汪曾達(dá),劉 軍,李圣麒,蘇國東

(杭州電子科技大學(xué) 集成電路科學(xué)與工程學(xué)院,杭州310018)

X波段電磁波(8～12 GHz)抗干擾性強(qiáng)、空間損耗低,廣泛應(yīng)用于軍事及空地通信領(lǐng)域。使用在甚小天線地球站(very small aperture terminal, VSAT)及衛(wèi)星通信的X波段功率放大器是射頻前端芯片發(fā)射通道的主要器件之一,通過放大射頻信號的功率,為信號的空間傳播提供足夠大的功率。高輸出功率、高效率的功率放大器可拓展無線通信距離并延長設(shè)備工作時間。

當(dāng)前,功率放大器的研制多聚焦于提高輸出功率的同時提高功率附加效率[1-6]。2017年, Kamioka等[7]采用內(nèi)部源通孔型0.15 μm氮化鎵工藝,壓縮芯片面積換取了更好的散熱,功率放大器的工作頻率為8.5～10.5 GHz,輸出功率為46.1～47.4 dBm(41～56W),功率附加效率為49%～55%,增益為10.1～11 dB,實現(xiàn)了X波段高效率、高功率放大器,但受制于單級電路結(jié)構(gòu),增益較低。同年,Hong等[8]采用0.25 μm氮化鎵工藝,在脈沖波測試條件下,功率放大器的輸出功率為47.5～48.7 dBm,功率附加效率為40%～45%,增益為20 dB;連續(xù)波測試條件下的面積功率密度為5.57 W·mm-2,外圍功率密度為6.43 W·mm-1,熱阻為1.7 ℃·W-1,實現(xiàn)了X波段緊湊的較高效率高功率放大器。2019年,Tommaso等[9]采用0.15 μm氮化鎵工藝,在工作頻率為10 GHz時,功率放大器的飽和功率增益為20 dB,輸出功率大于40 dBm(10 W),利用電源調(diào)制技術(shù)優(yōu)化第二級放大級在不同輸入功率下的漏極偏壓,改善了放大器的線性度,實現(xiàn)了X波段電源調(diào)制高功率放大器。綜合當(dāng)前的研究工作,研究人員通過增加放大電路的級數(shù)提高功率放大器的增益,增加放大級并聯(lián)的晶體管的外圍或數(shù)量提高功率放大器的輸出功率,利用新介質(zhì)實現(xiàn)較低的傳導(dǎo)損耗。

本文基于0.25 μm氮化鎵工藝,設(shè)計了30 W X波段單片微波集成電路(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)高功率放大器,在工作頻率為8～12 GHz時,飽和輸出功率大于44.1 dBm(30 W),功率平坦度為±0.3 dBm,功率附加效率為38%～42%,面積功率密度為1.78 W·mm-2,有源外圍功率密度為4 W·mm-1。功率放大器采用的低損耗輸出匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了高輸出功率的同時效率也較高,可廣泛應(yīng)用于X波段衛(wèi)星通信等無線通信領(lǐng)域。

1 X波段功率放大器電路設(shè)計

1.1 X波段功率放大器電路設(shè)計

圖1為兩級級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMIC功率放大器設(shè)計流程圖。首先,射頻系統(tǒng)工程師根據(jù)市場或者系統(tǒng)需求分析確定目標(biāo)功率放大器電路的具體性能指標(biāo)。其次,由電路設(shè)計工程師初步確定功率放大器電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括級聯(lián)、分布式、推挽式、堆疊式、平衡式、Doherty及Chireix等;根據(jù)性能指標(biāo)及采用的工藝特點,確定晶體管的靜態(tài)工作點,至此,可確定功率放大器電路可實現(xiàn)的輸出功率以及晶體管外圍;進(jìn)行放大級(第二級)電路的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及驅(qū)動級(第一級)電路的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計;完成級間匹配網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行整體性能迭代優(yōu)化,至此完成了原理圖設(shè)計。然后進(jìn)行版圖設(shè)計與EM仿真,通過設(shè)計規(guī)則檢查(design rule check,DRC)和版圖與原理圖比較(layout versus schematics, LVS)驗證后方可進(jìn)行流片與載片測試。最后,檢驗電路是否滿足指標(biāo)要求。

圖1 兩級級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMIC功率放大器設(shè)計流程圖

圖2為30 W X波段高功率放大器電路原理圖。由圖2可見,電路采用兩級級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中驅(qū)動級電路由2個柵指數(shù)為6,柵寬為125 μm的晶體管并聯(lián),放大級電路由8個柵指數(shù)為6,柵寬為125 μm的晶體管并聯(lián)。為平衡輸出功率、效率及增益,晶體管的偏置均設(shè)置為AB類放大器的偏置條件,其中柵極偏置設(shè)為-2 V,漏極偏置設(shè)為28 V。

