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        L波段5W InGaP/GaAs HBT功率放大器

        2018-05-03 08:33:42游恒果蔡道民
        電子制作 2018年7期
        關(guān)鍵詞:偏置輸出功率增益

        游恒果,蔡道民

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,河北石家莊,050051)

        0 引言

        我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐步完善,其性能與國(guó)外系統(tǒng)相媲美,導(dǎo)致各種圍繞衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用層出不窮。而地面手持終端的射頻前端模組,尤其是其包含的功率放大器,則是非常關(guān)鍵的核心器件,制約著終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

        InGaP/GaAs異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)因其材料體系和垂直結(jié)構(gòu)等多方面的特點(diǎn),具有功率密度大、線性好和閾值電壓一致性好等優(yōu)勢(shì),成為無(wú)線通信領(lǐng)域,尤其是手持終端功率放大器的寵兒[1-2],也是衛(wèi)星通信終端放大器首選。目前,該類終端放大器國(guó)外主要有SKYWORKS,QARVO和BROADCOM 等射頻巨頭[3-4],但針對(duì)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信的產(chǎn)品較少;國(guó)內(nèi)該類研究和產(chǎn)品則更少,主要有蘇州英若訊、中科微電子所[5-6]等,其性能有待提升。

        本文介紹了基于自主的GaAs HBT制程,實(shí)現(xiàn)急需的大功率、高線性和高效率的射頻功率放大器的研究工作,主要包括InGaP/GaAs HBT 器件工藝、放大器設(shè)計(jì)和制作,放大器性能測(cè)試等,該功率放大器可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信等無(wú)線終端領(lǐng)域。

        1 InGaP/GaAs HBT工藝和器件特性

        InGaP/GaAs HBT工藝沿用傳統(tǒng)的三臺(tái)面工藝,工藝主要流程主要包括有源器件制作和無(wú)源器件制作兩部分。其中有源器件制作工藝是核心工藝,包含發(fā)射極、基極和集電極三臺(tái)面形成,以及各低歐姆接觸電極制作,多重離子注入隔離和臺(tái)面之間的SiN側(cè)墻保護(hù)等;無(wú)源部分工藝則主要包括金屬薄膜電阻、MIM電容、金屬互聯(lián)線和鈍化隔離保護(hù)的SiN及覆聚酰亞胺(PI)。圖1(a)和(b)分別是發(fā)射極面積為3×12×4μm2器件的共發(fā)射極I-V特性曲線和無(wú)諧波的Laodpull曲線,直流增益約為80(Ib 電流從 10μA~100μA),補(bǔ)償電壓 Vceoあset約為 0.1V,膝點(diǎn)電壓約為0.5V (Ic 電流為30mA),集電極-發(fā)射極擊穿電壓BVCEO≥14V(電流為10μA);從圖1(b)中可知,該面積器件的PAE大于62%(沒(méi)有考慮諧波調(diào)諧),輸出功率大于20dBm,功率增益大于13dB。

        圖1

        2 放大器設(shè)計(jì)和制作

        ■2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

        針對(duì)通信應(yīng)用,擬達(dá)到目標(biāo)如表1所示。

        表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

        矢量誤差信號(hào)ACPR(%) ≤5 PI/4 QPSK,21.6kHz滾降系數(shù)0.35領(lǐng)道抑制比ACPR(dBc) ≤-25增益S21(dB) ≥37 VCC=5V,ICQ=300mA駐波VSWR ≤2

        ■2.2 電路架構(gòu)

        首先根據(jù)表1所示的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)分解,對(duì)于難點(diǎn)指標(biāo),如效率、線性和輸出功率,重點(diǎn)關(guān)注。

        首先根據(jù)單元HBT器件的最大增益MAXGAIN和設(shè)計(jì)目標(biāo)需要達(dá)到的增益,選用三級(jí)放大結(jié)構(gòu);其次確保HBT器件長(zhǎng)期、可靠工作,尤其是防止HBT器件發(fā)生熱斑效應(yīng)(熱正反饋),選擇各級(jí)合適的工作電流密度。據(jù)此,末級(jí)工作電流密度0.15mA/μm2,確保高的效率,同時(shí)選用前面所述的64個(gè)3×12×4μm2單元器件并聯(lián),不僅實(shí)現(xiàn)總輸出功率大于38dBm,而且增益大于13dB;驅(qū)動(dòng)級(jí)工作電流為0.2mA/μm2,采用8個(gè)3×12×4μm2器件并聯(lián),提供線性輸出功率27dBm,提供13-14dB增益;前級(jí)工作電流為0.25mA/μm2,采用2個(gè)3×12×4μm2器件并聯(lián),并借助RC負(fù)反饋,提升穩(wěn)定性,線性輸出功率大于17dBm并提供13-15dB增益,圖2是采用的電路示意圖。

        圖2 功率放大器電路圖

        ■2.3 電路偏置和匹配實(shí)現(xiàn)

        偏置電路是HBT類放大器的難點(diǎn)之一,采用如圖3所示的自適應(yīng)偏置電路實(shí)現(xiàn)線性提升和寬溫度域的電流補(bǔ)償。該電路具有以下特點(diǎn):其一調(diào)節(jié)RP和CP的數(shù)值大小,實(shí)現(xiàn)信號(hào)分流,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)偏置狀態(tài),提升線性;其二,通過(guò)電容CIN,實(shí)現(xiàn)良好射頻到地;其三,調(diào)整晶體管QA1和QA2尺寸,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

