V波段超寬帶功率放大器芯片的設計

摘? 要：介紹了一款V波段超寬帶放大器芯片，采用GaAs pHEMT工藝制作。該芯片具有超寬帶、高增益、高效率、小尺寸等優點，主要用于射頻信號放大。微波在片測試系統對該芯片實際測試結果顯示，在50 GHz～66 GHz范圍內，小信號增益24 dB～26 dB，1 dB壓縮輸出功率大于18 dBm，電流小于120 mA，帶內輸入/輸出電壓駐波比小于1.4：1，芯片尺寸為3.20 mm×1.40 mm×0.07 mm。

關鍵詞：功率放大器;砷化鎵;超寬帶;微波單片集成電路

中圖分類號：TN43? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0069-03

Design of V Band Ultra Wideband Power Amplifier Chip

XU Wei

（The 13th Research Institute of CETC， Shijiazhuang? 050051， China）

Abstract： A V-band ultra wideband amplifier chip is introduced， which is fabricated by GaAs pHEMT process. The chip has the advantages of ultra wideband， high gain， high efficiency and small size. It is mainly used for RF signal amplification. The actual test results of the chip given by the microwave on-chip test system show that in the range of 50 GHz～66 GHz， the small signal gain is 24 dB～26 dB， the 1 dB compression output power is greater than 18 dBm， the current is less than 120 mA， the in-band input/output voltage standing wave ratio is less than 1.4：1， and the chip size is 3.20 mm × 1.40 mm × 0.07 mm。

Keywords： power amplifier; GaAs; ultra wideband; MMIC

0? 引? 言

近年來隨著芯片制造工藝的進步，微波單片集成電路逐漸向高頻率、寬頻帶、高效率等方向發展。由于大氣中氧分子和水汽分子的諧振吸收使V波段信號處于一個衰減峰，這使得V波段信號保密性強，在近距離通信領域得到了廣泛的應用。功率放大器是射頻系統中的關鍵器件，其功率決定了通信距離的長短、其效率對系統整體效率有較大的影響。

目前，對于V波段放大器芯片的研究主要集中GaN HEMT、GaAs pHEMT和硅基CMOS等工藝路線。硅基工藝芯片由于成本優勢得到了研究人員的青睞，但硅基放大器功率低、效率低、增益低。Akbarpour等人[1]報道了一款V波段65 nm硅基功率放大器，線性增益大于12.5 dB，飽和輸出功率僅11.5 dBm，功率附加效率僅7%。基于GaN HEMT工藝的功率放大器在較大輸出功率（0.5 W以上）具有明顯的優勢，但其功率增益低、工作電壓高。劉如青等人[2]報道了一款基于GaN HEMT的高功率MMIC，頻率覆蓋55 GHz ～ 65 GHz，，電壓20 V，帶內飽和輸出功率大于3W，功率附加效率大于22%。而基于GaAs pHEMT工藝的V波段放大器，主要不足是帶寬窄、功率增益小、效率低、電流大等。Chaki等人[3]報道了一款59 GHz GaAs功率放大器，輸出功率28.9 dBm、功率增益17.8 db、功率附加效率大于14.2%;Fujii等人[4]報道了一款GaAs功率放大器，其在40 GHz ～? 85 GHz漏源電壓3V時電流為500 mA、小信號增為18 dB、1 dB增益壓縮點輸出功率為14 dBm。

本文以GaAs PHEMT工藝單片集成電路技術為基礎，設計了50 GHz～66 GHz放大器芯片，并給出了芯片的研制結果。該芯片工作頻帶寬，增益高，效率高，為今后其他該類芯片設計提供了有益借鑒。

1? 總體方案

該功率放大器MMIC的工作頻率為50 GHz ～ 66 GHz、小信號增益大于20 dB、1 dB壓縮輸出功率大于18 dBm。功率放大器設計時需要根據需要的頻率、帶寬、增益、輸出功率等指標要求確定級聯數目和拓撲結構。功率放大器單片的電路結構有多種，常用的有分布式、負反饋式、有耗匹配、平衡式等幾種。分布式電路有較寬的頻帶、良好的輸入輸出駐波比等優點，但卻不易提高增益。平衡式電路的輸入、輸出駐波比好，平坦度好等優點，但有尺寸較大、效率低等缺點。負反饋式電路的增益平坦度較好，輸入、輸出駐波比也有所改善，但是犧牲增益來提升增益平坦度、損耗較大、效率低。有耗匹配電路的輸出功率高，平坦度好，但帶寬有一定限制。

