L波段5W InGaP/GaAs HBT功率放大器

游恒果，蔡道民

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄，050051）

0 引言

我国自主研发的卫星通信系统逐步完善，其性能与国外系统相媲美，导致各种围绕卫星通信系统的应用层出不穷。而地面手持终端的射频前端模组，尤其是其包含的功率放大器，则是非常关键的核心器件，制约着终端产业的发展。

InGaP/GaAs异质结晶体管(HBT)因其材料体系和垂直结构等多方面的特点，具有功率密度大、线性好和阈值电压一致性好等优势，成为无线通信领域，尤其是手持终端功率放大器的宠儿[1-2]，也是卫星通信终端放大器首选。目前，该类终端放大器国外主要有SKYWORKS,QARVO和BROADCOM 等射频巨头[3-4]，但针对国内卫星通信的产品较少；国内该类研究和产品则更少，主要有苏州英若讯、中科微电子所[5-6]等，其性能有待提升。

本文介绍了基于自主的GaAs HBT制程，实现急需的大功率、高线性和高效率的射频功率放大器的研究工作，主要包括InGaP/GaAs HBT 器件工艺、放大器设计和制作，放大器性能测试等，该功率放大器可广泛应用于卫星通信等无线终端领域。

1 InGaP/GaAs HBT工艺和器件特性

InGaP/GaAs HBT工艺沿用传统的三台面工艺，工艺主要流程主要包括有源器件制作和无源器件制作两部分。其中有源器件制作工艺是核心工艺，包含发射极、基极和集电极三台面形成，以及各低欧姆接触电极制作，多重离子注入隔离和台面之间的SiN侧墙保护等;无源部分工艺则主要包括金属薄膜电阻、MIM电容、金属互联线和钝化隔离保护的SiN及覆聚酰亚胺(PI)。图1(a)和（b）分别是发射极面积为3×12×4μm2器件的共发射极I-V特性曲线和无谐波的Laodpull曲线，直流增益约为80（Ib 电流从 10μA～100μA），补偿电压 Vceoあset约为 0.1V，膝点电压约为0.5V (Ic 电流为30mA),集电极-发射极击穿电压BVCEO≥14V(电流为10μA);从图1（b）中可知，该面积器件的PAE大于62%（没有考虑谐波调谐），输出功率大于20dBm,功率增益大于13dB。

图1

2 放大器设计和制作

■2.1 设计目标

针对通信应用，拟达到目标如表1所示。

表1 设计指标

矢量误差信号ACPR（%） ≤5 PI/4 QPSK，21.6kHz滚降系数0.35领道抑制比ACPR(dBc) ≤-25增益S21（dB） ≥37 VCC=5V，ICQ=300mA驻波VSWR ≤2

■2.2 电路架构

首先根据表1所示的技术指标进行指标分解，对于难点指标，如效率、线性和输出功率，重点关注。

首先根据单元HBT器件的最大增益MAXGAIN和设计目标需要达到的增益，选用三级放大结构；其次确保HBT器件长期、可靠工作，尤其是防止HBT器件发生热斑效应（热正反馈），选择各级合适的工作电流密度。据此，末级工作电流密度0.15mA/μm2，确保高的效率，同时选用前面所述的64个3×12×4μm2单元器件并联，不仅实现总输出功率大于38dBm,而且增益大于13dB;驱动级工作电流为0.2mA/μm2，采用8个3×12×4μm2器件并联，提供线性输出功率27dBm，提供13-14dB增益；前级工作电流为0.25mA/μm2，采用2个3×12×4μm2器件并联，并借助RC负反馈，提升稳定性，线性输出功率大于17dBm并提供13-15dB增益，图2是采用的电路示意图。

图2 功率放大器电路图

■2.3 电路偏置和匹配实现

偏置电路是HBT类放大器的难点之一，采用如图3所示的自适应偏置电路实现线性提升和宽温度域的电流补偿。该电路具有以下特点：其一调节RP和CP的数值大小，实现信号分流，进而实现自适应调节偏置状态，提升线性；其二，通过电容CIN，实现良好射频到地；其三，调整晶体管QA1和QA2尺寸，实现温度补偿。

匹配电路不仅实现阻抗变换，而且具有波形整形，确保电路在全频带和宽温度领域内实现稳定，无自激。整个电路包括输出匹配、二三级级间匹配、一二级级间匹配和输入匹配。其中输出匹配对输出功率、效率影响最大，由于工作频段相对低，导致片上电感的Q值较低，大约5～8左右，导致损耗大。故采用片外匹配，实现低损耗匹配。输出匹配电路拓扑结构采用LCLC两节低通匹配，并在晶体管输出根部通过LC谐振于二次谐波，实现谐波调谐，提升P_1dB下的效率提升。图4是仿真结果，损耗大约0.6dB,阻抗大约用 1.5～2Ω。

图3 自适应偏置偏置电路

最后，借助仿真软件，实现基于PCB板的外匹配和GaAs基的MMIC链路仿真,实现原理图到版图的转换,图5是完成制作的整个电路照片。

图4 输出匹配损耗

图5 放大器芯片(1.3mm×1.7mm)

3 放大器测试结果和分析

■3.1 小信号特性

放大器偏置条件为Vcc=5 V，Icc=300mA，利用矢量网络分析仪和CASCADE微波探针台，结合微波探针，采用TRL传输校准方法，测试器件的S参数。其中S21大于39,S11小于-14dB，S22小于-10dB，达到目标要求。

图6 测试放大器小信号性能在VCC=5V，ICC=300mA

■3.2 输出功率和效率

放大器偏置条件为Vcc=5 V，Icc=300mA，利用信号源和功率计测试功率放大器的大信号相关特性，主要包括饱和输出功率（Pout）、功率附加效率（PAE）和大信号增益（Gp）等技术指标。测试结果表明，在整个频率范围内，功率放大器的Pout≥38 dBm，PAE≥55%，Gp≥38 dB，图7为输出功率和效率随频率变化曲线。

图7 测试放大器输出功率和功率附加效率随频率变化曲线在VCC=5V，ICC=300mA

■3.3 放大器线性特性

放大器偏置条件为 VCC=5V，ICC=300mA，利用矢量信号源，频谱仪测试功率放大器的线性相关特性。波频率为1.615GHz,采用PI/4QPSK调制信号，频率间隔21.6kHz和滤波器滚降系数0.35，在调制输出功率为36dBm下，测试其EVM指标小于5%，第一临道抑制比小于-27dBc。图8（a）和（b）分别是EVM和ACPR随输入功率变化曲线。

图8

从上述测试图表可以得到，研制的终端放大器具有高功率、高效率和高线性特性，相关测试结果与设计指标吻合度较高，满足调制带宽通信要求。

表2为国外同类产品性能对比数据，表中f为频率，G为增益，ACPR1为输出三阶互调点。通过对比分析，本款功率放大器芯片在功率、效率和线性等核心技术指标方面达到国际主流水平。

表2 国内外同类产品对比分析

4 结论

采用自主InGaP/GaAs HBT技术，借助GaAs MMIC和辅助PCB板外匹配架构，通过选择合适的器件尺寸和偏置条件以及匹配，实现高性能的终端放大器，其POUT≥38 dBm，PAE≥ 55%，P_1≥ 37dBm，PAEP_1≥ 50%，ACPR≤-27dBm，EVM≤5%，满足PI/4QPSK调制信号下的卫星通信协议，该放大器可广泛应用于无线通信等领域。

* [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]冯威，戚伟，等.5W ISM 波段InGaP/GaAs HBT 功率放大器MMIC[J].半导体技术，2010，3：286—290.