何寒冰

（上海朱光亞戰(zhàn)略科技研究院 上海市 201306）

1 前言

在現(xiàn)代太赫茲通信或者雷達(dá)系統(tǒng)中，倍頻器、低噪放、功率放大器和天線等為各系統(tǒng)關(guān)鍵核心部件[1]。功率放大模塊通常用于發(fā)射端，在更高頻率段，通常也將其用于二極管級(jí)封裝的多次倍頻器的推動(dòng)級(jí)，因此使用廣泛[2]。對(duì)于太赫茲通信系統(tǒng)應(yīng)用而言，對(duì)線性度、雜散、體積以及功耗等要求較高，因此模塊設(shè)計(jì)時(shí)難度更大。在高頻率段，由于電磁波波長較短，對(duì)模塊設(shè)計(jì)和裝配精確度要求相對(duì)提高，因此需要電磁仿真軟件如HFSS 等全建模仿真。在毫米波頻段場(chǎng)景應(yīng)用，通常采用波導(dǎo)傳輸電磁波信號(hào)，使得微帶探針波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)因其帶寬寬、轉(zhuǎn)換方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于各系統(tǒng)中。

本W(wǎng) 波段功率放大器采用三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN 基芯片，能提供1W 左右的射頻功率，經(jīng)過實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和應(yīng)用，滿足現(xiàn)階段實(shí)際需求。

2 功放模塊設(shè)計(jì)

本模塊采用WR-10 標(biāo)準(zhǔn)波段接口設(shè)計(jì)，模塊中主要包含GaN基MMIC 功放芯片、電源上電時(shí)序控制PCB、石英基片W 波段微帶探針、饋電絕緣子和波導(dǎo)腔體等構(gòu)成。其中GaN 功放芯片（與前級(jí)倍頻器和驅(qū)動(dòng)放大器配合）提供W 波段1W 射頻功率信號(hào)，電源PCB 提供15V 電源電壓和功放芯片負(fù)壓偏置電壓并提供上電時(shí)序，石英微帶探針將芯片和波導(dǎo)完美過渡，芯片通過腔體上焊接的饋電絕緣子實(shí)現(xiàn)裸官芯和電源PCB 的過渡與饋電。模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

2.1 GaN基功放芯片

GaN 是第三代寬禁帶半導(dǎo)體典型材料（Eg>2.2eV），其禁帶寬度高達(dá)3.4eV。寬禁帶材料因禁帶寬度寬，具有耐壓高、耐溫高、抗輻射和能承受大功率等特性，大量運(yùn)用于電力電子行業(yè)和射頻功率器件。同時(shí)因其為直接帶隙半導(dǎo)體材料，發(fā)光效率高，在高速、大功率的光電元件中也應(yīng)用廣泛。隨著人們對(duì)功率要求越來越高，以及5G 等領(lǐng)域大量使用，低成本和大批量的GaN 射頻芯片將大量使用[3]。本模塊使用中國電科集團(tuán)的W 波段GaN 射頻功率芯片。該芯片采用0.1um 的GaN 工藝，以GaN 高電子遷移率晶體管（HMET）為放大單元進(jìn)行片上功率合成[4]。其外形尺寸為外形尺寸：3.4mm×1.43mm×0.05mm，工作電壓偏置電壓在15V 左右，柵極偏置負(fù)壓在-1.5V 左右，典型的附加效率在15%左右。該芯片的靜態(tài)工作電流為300mA 左右，其在92 GHz -96GHz 頻率段內(nèi)，連續(xù)波工作模式下，在線芯片測(cè)試具有30dBm 的功率輸出。

圖1：W 波段功放模塊電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 電源上電時(shí)序控制PCB

對(duì)于功放芯片而言，要求嚴(yán)格上電時(shí)序，否則可能會(huì)導(dǎo)致溝道電流過大使得其溫度過高而燒毀芯片，因此必須先給芯片上負(fù)電后再給芯片加正電。本PCB 采用先將+15V 轉(zhuǎn)換為+5V，再將+5V轉(zhuǎn)換成-5V，通過一功能電路控制大功率PMOS 管的形式。當(dāng)上電后，先有+15V 穩(wěn)壓成+5V 電壓后LM828M5X 工作產(chǎn)生-5V 電壓，之后T2222 三極管開啟工作，將PMOS 柵極上拉電壓+5V 下拉到負(fù)-2.5V 左右，進(jìn)而將PMOS 開關(guān)管IR7416 打開，完成功放芯片正+15V 的時(shí)序上電（即先有柵極負(fù)壓，再給芯片Vd 供電）。其中Vg1 和Vg2 為電阻可調(diào)電壓，給功率放大器提供柵極偏壓。其電路原理圖如圖 2 所示。

2.3 W波段微帶探針

對(duì)于微帶探針，可以根據(jù)不同的需求選取不同的材料，如Rogers5880、石英基片以及AlN 基片等等。本模塊采用50μm 厚的石英基片，設(shè)計(jì)了E 面微帶探針，將芯片射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到波導(dǎo)中。通過電磁仿真軟件HFSS 建模和優(yōu)化，單獨(dú)探針插損在0.05dB 以內(nèi)，駐波在108GHz 以內(nèi)均在-20dB 以下。其探針腔體模型和S 參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果如圖 3 和圖4 所示。

圖2：負(fù)壓饋電時(shí)序控制電路原理圖

圖3：92GHz W 波段石英基片探針模型

2.4 W波段芯片封裝模型

根據(jù)芯片尺寸和探針，建立合適的HFSS 模型，重點(diǎn)優(yōu)化芯片處的腔體結(jié)構(gòu)，以消除帶內(nèi)諧振，減小帶內(nèi)插損。模型和優(yōu)化如圖5 和圖6 所示。

3 功放模塊

經(jīng)過仿真優(yōu)化，要求所加工腔體和石英基片精度5μm 以內(nèi)，最后通過按照微組裝相關(guān)要求進(jìn)行裝配，最后，用數(shù)字電源，安捷倫頻率源和VDI 功率計(jì)以及W 波段10dB 固定衰減器，結(jié)合八倍頻器和W 波段驅(qū)動(dòng)放大器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖7 和圖8 所示。通過測(cè)試結(jié)果可以看到，封裝效果比較好，在90GHz-98GHz 內(nèi)，輸出功率均在29.5dBm 以上，說明模型和裝配比較理想。

4 結(jié)論

封裝設(shè)計(jì)了W 波段輸出功率為1W 的功率放大器模塊，并對(duì)模塊中用到的各個(gè)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論和仿真。雖然受儀器限制，沒有測(cè)試模塊的輸入輸出駐波，但實(shí)際功放模塊測(cè)試結(jié)果顯示，在92 GHz -98GHz 內(nèi)，輸出功率均在29.5dBm 以上，說明封裝和裝配效果比較好，封裝插損在1dB 以內(nèi)。

圖4：92GHz W 波段石英基片探針模型和仿真結(jié)果

圖5：94GHz W 波段功放模型

圖6：94GHz W 波段功放仿真結(jié)果

圖7：W 波段1W 功放測(cè)試鏈路

圖8：W 波段1W 功放測(cè)試曲線