南庭

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄，050051）

本文设计了一款基于0.25 um 氮化镓PHEMT工艺的8.5-10.5GHz MMIC收发前端芯片，该收发前端由一个功率放大器和一个单刀双掷开关组成。经仿真优化后，在工艺线上进行了流片，并载片测试了其性能参数。测试结果显示，发射路的功率放大器饱和输出功率大于33dBm，功率附加效率39%。接收路开关插入损耗0.6dB，开关隔离度大于37dB。

前端芯片；测试

0 引言

相控阵雷达因其优点成为新一代武器装备的必要装备，T/R组件成本及体积却成为相控阵雷达技术推广应用的制约因素。本文采用高耐受功率开关代替传统环形器，通过开关与功率放大器单片集成的方式，代替T/R前端传统的环形器与功率放大器分立装配模式，极大的减小了T/R组件体积及成本。

收发前端芯片中功率放大器的一般要求是：足够高的输出功率和功率附加效率，以及可靠的稳定性。其设计难点在于输出端的功率输出。功率管在大信号的驱动下，进入非线性工作区，输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配，此时功率管就无法得到最大的功率输出，这时可以利用负载牵引原理找出最大输出功率时的最佳负载阻抗[1]，进而设计出相应的输出匹配网络。

收发前端芯片中开关设计的难点在于获得很高隔离度的同时，具备很低的插入损耗。设计困难的原因在于随着工作频率的上升，开关FET在关态时的电容会导致隔离特性的恶化[2]。因此在设计过程中需折中考虑。

1 X波段GaN收发前端芯片设计

1.1 收发前端芯片的设计原理

图1为本文前端多功能芯片功能框图，多功能芯片继集成了发射功率放大器和高耐受功率切换开关。该芯片可用于T/R组件中代替环形器与功率放大器，实现功率输出与接收发射切换。

图1 前端多功能芯片的功能框图

发射路功率放大器的预期指标为频率8.5-10.5GHz、饱和输出功率33dBm以及功率附加效率39%。本次设计以获得最佳附加效率为主，因此负载牵引过程中获得的是最佳效率的负载点。功率密度为5W/mm的功率管，为达到2.5W的输出功率，选用尺寸为10×55μm的功率管，通过管子单独仿真，可知其增益约为13dB，因此在负载牵引仿真中，设置输入功率为21dBm，频点为9.5GHz，漏压为28V，栅压设置为-2V,仿真结果如图2所示，可获得最佳效率时的输出阻抗为20.169+j*58.647欧姆。根据该输出阻抗，设计出相应的输出匹配电路将50欧姆系统匹配到20.169-j*58.647欧姆。在此先默认从发射路看去的开关输入阻抗为50欧姆，在级联开关后可对电路进行微调。在末级匹配设计好后再根据前级推动后级管子的原理设计出输入级和中间级。根据设计目标和管子的性能参数，总共设计为三级放大器。

图2 单个GaN器件的输出牵引负载结果图

开关电路的设计中主要考虑的是插入损耗和隔离度的大小，同时为了兼顾耐功率的考虑，采用两级器件并联方式的拓扑结构，如图3所示。其中两条微带线MLIN1和MLIN2在理论上长λ/4时，可获得较高的隔离度；不过，在宽带开关的设计中，需要顾全整个带内的性能，因此适当调整长度。第一级器件选择栅宽较长的器件，在开关电路的关态下提供较大的隔离度；第二级器件选择栅宽较短的器件，参与电路匹配，增大隔离度而又不引入较大的插损。

图3 开关电路一条支路的拓扑结构

1.2 流片与测试结果

本文设计的收发前端芯片采用0.25μm GaNpHEMT工艺进行流片验证，并进行载片装配测试，测试结果如图4和图5所示。在+28V/-2V工作电压下，图4所示可以看出发射路功放的饱和输出功率在频带内为33dBm（其输入功率为+13dBm），功率附加效率39%。图5中显示的是接收路的开关特性。可见其插入损耗为0.6dB，隔离度在频带内高于37dB。

图4 发射路功放实测曲线

图5 接收路开关实测曲线

2 结论

本文由T/R收发前端设计理论出发，采用氮化镓pHEMT工艺，使用ADS软件进行了芯片的各单元电路以及多功能电路的设计。通过流片和测试，验证了单片设计方法和思路的正确性和可行性，性能指标达到预期设计值，满足工程化应用。下一步的工作主要对发射功率及开关耐受功率进行提升，满足更高功率的应用需求。

[1]Fadhel M.Ghannouchi,Mohammad S.Hashmi.Load-Pull Techniques with Applications to Power Amplifier Design.Springer,2013.

[2]I.D.Robertson and S.Lucyszyn,et al. RFIC and MMIC Design and Technology.The institution of Engineering and Technology, London,United Kingdom.

Design of X band GaN transceiver front-end chip

Liu Fuhai,Lu Lili,Chen Nanting
(China Electronic Technology Group Corporation thirteenth Research Institute，Shijiazhuang Hebei,050051)

This paper introduces a 8.5-10.5GHz MMIC transceiver front end chip based on 0.25 um gallium PHEMT process, which consists of a power amplifier and a single pole double throw switch.The optimized chip is verified by simulation and tapeout on the process line,the performance parameters are tested Test results show that the power amplifier saturation output power is greater than 33dBm, power additional efficiency 39%. SPDT switch achieve low input loss 0.6dB, switch isolation greater than 37dB.

front end chip; test

刘福海（1964,5,20），男，汉族，籍贯河北乐亭，硕士，工程师，研究方向：半导体材料及微波器件。