放大級和驅(qū)動級電路的功率掃描結(jié)果如圖3所示。由圖3可見：在固定源/負(fù)載阻抗下,放大級電路可實現(xiàn)飽和輸出功率大于45 dBm,對應(yīng)的功率附加效率ηPAE大于60%,滿足設(shè)計要求;驅(qū)動級電路可實現(xiàn)飽和輸出功率大于35 dBm,滿足放大級電路所需的飽和輸入功率的要求。在確定放大級及驅(qū)動級的晶體管外圍后,設(shè)計放大器的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)及寬帶低損耗輸出、級間、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。

1.2 穩(wěn)定性分析

有源器件引入的輸入負(fù)阻,是造成放大器低頻不穩(wěn)定的主要原因。在低頻時,假設(shè)射頻匹配網(wǎng)絡(luò)中的耦合電容開路,則放大器的輸入實阻抗Zin(ω)可表示為[10]

(1)

其中：Zload為晶體管漏極負(fù)載阻抗;gm為跨導(dǎo);Cfeed為射頻信號輸入端和晶體管之間存在反饋電容。

為避免放大器在低頻處出現(xiàn)振蕩,應(yīng)盡可能避免負(fù)阻的出現(xiàn),需足夠大的Zload及合適的柵極偏置電阻。因此,本文設(shè)計的30 W X波段功率放大器的柵極偏置均采用電阻加電感結(jié)構(gòu),避免晶體管的輸出阻抗出現(xiàn)負(fù)阻,同時避免放大器發(fā)生參量式振蕩[11-13];而漏極偏置為降低損耗,采用微帶線加旁路電容結(jié)構(gòu),降低輸入阻抗負(fù)阻,再結(jié)合級間匹配網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了全頻段的絕對穩(wěn)定。

1.3 功率附加效率分析

單個柵指數(shù)為6,柵寬為125 μm的晶體管的負(fù)載牽引結(jié)果如圖4所示。其中：彩色等高線圖表示不同大小的功率附加效率ηPAE;黑色等高線圖表示不同大小的輸出功率,由中心向外依次為36.5,36.75,37,37.25 dBm;紅色圓點與圖1中的阻抗值一一對應(yīng)。

圖2 30 W X波段功率放大器原理圖

(a)The power sweep performance of the amplifier stage

(b)The power sweep performance of the driver stage

圖4 單個柵指數(shù)為6,柵寬為125 μm的晶體管的負(fù)載牽引結(jié)果

氮化鎵工藝晶體管存在較大的漏-源、柵-源寄生電容,在造成晶體管的增益滾降的同時,增加匹配網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因素[2]。為實現(xiàn)寬帶的阻抗匹配,需要采用多枝節(jié)匹配結(jié)構(gòu),不同枝節(jié)數(shù)量下的最小節(jié)點品質(zhì)因素Qmin(n)可表示為

(2)

其中：n為枝節(jié)數(shù)量;Kn可表示為

(3)

其中,Ropt可表示為

(4)

其中：R0為負(fù)載端口實阻抗;Ropt為晶體管的最佳負(fù)載阻抗;VDS為晶體管的漏極偏置電壓;Imax為晶體管的飽和漏極電流。

以R0=50 Ω,Ropt=10 Ω為例,Qmin(n=1)=2,Qmin(n=2)=1.11,Qmin(n=3)=0.70,由此可見,枝節(jié)數(shù)量的增加顯著降低了節(jié)點品質(zhì)因素,有助于實現(xiàn)寬帶的阻抗匹配。在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中,通過耦合電容及去耦電容將端口阻抗變換至Z1點,后續(xù)通過低特征阻抗微帶線以及旁路電容組成的枝節(jié)網(wǎng)絡(luò)將阻抗變換至Z2點,最后通過漏極偏置網(wǎng)絡(luò)將基波負(fù)載阻抗變換至最佳ηPAE和Pout點。此外,功率放大器的級間、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)也采用了多枝節(jié)匹配結(jié)構(gòu),在拓展網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時降低帶內(nèi)匹配插損。

