0.1～40 GHz GaAs MMIC超宽带行波放大器的研制

崔 亮，张忠山，杨 楠

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

行波放大器因在宽带工作范围内的优异性能，被广泛用于微波通信、微波测量、雷达以及电子对抗等接收系统。通过改良传统行波放大器的增益单元，可以改善其性能，提升放大器的增益和输出功率等[1-5]。本文基于GaAs pHEMT设计了一款行波放大器，在+7 V工作电压偏置下，0.1～40 GHz带宽内的增益为19 dB，增益平坦度为±1 dB，在20 GHz处，1 dB增益压缩点输出功率24 dBm。此外，该行波放大器具有面积小、可重复性好、增益高以及输出功率高等特点，外围电路简单装配方便，具有广阔的应用前景。

1 行波放大器原理

行波放大器又被称作分布式放大器，凭借简单的电路拓扑结构在超宽带的频率范围内拥有较好的性能，广泛应用于通信系统。传统行波放大器原理如图1所示。一系列的电感分别串联在并排晶体管的栅极和漏极两边形成两条人工传输线，即栅极人工传输线和漏极人工传输线。信号从输入端的栅极人工传输线进入放大器，依次通过各个晶体管放大后进入漏极传输线进行输出。相速度相同的信号会叠加输出，多余的反向信号会被漏极传输线末端的吸收负载吸收。栅极传输线和漏极传输线结构分别如图2和图3所示。

图1 传统行波放大器原理简图

图2 栅极人工传输线

图3 漏极极人工传输线

行波放大器晶体管的栅极和漏极通过引入电感，分别与栅极和漏极的寄生电容构成一组串联的T型网络。每一小节T型网络相当于一小节传输线，串联起来的T型网络构成了行波放大器的人工传输线。同时，在栅极传输线和漏极传输线的两端分别有电阻Rg和Rd。栅极人工传输线上的电阻Rg用来吸收多余的输入信号，输入信号经过各个晶体管后，多余的信号被栅极传输线的电阻吸收。晶体管放大后的信号在漏极传输线上会有部分信号进行反向传输，这部分冗余信号会被漏极传输线的电阻吸收。通过分析行波放大器的两条人工传输线可知，它最重要的部分是重复构建T型网络，选择合适的栅极和漏极人工传输线的电容与电感。

将漏极和栅极的等效寄生电容Cds和Cgs统一用电容C表示，将参与人工传输线构建的漏极电感Ld和栅极电感Lg统一用电感L表示，Z0表示为传输线的特征阻抗，由复阻抗计算可得从左边看进去的输入阻抗：

式（1）中，令Zin=Z0，可以得到：

当w2L2C＜＜1时，由式（2）可以得到：

所以，可得到传输线的特征阻抗Z0的表达式为：

一般来说，设计行波放大器时传输线的特征阻抗通常固定为50 Ω。由已知的晶体管寄生电容可以确定需要进行匹配电感L的初值，进而进行行波放大器的仿真。

2 GaAs行波放大器设计

本文设计的GaAs行波放大器芯片的制作是基于中国电子科技集团公司第十三研究所的GaAs工艺。通过分析传统行波放大器的原理可知，传统行波放大器采用多个晶体管并联的形式，每个晶体管构成一个单元，通过优化这个单元可以得到性能更好的行波放大器。

设计的0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器拓扑如图4所示，采用cascode结构作为行波放大器的增益单元。Cascode结构具有高增益和高隔离特点，适合超宽带的设计。共源管和共栅管采用相同且尺寸合适的晶体管，小尺寸的晶体管具有较小的栅极寄生电容，寄生电容会直接影响等效传输线的截止频率进而影响带宽，最终在增益、输出功率以及带宽等指标的折中下选定管子尺寸。共源管的栅极采用外加电源提供所需要的负电压。在芯片内部共栅管的栅极电压由漏极电压分压得到，以此减少电源的使用。同时，在共栅管的栅极偏置线上的每一级增益单元间都加入旁路电容进行充分滤波，以提升低频带宽。共栅管的栅极采用电容电阻串联到地，提高射频信号交流的同时影响电路的稳定。每一级增益单元共栅管的漏极处都并联一个小电容到地，在不影响电路带宽的前提下提升高频的稳定性。此外，该行波放大器还具有检波功能。

图4 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器拓扑原理简图

电路原理图设计完成后，需要进行版图电磁仿真，以生产对应的版图。本文设计的0.1～40 GHz行波放大器带宽覆盖到了毫米波频段，很多无源器件会产生分布效应。利用ADS中的Momentum功能进行电磁场仿真，可使设计结果更接近于实测。

通常简单的电路原理图，利用ADS中Generate/Update Layout功能可直接生成版图文件，经过简单修改后开始进行电磁场仿真。对于复杂电路，这种方式生成的版图图形不能最优排布，将导致电磁耦合和图形面积过大等问题。设计的超宽带行波放大器本着低成本的设计理念，对版图排版进行充分优化，保证性能指标的同时，做到芯片面积最小。电路原理图和版图联合仿真曲线分别如图5和图6所示。

最终得到如图7所示的0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器版图，芯片尺寸为2.4×1.0 mm2。射频方向为左进右出，芯片上方为漏极偏置压点与功率检测压点，右下方为共源管的栅极偏置压点。

3 测试结果分析

在+7 V漏极电压的工作条件下，探针台裸片测试了该款行波放大器芯片在常温条件下的小信号S参数、P-1输出功率以及饱和输出功率（输出P3dB）等指标，测试结果如图8所示。

图5 增益与频率的关系曲线

图6 增益压缩点输出功率与频率的关系曲线

图7 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器版图

图8（a）在0.1～40 GHz的带宽内增益为19 dB，增益波动为±1 dB；图8（b）显示了该行波放大器工作带宽内具有良好的输入回波损耗，输入回波损耗均在-10 dB以下；图8（c）和图8（d）分别显示了该行波放大器的输出P1dB和输出P3dB时的输出功率特性。

图8 0.1～40 GHz GaAs MMIC行波放大器装配测试结果

4 结 论

本文基于GaAs pHEMT工艺设计并制作了一款0.1～40 GHz行波放大器芯片，同时集成了电压检波功能。测试结果显示，它在实现了0.1～40 GHz超宽带工作的同时，小信号和功率性能优良，达到了预期目标，满足了工程需求。