陳然 宋學(xué)峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050001）

近年來，以氮化鎵(GaN)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在科學(xué)和工程領(lǐng)域突飛猛進(jìn)地發(fā)展，以其高功率密度、高擊穿電壓、高效率等明顯優(yōu)勢推動著GaN 單片微波電路(MMIC)工藝技術(shù)高速發(fā)展，日趨成熟。以GaN MMIC 功率放大器芯片為基礎(chǔ)的寬頻帶、大功率、高效率功率器件也逐漸向高頻率、大功率、低成本、高集成度、多功能等方向發(fā)展。當(dāng)前各實(shí)際應(yīng)用場景中，對功率器件工作帶寬的要求，尤其對跨頻段超寬帶應(yīng)用的需求十分迫切。

本文介紹的GaN 超寬帶功率放大器正是針對一種常用的L、S 波段跨頻段超寬帶的應(yīng)用需求設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的。該L、S 波段超寬帶GaN 功率放大器芯片選用0.25μm GaN HEMT工藝進(jìn)行設(shè)計與制作。采用末級八胞功率合成、兩級級聯(lián)放大、超寬帶低損耗輸多支節(jié)電抗匹配網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計技術(shù)完成電路原理圖設(shè)計，并利用電路仿真軟件進(jìn)行整體電路參數(shù)的優(yōu)化和電磁場仿真和芯片版圖設(shè)計。通過工藝流片，最終實(shí)現(xiàn)了功放芯片在1.2-3.5GHz 頻帶內(nèi)，脈沖工作條件下飽和輸出功率大于25W，功率附加效率大于40%，功率增益大于26dB，實(shí)現(xiàn)了L 波段和S 波段跨頻段超寬帶、大功率、高效率應(yīng)用。

1 功率放大器芯片的設(shè)計

1.1 工藝設(shè)計

綜合考慮頻帶、功率水平等因素與有源器件柵長的關(guān)系，較低頻段的功率放大器芯片可以選用較長柵長的工藝進(jìn)行制作。這樣可以在保證工作頻率內(nèi)能夠獲得足夠高的功率增益的情況下，獲得更高的功率密度，從而縮小芯片尺寸，節(jié)約成本。

本文設(shè)計的功率放大器芯片采用0.25 μm GaN HEMT 工藝制作。該工藝經(jīng)過長期的材料性能結(jié)構(gòu)分析研究和優(yōu)化設(shè)計提升，以及工藝能力的建設(shè)和生長技術(shù)的穩(wěn)定，器件的性能良好、可靠性高，工藝可重復(fù)性好、可生產(chǎn)性好、可靠性高。其主要工藝流程如圖1 所示。

圖1： 4 英寸0.25 μm GaN HEMT MMIC 加工工藝流程

1.2 電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計

電路的設(shè)計過程包括：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、電路性能參數(shù)優(yōu)化、電磁場仿真和電路版圖的設(shè)計。本文介紹的L、S波段超寬帶GaN 功率放大器芯片電路設(shè)計時需考慮工作帶寬、輸出功率、功率增益、功率附加效率等指標(biāo)要求。

1.2.1 確定有源器件

綜合考慮頻帶、功率水平因素，本文設(shè)計的功率放大器芯片采用0.25 μm GaN HEMT 工藝制作?？紤]到工作頻率、散熱、工藝制造等因素，宜采用的器件單指柵寬定為100μm?？紤]到前后級推動比的選取對電路的效率特性很大，當(dāng)推動比過大時，前級有源器件會產(chǎn)生更多的直流功耗，使效率降低；推動比太小時，則前級有源器件提前進(jìn)入飽和工作區(qū)，使電路功率整體壓縮，效率也會降低。通過仿真設(shè)計，確定前后級推動比為1:4，從而保證前級有源器件工作在線性區(qū)，既能夠推動后級器件，也避免前級直流電流過大，造成功耗浪費(fèi)。

1.2.2 負(fù)載阻抗?fàn)恳?/p>

對選定的有源器件進(jìn)行l(wèi)oadpull 負(fù)載阻抗?fàn)恳抡?，可得出有源器件的最佳效率圓和最佳功率圓，如圖2 所示。可以看出，對于超寬帶匹配，不僅最佳效率圓和最佳功率圓的圓心是分離的，阻抗點(diǎn)的相對位置還隨頻率變化而變化。因此，如何在最佳效率圓和最佳功率圓中折中選取每個頻點(diǎn)合適的阻抗點(diǎn)，并考綜合慮超寬帶各個頻點(diǎn)的阻抗及匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式，是超寬帶功率放大器輸出匹配的難點(diǎn)所在。

圖2： 器件最佳功率圓（細(xì)線）與最佳效率圓（粗線）

1.2.3 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

理想情況下，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)選取合適的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與電路參數(shù)，使其與晶體管的最佳效率匹配點(diǎn)形成共軛匹配，從而使有源器件的效率特性得以最大限度發(fā)揮。不同于窄帶的阻抗匹配，寬帶內(nèi)不可能每個頻點(diǎn)都達(dá)到最佳匹配。因此，需要折衷考慮帶寬、插入損耗和駐波比等指標(biāo)，選擇最佳的匹配網(wǎng)絡(luò)。對于超寬帶輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，其主要的難點(diǎn)在于，隨著頻率升高，晶體管最大增益和效率越低，并且?guī)捲黾訒r，功放的阻抗匹配隨之變差，導(dǎo)致效率降低。

