X波段GaN收發(fā)前端芯片設(shè)計(jì)

劉福海，魯麗麗，陳南庭

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

X波段GaN收發(fā)前端芯片設(shè)計(jì)

劉福海，魯麗麗，陳南庭

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

本文設(shè)計(jì)了一款基于0.25 um 氮化鎵PHEMT工藝的8.5-10.5GHz MMIC收發(fā)前端芯片，該收發(fā)前端由一個(gè)功率放大器和一個(gè)單刀雙擲開關(guān)組成。經(jīng)仿真優(yōu)化后，在工藝線上進(jìn)行了流片，并載片測(cè)試了其性能參數(shù)。測(cè)試結(jié)果顯示，發(fā)射路的功率放大器飽和輸出功率大于33dBm，功率附加效率39%。接收路開關(guān)插入損耗0.6dB，開關(guān)隔離度大于37dB。

前端芯片；測(cè)試

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)因其優(yōu)點(diǎn)成為新一代武器裝備的必要裝備，T/R組件成本及體積卻成為相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)推廣應(yīng)用的制約因素。本文采用高耐受功率開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形器，通過開關(guān)與功率放大器單片集成的方式，代替T/R前端傳統(tǒng)的環(huán)形器與功率放大器分立裝配模式，極大的減小了T/R組件體積及成本。

收發(fā)前端芯片中功率放大器的一般要求是：足夠高的輸出功率和功率附加效率，以及可靠的穩(wěn)定性。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于輸出端的功率輸出。功率管在大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入非線性工作區(qū)，輸出端的共軛匹配就逐漸不再匹配，此時(shí)功率管就無法得到最大的功率輸出，這時(shí)可以利用負(fù)載牽引原理找出最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載阻抗[1]，進(jìn)而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

收發(fā)前端芯片中開關(guān)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于獲得很高隔離度的同時(shí)，具備很低的插入損耗。設(shè)計(jì)困難的原因在于隨著工作頻率的上升，開關(guān)FET在關(guān)態(tài)時(shí)的電容會(huì)導(dǎo)致隔離特性的惡化[2]。因此在設(shè)計(jì)過程中需折中考慮。

1 X波段GaN收發(fā)前端芯片設(shè)計(jì)

1.1 收發(fā)前端芯片的設(shè)計(jì)原理

圖1為本文前端多功能芯片功能框圖，多功能芯片繼集成了發(fā)射功率放大器和高耐受功率切換開關(guān)。該芯片可用于T/R組件中代替環(huán)形器與功率放大器，實(shí)現(xiàn)功率輸出與接收發(fā)射切換。

圖1 前端多功能芯片的功能框圖

發(fā)射路功率放大器的預(yù)期指標(biāo)為頻率8.5-10.5GHz、飽和輸出功率33dBm以及功率附加效率39%。本次設(shè)計(jì)以獲得最佳附加效率為主，因此負(fù)載牽引過程中獲得的是最佳效率的負(fù)載點(diǎn)。功率密度為5W/mm的功率管，為達(dá)到2.5W的輸出功率，選用尺寸為10×55μm的功率管，通過管子單獨(dú)仿真，可知其增益約為13dB，因此在負(fù)載牽引仿真中，設(shè)置輸入功率為21dBm，頻點(diǎn)為9.5GHz，漏壓為28V，柵壓設(shè)置為-2V,仿真結(jié)果如圖2所示，可獲得最佳效率時(shí)的輸出阻抗為20.169+j*58.647歐姆。根據(jù)該輸出阻抗，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的輸出匹配電路將50歐姆系統(tǒng)匹配到20.169-j*58.647歐姆。在此先默認(rèn)從發(fā)射路看去的開關(guān)輸入阻抗為50歐姆，在級(jí)聯(lián)開關(guān)后可對(duì)電路進(jìn)行微調(diào)。在末級(jí)匹配設(shè)計(jì)好后再根據(jù)前級(jí)推動(dòng)后級(jí)管子的原理設(shè)計(jì)出輸入級(jí)和中間級(jí)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和管子的性能參數(shù)，總共設(shè)計(jì)為三級(jí)放大器。

圖2 單個(gè)GaN器件的輸出牽引負(fù)載結(jié)果圖

開關(guān)電路的設(shè)計(jì)中主要考慮的是插入損耗和隔離度的大小，同時(shí)為了兼顧耐功率的考慮，采用兩級(jí)器件并聯(lián)方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中兩條微帶線MLIN1和MLIN2在理論上長(zhǎng)λ/4時(shí)，可獲得較高的隔離度；不過，在寬帶開關(guān)的設(shè)計(jì)中，需要顧全整個(gè)帶內(nèi)的性能，因此適當(dāng)調(diào)整長(zhǎng)度。第一級(jí)器件選擇柵寬較長(zhǎng)的器件，在開關(guān)電路的關(guān)態(tài)下提供較大的隔離度；第二級(jí)器件選擇柵寬較短的器件，參與電路匹配，增大隔離度而又不引入較大的插損。

圖3 開關(guān)電路一條支路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 流片與測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的收發(fā)前端芯片采用0.25μm GaNpHEMT工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，并進(jìn)行載片裝配測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4和圖5所示。在+28V/-2V工作電壓下，圖4所示可以看出發(fā)射路功放的飽和輸出功率在頻帶內(nèi)為33dBm（其輸入功率為+13dBm），功率附加效率39%。圖5中顯示的是接收路的開關(guān)特性?？梢娖洳迦霌p耗為0.6dB，隔離度在頻帶內(nèi)高于37dB。

圖4 發(fā)射路功放實(shí)測(cè)曲線

圖5 接收路開關(guān)實(shí)測(cè)曲線

2 結(jié)論

本文由T/R收發(fā)前端設(shè)計(jì)理論出發(fā)，采用氮化鎵pHEMT工藝，使用ADS軟件進(jìn)行了芯片的各單元電路以及多功能電路的設(shè)計(jì)。通過流片和測(cè)試，驗(yàn)證了單片設(shè)計(jì)方法和思路的正確性和可行性，性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)值，滿足工程化應(yīng)用。下一步的工作主要對(duì)發(fā)射功率及開關(guān)耐受功率進(jìn)行提升，滿足更高功率的應(yīng)用需求。

[1]Fadhel M.Ghannouchi,Mohammad S.Hashmi.Load-Pull Techniques with Applications to Power Amplifier Design.Springer,2013.

[2]I.D.Robertson and S.Lucyszyn,et al. RFIC and MMIC Design and Technology.The institution of Engineering and Technology, London,United Kingdom.

Design of X band GaN transceiver front-end chip

Liu Fuhai,Lu Lili,Chen Nanting
(China Electronic Technology Group Corporation thirteenth Research Institute，Shijiazhuang Hebei,050051)

This paper introduces a 8.5-10.5GHz MMIC transceiver front end chip based on 0.25 um gallium PHEMT process, which consists of a power amplifier and a single pole double throw switch.The optimized chip is verified by simulation and tapeout on the process line,the performance parameters are tested Test results show that the power amplifier saturation output power is greater than 33dBm, power additional efficiency 39%. SPDT switch achieve low input loss 0.6dB, switch isolation greater than 37dB.

front end chip; test

劉福海（1964,5,20），男，漢族，籍貫河北樂亭，碩士，工程師，研究方向：半導(dǎo)體材料及微波器件。