L波段5W InGaP/GaAs HBT功率放大器

游恒果，蔡道民

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050051）

0 引言

我國自主研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐步完善，其性能與國外系統(tǒng)相媲美，導致各種圍繞衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應用層出不窮。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，則是非常關鍵的核心器件，制約著終端產業(yè)的發(fā)展。

InGaP/GaAs異質結晶體管(HBT)因其材料體系和垂直結構等多方面的特點，具有功率密度大、線性好和閾值電壓一致性好等優(yōu)勢，成為無線通信領域，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，該類終端放大器國外主要有SKYWORKS,QARVO和BROADCOM 等射頻巨頭[3-4]，但針對國內衛(wèi)星通信的產品較少；國內該類研究和產品則更少，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、放大器設計和制作，放大器性能測試等，該功率放大器可廣泛應用于衛(wèi)星通信等無線終端領域。

1 InGaP/GaAs HBT工藝和器件特性

InGaP/GaAs HBT工藝沿用傳統(tǒng)的三臺面工藝，工藝主要流程主要包括有源器件制作和無源器件制作兩部分。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面之間的SiN側墻保護等;無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特性曲線和無諧波的Laodpull曲線，直流增益約為80（Ib 電流從 10μA～100μA），補償電壓 Vceoあset約為 0.1V，膝點電壓約為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%（沒有考慮諧波調諧），輸出功率大于20dBm,功率增益大于13dB。

圖1

2 放大器設計和制作

■2.1 設計目標

針對通信應用，擬達到目標如表1所示。

表1 設計指標

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

■2.2 電路架構

首先根據(jù)表1所示的技術指標進行指標分解，對于難點指標，如效率、線性和輸出功率，重點關注。

首先根據(jù)單元HBT器件的最大增益MAXGAIN和設計目標需要達到的增益，選用三級放大結構；其次確保HBT器件長期、可靠工作，尤其是防止HBT器件發(fā)生熱斑效應（熱正反饋），選擇各級合適的工作電流密度。據(jù)此，末級工作電流密度0.15mA/μm2，確保高的效率，同時選用前面所述的64個3×12×4μm2單元器件并聯(lián)，不僅實現(xiàn)總輸出功率大于38dBm,而且增益大于13dB;驅動級工作電流為0.2mA/μm2，采用8個3×12×4μm2器件并聯(lián)，提供線性輸出功率27dBm，提供13-14dB增益；前級工作電流為0.25mA/μm2，采用2個3×12×4μm2器件并聯(lián)，并借助RC負反饋，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 電路偏置和匹配實現(xiàn)

偏置電路是HBT類放大器的難點之一，采用如圖3所示的自適應偏置電路實現(xiàn)線性提升和寬溫度域的電流補償。該電路具有以下特點：其一調節(jié)RP和CP的數(shù)值大小，實現(xiàn)信號分流，進而實現(xiàn)自適應調節(jié)偏置狀態(tài)，提升線性；其二，通過電容CIN，實現(xiàn)良好射頻到地；其三，調整晶體管QA1和QA2尺寸，實現(xiàn)溫度補償。

匹配電路不僅實現(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域內實現(xiàn)穩(wěn)定，無自激。整個電路包括輸出匹配、二三級級間匹配、一二級級間匹配和輸入匹配。其中輸出匹配對輸出功率、效率影響最大，由于工作頻段相對低，導致片上電感的Q值較低，大約5～8左右，導致?lián)p耗大。故采用片外匹配，實現(xiàn)低損耗匹配。輸出匹配電路拓撲結構采用LCLC兩節(jié)低通匹配，并在晶體管輸出根部通過LC諧振于二次諧波，實現(xiàn)諧波調諧，提升P_1dB下的效率提升。圖4是仿真結果，損耗大約0.6dB,阻抗大約用 1.5～2Ω。

圖3 自適應偏置偏置電路

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

圖4 輸出匹配損耗

圖5 放大器芯片(1.3mm×1.7mm)

3 放大器測試結果和分析

■3.1 小信號特性

放大器偏置條件為Vcc=5 V，Icc=300mA，利用矢量網絡分析儀和CASCADE微波探針臺，結合微波探針，采用TRL傳輸校準方法，測試器件的S參數(shù)。其中S21大于39,S11小于-14dB，S22小于-10dB，達到目標要求。

圖6 測試放大器小信號性能在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，利用信號源和功率計測試功率放大器的大信號相關特性，主要包括飽和輸出功率（Pout）、功率附加效率（PAE）和大信號增益（Gp）等技術指標。測試結果表明，在整個頻率范圍內，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，利用矢量信號源，頻譜儀測試功率放大器的線性相關特性。波頻率為1.615GHz,采用PI/4QPSK調制信號，頻率間隔21.6kHz和濾波器滾降系數(shù)0.35，在調制輸出功率為36dBm下，測試其EVM指標小于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，相關測試結果與設計指標吻合度較高，滿足調制帶寬通信要求。

表2為國外同類產品性能對比數(shù)據(jù)，表中f為頻率，G為增益，ACPR1為輸出三階互調點。通過對比分析，本款功率放大器芯片在功率、效率和線性等核心技術指標方面達到國際主流水平。

表2 國內外同類產品對比分析

4 結論

采用自主InGaP/GaAs HBT技術，借助GaAs MMIC和輔助PCB板外匹配架構，通過選擇合適的器件尺寸和偏置條件以及匹配，實現(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調制信號下的衛(wèi)星通信協(xié)議，該放大器可廣泛應用于無線通信等領域。

* [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].半導體技術，2010，3：286—290.