        匹配電路不僅實(shí)現(xiàn)阻抗變換,而且具有波形整形,確保電路在全頻帶和寬溫度領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,無(wú)自激。整個(gè)電路包括輸出匹配、二三級(jí)級(jí)間匹配、一二級(jí)級(jí)間匹配和輸入匹配。其中輸出匹配對(duì)輸出功率、效率影響最大,由于工作頻段相對(duì)低,導(dǎo)致片上電感的Q值較低,大約5~8左右,導(dǎo)致?lián)p耗大。故采用片外匹配,實(shí)現(xiàn)低損耗匹配。輸出匹配電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用LCLC兩節(jié)低通匹配,并在晶體管輸出根部通過(guò)LC諧振于二次諧波,實(shí)現(xiàn)諧波調(diào)諧,提升P_1dB下的效率提升。圖4是仿真結(jié)果,損耗大約0.6dB,阻抗大約用 1.5~2Ω。

        圖3 自適應(yīng)偏置偏置電路

        最后,借助仿真軟件,實(shí)現(xiàn)基于PCB板的外匹配和GaAs基的MMIC鏈路仿真,實(shí)現(xiàn)原理圖到版圖的轉(zhuǎn)換,圖5是完成制作的整個(gè)電路照片。

        圖4 輸出匹配損耗

        圖5 放大器芯片(1.3mm×1.7mm)

        3 放大器測(cè)試結(jié)果和分析

        ■3.1 小信號(hào)特性

        放大器偏置條件為Vcc=5 V,Icc=300mA,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和CASCADE微波探針臺(tái),結(jié)合微波探針,采用TRL傳輸校準(zhǔn)方法,測(cè)試器件的S參數(shù)。其中S21大于39,S11小于-14dB,S22小于-10dB,達(dá)到目標(biāo)要求。

        圖6 測(cè)試放大器小信號(hào)性能在VCC=5V,ICC=300mA

        ■3.2 輸出功率和效率

        放大器偏置條件為Vcc=5 V,Icc=300mA,利用信號(hào)源和功率計(jì)測(cè)試功率放大器的大信號(hào)相關(guān)特性,主要包括飽和輸出功率(Pout)、功率附加效率(PAE)和大信號(hào)增益(Gp)等技術(shù)指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明,在整個(gè)頻率范圍內(nèi),功率放大器的Pout≥38 dBm,PAE≥55%,Gp≥38 dB,圖7為輸出功率和效率隨頻率變化曲線。

        圖7 測(cè)試放大器輸出功率和功率附加效率隨頻率變化曲線在VCC=5V,ICC=300mA

        ■3.3 放大器線性特性

        放大器偏置條件為 VCC=5V,ICC=300mA,利用矢量信號(hào)源,頻譜儀測(cè)試功率放大器的線性相關(guān)特性。波頻率為1.615GHz,采用PI/4QPSK調(diào)制信號(hào),頻率間隔21.6kHz和濾波器滾降系數(shù)0.35,在調(diào)制輸出功率為36dBm下,測(cè)試其EVM指標(biāo)小于5%,第一臨道抑制比小于-27dBc。圖8(a)和(b)分別是EVM和ACPR隨輸入功率變化曲線。

        圖8

        從上述測(cè)試圖表可以得到,研制的終端放大器具有高功率、高效率和高線性特性,相關(guān)測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合度較高,滿足調(diào)制帶寬通信要求。

        表2為國(guó)外同類產(chǎn)品性能對(duì)比數(shù)據(jù),表中f為頻率,G為增益,ACPR1為輸出三階互調(diào)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比分析,本款功率放大器芯片在功率、效率和線性等核心技術(shù)指標(biāo)方面達(dá)到國(guó)際主流水平。

        表2 國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比分析

        4 結(jié)論

        采用自主InGaP/GaAs HBT技術(shù),借助GaAs MMIC和輔助PCB板外匹配架構(gòu),通過(guò)選擇合適的器件尺寸和偏置條件以及匹配,實(shí)現(xiàn)高性能的終端放大器,其POUT≥38 dBm,PAE≥ 55%,P_1≥ 37dBm,PAEP_1≥ 50%,ACPR≤-27dBm,EVM≤5%,滿足PI/4QPSK調(diào)制信號(hào)下的衛(wèi)星通信協(xié)議,該放大器可廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信等領(lǐng)域。

        * [1] Kyung Ai Lee, Dong Ho Lee, and Hyun—Min Park,Sang—Hoon Cheon, Jae—Woo Park, Hyung—Mo Yoo and Songcheol Hong, An InGaP/GaAs HBT WLAN power amplifier for power detector[C],//34th European Microwave Conference, vol.1, pp 345—347,Oct.2004.

        * [2] Tohru Oka, Masatomo Hasegawa, Koichiro Fujita,Masaharu Yamashita, Michitoshi Hirata, Hiroshi Kawamura, and Keii—chi Sakuno, Enhanced linearity and efficiency of HBT power amplifier for 5—GHz wireless—LANs [C], 2005 IEEE MTT—S Int Microwave Symp. Dig., vol. 2, pp 649—652. June, 2005

        * [3]http://www.skyworksinc.com/products/product—detail/SKY77778—51.

        * [4]http://www.skyworksinc.com/products/product—detail/SKY77761—11.

        * [5]http://www.innotion.com.cn/products/product—detail/YPM162437.

        * [6]馮威,戚偉,等.5W ISM 波段InGaP/GaAs HBT 功率放大器MMIC[J].半導(dǎo)體技術(shù),2010,3:286—290.

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