寬帶匹配遵循Bode-Fano 法則，帶寬與反射系數(shù)之間存在制約關(guān)系，更大的帶寬通常會導(dǎo)致更高的最小反射系數(shù)。當(dāng)采用多節(jié)級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)時，帶寬會越大，同時其反向系數(shù)值會越小。然而，節(jié)數(shù)越多會引入更多的無源元件，往往占用更多的面積，引入更大的插入損耗。如圖3 所示。

圖3： 多節(jié)級聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖

為了使插入損耗和回波損耗盡可能小，采用電抗匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計輸出網(wǎng)絡(luò)。為了獲得足夠的帶寬，采用低Q 值多級電抗匹配網(wǎng)絡(luò)，通過多級電抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合的設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)足夠的帶寬。綜合考慮上述因素，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)選取兩節(jié)T 型匹配網(wǎng)絡(luò)，即可保證要求帶寬及駐波，也能有較小的插入損耗，如圖4 所示。

圖4： 低Q 值多級電抗匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綜合考慮頻率、合成損耗、偏置線寬的影響，經(jīng)仿真對比，設(shè)計了4 胞合成漏極偏置網(wǎng)絡(luò)，如圖5 所示。先進(jìn)行4 胞功率合成，再進(jìn)行利用微帶線和去耦電容產(chǎn)生的感性阻抗匹配有源器件輸出阻抗中的容性，對高頻信號進(jìn)行隔離，對低頻信號進(jìn)行旁路，防止電路自激振蕩。

圖5： 4 胞合成漏極偏置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.4 級間匹配和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計完成后，根據(jù)匹配出的有源器件功率增益，結(jié)合級間匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗，確定前級有源器件的總柵寬，最后設(shè)計輸入匹配電路，獲得良好的輸入駐波。級間匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要考慮功率的低損耗傳輸、獲得足夠的增益，并保證帶寬和平坦度；輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需要最終調(diào)節(jié)增益平坦度，并獲得較好的輸入駐波。

對于超寬帶電路的級間匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖6 所示的低通LC 匹配支節(jié)和高通CL 匹配支節(jié)可以分別對頻帶低端和頻帶高端起到較好的匹配效果。因此，采用低通LC 匹配支節(jié)和高通CL 匹配支節(jié)的組合帶通網(wǎng)絡(luò)，可以有效實(shí)現(xiàn)超寬帶電路級間匹配。本文設(shè)計的功率放大器芯片的級間匹配網(wǎng)絡(luò)如圖7 所示。該級間匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了末級有源器件的輸入阻抗到前級有源器件的輸出阻抗的變換，使得前級有源器件能夠輸出足夠的功率，并經(jīng)過輸小的損耗，傳輸?shù)侥┘売性雌骷小］斎肫ヅ渚W(wǎng)絡(luò)采用兩階LC 網(wǎng)絡(luò)和RC 并聯(lián)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)整個電路的增益平坦度和駐波。電路整體原理圖如圖8 所示。

圖6： T 型高低通簡化結(jié)構(gòu)

圖7： 級間匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖8： 整體電路結(jié)構(gòu)圖

1.3 電磁場仿真與優(yōu)化設(shè)計

考慮到芯片元器件之間的電磁耦合效應(yīng)和芯片的實(shí)際制作，功放芯片需進(jìn)行版圖設(shè)計和仿真優(yōu)化，以獲得優(yōu)異的電性能?；谏鲜鲞@些必要的匹配網(wǎng)絡(luò)，通過電磁場仿真和無源參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)所需的電路性能和較小芯片尺寸。版圖設(shè)計中主要是要考慮到工藝兼容性和功率容量，在盡量縮小芯片面積的同時要充分考慮到帶線與帶線之間，帶線與器件之間互干擾效應(yīng)，通過電磁場分析來提高電路設(shè)計的精度。本文設(shè)計的功率放大器芯片電磁場仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9： 電磁場仿真結(jié)果

2 芯片制造與測試結(jié)果

本文設(shè)計的功率芯片制作采用0.25μm GaN HEMT 功率單片制作工藝，該工藝經(jīng)過長期的材料性能結(jié)構(gòu)分析研究和優(yōu)化設(shè)計提升，以及工藝能力的建設(shè)和生長技術(shù)的穩(wěn)定，器件的性能良好、可靠性高，工藝可重復(fù)性好、可生產(chǎn)性好、可靠性高。

最終制作的L、S 波段GaN 超寬帶功率放大器芯片尺寸為4.60mm×3.40mm×0.08mm。芯片采用微波在片測試系統(tǒng)進(jìn)行微波測試，測試結(jié)果表明，測試條件為Vd=+28V，Vg=-1.8V，脈寬100us，占空比10%，在1.2-3.5GHz 頻帶內(nèi)飽和輸出功率大于25W，功率附加效率大于40%，功率增益大于26dB，測試結(jié)果與設(shè)計仿真結(jié)果基本符合。芯片電性能測試曲線如圖10 所示。

圖10： 功率單片電性能實(shí)測結(jié)果

3 結(jié)束語

本文基于0.25μm GaN HEMT 單片工藝設(shè)計了一款L、S 波段GaN 超寬帶功率放大器芯片。芯片采用多胞功率合成，兩級放大的結(jié)構(gòu)形式，利用無源電抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)輸入、輸出和級間匹配。研制出的GaN 超寬帶功率放大器在1.2-3.5GHz 頻帶內(nèi)脈沖飽和輸出功率大于25W，功率附加效率大于40%，功率增益大于26dB，滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。