設計目標結合器件特性、匹配網絡的損耗等方面，擬采用四級放大的結構來實現目標;采用平衡式結構，輸入級采用負反饋電路結構，以獲得良好的駐波比;級間和輸出匹配電路采用多節有耗電抗的結構為提升帶寬;增加阻性偏置網絡，消除奇模振蕩和參量自激;V波段寬度功率放大器電路原理圖如圖1所示。78B3293E-D178-40C9-B86C-84410D402017

2? 最佳功率與效率匹配設計

功率放大器設計就是在需要的帶寬內獲得足夠高的輸出功率和功率附加效率，這是設計的難點。功率附加效率PAE定義是[5]：

其中，G為放大器的功率增益，PL為輸出功率，PDC為放大器的直流功耗。由該公式，要提高電路PAE，則需要提高輸出功率PL和功率增益G，降低直流功耗。同時，匹配網絡的損耗應盡可能小，尤其是輸出匹配網絡。

GaAs器件的最佳效率阻抗和最大輸出功率阻抗不重合[5]。為了滿足功率和效率的設計要求，必須在功率和效率之間進行折中設計，Smith圓圖上選擇合適的區域滿足功率、效率的要求。

3? 電路優化與仿真設計

考慮器件在V波段內的功率密度以及電路增益要求，該放大器采用四級級聯放大，末級總柵寬約240 ?m，四級柵寬配比約為1：2：4：9。

第一級器件柵寬：40 ?m，貢獻增益約5.5 dB;第二級器件柵寬：80 ?m，貢獻增益約6.5 dB;第三級器件柵寬：160 ?m貢獻增益約6.5 dB;第四級器件柵寬：360 ?m貢獻增益約5.5 dB。具體器件尺寸及偏置情況如表1所示。

依據電路的拓撲結構和高精度的器件模型，采用微波CAD設計軟件根據電路指標要求，對所設計的電路的進行仿真。仿真過程采用循序漸進的原則先隨機優化后梯度優化的方法、先集中參數后分布參數、先大信號后小信號的方式進行，以提高設計效率。

電磁場和電路仿真相結合的方法，準確分析毫米波功放版圖布局對電性能的影響，從而獲得最佳版圖設計并減小芯片尺寸。V波段電磁互擾現象較明顯，采用電磁仿真獲得較佳的電性能和較小的芯片尺寸的折中設計，放大器全版電磁場仿真3D圖如圖2所示。

4? 測試結果

圖3為所研制的芯片實物照片，芯片尺寸為3.20 mm× 1.40 mm。采用矢量網絡分析儀與微波探針臺組成的微波在片測試系統，

測試結果表明，在50 GHz～66 GHz工作頻帶內，Vd= +5 V，Vg=-0.4 V時動態工作電流120 mA小信號增益24 dB～? 26 dB如圖4（a）所示，1 dB壓縮輸出功率大于18 dBm如圖4（b）所示，全頻帶輸入/輸出電壓駐波比小于1.4：1如圖4（c）所示，與國際同類產品相比，達到較高的水平。

5? 結? 論

基于GaAs MMIC技術，采用GaAs pHEMT工藝設計驗證了50 GHz～66 GHz GaAs V波段功率放大器，通過微波在片測試評果可以看出，在50 GHz～66 GHz范圍內獲得了良好的電性能，信號增益24 dB～26 dB，1dB壓縮輸出功率大于18 dBm，工作電流小于120 mA，全頻帶輸入輸出電壓駐波比小于1.4：1，芯片尺寸僅3.20 mm×1.40 mm× 0.07 mm。滿足了系統應用對寬帶放大器的急需。

參考文獻：

[1] AKBARPOUR M，HELAOUI M，GHANNOUCHI F M. Efficiency optimized 60 GHz CMOS power amplifier for high PAPR signals [C]//Proceedings of Global Symposium on Millimeter-Waves.Montreal：IEEE，2015： 1-3.

[2] SHIN C，AMASUGA H，GOTO S，et al. A V-band high power and high gain amplifier MMIC using GaAs PHEMTtechnology [C]//compound semiconductor integrated circuits symposium. Monterey：IEEE，2008：1-4.

[3] FUJII K，STANBACK J，MORKNER H. 40 to 85 GHz power amplifier MMICs using an optical lithography based low cost GaAs PHEMT process [C]//Proceedings of European Microwave Conference. Rome：IEEE，2009：503-506.

[4] 劉如青，劉帥，高學邦，等.V波段3W GaN功率放大器MMIC [J].半導體技術，2021，46（8）：599-603+634.

[5] POZAR D M.微波工程 [M].張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業出版社，2008.

作者簡介：徐偉（1989—），男，漢族，陜西城固人，工程師，碩士，研究方向：微波毫米波單片集成電路設計。78B3293E-D178-40C9-B86C-84410D402017