2 版圖及仿真結(jié)果

圖5為X波段功率放大器芯片版圖。版圖由驅(qū)動級、放大級及輸出、級間、輸入匹配結(jié)構(gòu)構(gòu)成。版圖設(shè)計中除柵極偏置外,不再使用集總電感器件,并且為降低每根電源線承載的電流強(qiáng)度,避免過大電流燒毀器件,每級電路均采用雙柵極電路偏置和雙漏極電源偏置。為降低高頻信號耦合效應(yīng)帶來的性能惡化,每個獨立器件之間的間距大于50 μm。特別地,偏置網(wǎng)絡(luò)上的高Q值旁路電容,一方面為射頻信號提供理想接地點,避免后續(xù)外部金絲電感對電路阻抗的影響,且規(guī)避不良好接地的偏置網(wǎng)絡(luò)引起的內(nèi)部振蕩問題;另一方面,可有效避免外部脈沖信號對晶體管造成損害。驅(qū)動級電路的晶體管外圍為1.5 mm,由2個柵指數(shù)為6,柵寬為125 μm的晶體管組成,而放大級電路的晶體管外圍為6.0 mm,由8個柵指數(shù)為6,柵寬為125 μm的晶體管組成。射頻輸入、輸出端口為標(biāo)準(zhǔn)GSG端口,射頻焊盤中心間距為150 μm,直流焊盤的尺寸為100 μm×100 μm,芯片總面積為16.9 mm2。

圖5 30 W X波段功率放大器芯片版圖(長：4 760 μm×寬：3 560 μm)

30 W X波段功率放大器后仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可見,后仿真小信號結(jié)果中,帶內(nèi)輸入駐波系數(shù)ρVSWR,I均小于2.5 ,帶內(nèi)輸出駐波系數(shù)ρVSWR,O均小于2.2,正向小信號增益S21為22.9～25.3 dB,小信號增益平坦度為 ±1.2 dB;由圖6(b)可見,后仿真大信號結(jié)果中,在26 dBm的連續(xù)波(continuous wave,CW)信號輸入下,功率放大器的飽和輸出功率Pout大于44.1 dBm,面積功率密度為1.78 W·mm-2,有源外圍功率密度為4 W·mm-1,功率平坦度為 ±0.3 dBm,此時的功率附加效率ηPAE大于38 %,最大值達(dá)到42 %,轉(zhuǎn)換增益為17.9～18.5 dB。此外,在飽和輸出功率為44.1 dBm的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高輸入功率、晶體管的工作點及漏極偏置電壓,放大器的最大輸出功率可提高至46 dBm,即放大器的功率容量可達(dá)40 W。

(a)The ρVSWR,I,ρVSWR,O and S21 of the 30 W X-band power amplifier

(b)The Pout, ηPAE and gain of 30 W X-band power amplifier

近幾年國內(nèi)外GaN 工藝功率放大器的仿真性能參數(shù)對比如表1所列。由表1可知,在CW輸入條件下,本文設(shè)計的功率放大器帶寬及飽和輸出功率優(yōu)于文獻(xiàn)[15-17],ηPAE優(yōu)于文獻(xiàn)[14-17],功率增益優(yōu)于文獻(xiàn)[14-15,17],面積功率密度優(yōu)于文獻(xiàn)[14-17]。

結(jié)合本文后仿真結(jié)果及文獻(xiàn)[14]中同樣采用某商業(yè)0.25 μm GaN工藝的2款X波段功率放大器的仿真結(jié)果與測試結(jié)果可知：采用該工藝設(shè)計的X波段放大器的小信號(S參數(shù))仿真結(jié)果與測試結(jié)果具有較高的一致性,工作頻段內(nèi)的輸入/輸出回波損耗均能滿足最初的設(shè)計指標(biāo),小信號增益的測試結(jié)果一般比仿真結(jié)果小0～2 dB,且頻率越高偏差越大;放大器的大信號仿真結(jié)果與測試結(jié)果的相對偏差一般小于5%～10%,其結(jié)果趨勢具有較高的一致性。針對由加工工藝偏差導(dǎo)致的設(shè)計偏差,在該款功率放大器的版圖設(shè)計中已完成包括DRC及LVS驗證,確保電路版圖滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)。

基于合理的電路設(shè)計流程、完備的自動化檢查程序及成熟的商業(yè)0.25 μm氮化鎵工藝,預(yù)期該款放大器的實測結(jié)果與仿真結(jié)果的相對偏差小于5%～10%,測試結(jié)果能夠滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。

3 結(jié)論

本文基于0.25 μm 氮化鎵工藝設(shè)計了一款X波段高功率放大器,采用兩級級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用柵極/漏極偏置網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了放大器全頻段的絕對穩(wěn)定,且同時實現(xiàn)了高輸出功率和高效率;利用寬帶低損耗的輸出、級間、輸入匹配網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了飽和輸出功率大于44.1 dBm的同時,帶內(nèi)功率附加效率大于38%,飽和輸出功率平坦度為 ±0.3 dBm,轉(zhuǎn)換功率增益大于17.9 dB。本文可為氮化鎵基寬帶高效率、高功率放大器的設(shè)計提供參考,特別是可為用于增強(qiáng)電路穩(wěn)定性的偏置網(wǎng)絡(luò)及寬帶低損耗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法提供參考。

表1 近幾年國內(nèi)外GaN工藝功率放大器的仿真性能參數(shù)對比