7～8 GHz单片集成高功率氮化镓功率放大器

游恒果，冯威，倪帅

（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

微波单片集成 （MMIC:Monolithic Microwave Integrated Circuit）大功率放大器和混合集成电路相比，具有集成度高、增益大、可靠性高和一致性好等诸多优点，可广泛地应用在通信、雷达等领域，是微波收发系统中不可缺少的关键部件。在GaN功率器件出现之前，该频段输出功率为60 W以上的功率放大器需要用空间功率合成技术或者行波管放大器 （TWTA）来实现[1]，并且这种功率放大器体积大、效率低。为了研制能够同时达到输出功率大 （80 W）、功率附加效率 （PAE）高和工作稳定性高等要求的功率放大器MMIC，本文采用GaN HEMT工艺，成功研制出了一款输出功率为80 W、PAE高和稳定性好的7～8 GHz波段MMIC功率放大器[1-3]。

1 GaN HEMT工艺和器件特性

本文研究了产品基于SiC衬底的GaN HEMT工艺 （如图1所示），主要分为有源器件和无源器件两个部分进行介绍。其中，有源器件主要采用深亚微米栅制作，包括钝化、刻蚀和有源器件之间的台面隔离等；制造无源器件的工艺包括表面金属互联、背面通孔互联、MIM电容和薄膜电阻制作等。采用GaN HEMT工艺制造的GaN HEMT有源器件的直流特性参数如表1所示，其中，Vgs为栅极偏置电压；Ids为漏极饱和电流；Imax为器件最大饱和漏极电流；BVsd为源极和漏极之间的击穿电压；Vto为夹断电压；Igd为栅漏电流。有源器件在某一栅极和漏极偏置电压下的频率特性曲线如图2所示。依据器件H参数 （H21）和单向最大功率增益（GU），以及按照器件增益-6 dB/每倍频程的下降规律，可以推算出器件的电流截止频率 （fT）为23 GHz，最大功率截止频率（fMAX）大于55 GHz。

图1 双场板AlGaN/GaN HEMT的工艺剖面图 [4]

表1 GaN HEMT器件的直流参数

图2 Ids=30%Imax时GaN HEMT器件的频率特性曲线

2 电路设计

2.1 拓扑结构设计和参数优化

在进行功率放大器的电路设计时，首先要根据80 W输出功率的要求来确定功率输出级器件的大小。基于可定标大信号模型所做的尺寸为6 μm×130 μm栅宽器件的Load-Pull仿真曲线如图3所示，器件模型的提取方法参考文献 [4]。从图3中得到其最大的输出功率为38.78 dBm，最高附加效率超过60%，并提供8 dB的功率增益 （Gp）。综合地考虑输出匹配网络的损耗有0.5～0.6 dB和器件工作在极限温度条件的情况，功率放大器单片的末级采用16个6 μm×130 μm栅条宽度的有源器件并联的电路结构，以保证功率放大器单片有足够的功率输出和PAE。

其次，根据电路大于20 dB的功率增益要求，结合各级匹配网络以及电路稳定网络所带来的大约7 dB的损耗，电路结构选取3级有源器件放大形式，放大器电路的工作原理图如图4所示。3级有源器件的栅条宽度分别为 2 μm×4 μm×75 μm，4 μm×6 μm×75 μm 和 16 μm×6 μm×130 μm。 无源器件的阻抗匹配网络按照先输出后输入的顺序进行设计优化，分别优化每级有源器件的输入阻抗和输出阻抗，得到每级器件的最佳源阻抗和负载阻抗的匹配网络。每级无源器件匹配网络中的微带线、电感和电容的参数设计优化采用S参数小信号仿真。同时，为了避免出现仿真尺寸在实际的版图中无法实现的情况，需要对各个无源元件的版图进行预布局验证。最终优化后第一级有源器件输入级、第一级有源器件输出和第二级有源器件输入级、第二级有源器件输出和第三级有源器件的输入级、第三级有源器件的输出级匹配网络的损耗分别为3.2、2.3、1、0.5 dB。电路输出功率和PAE的仿真结果如图5-6所示。

图 3 6 μm×130 μmGaN HEMT 器件的 Load-Pull仿真曲线

图4 电路拓扑结构图

图5 输出功率的仿真结果

图6 PAE的仿真结果

2.2 稳定性分析

大功率放大器为了获得高的输出功率和高的PAE，功率器件通常需要工作在稳定圆的边界，但是此时电路有可能会出现工作不稳定的现象。因此，研制适合工程化应用的大功率放大器的最大困难并不是达到输出功率和效率指标的要求，而是保证电路的稳定性。要想保证电路稳定可靠地工作，则需要保证电路在规定的应用条件下不会出现自激、杂散、分频或热烧毁等现象。文献 [5-16]中对功放电路的各种不稳定现象进行了较为详细的论述，本文不再赘述。本电路在稳定性设计方面充分地借鉴了上述文献中的理论和技术，根据本电路的具体特点和要求，在电路设计过程中对各种不稳定现象进行了仿真验证，并采取了相应的防范措施。

2.3 版图设计

在原理图的基础上，经过电磁兼容和网络优化后，进行电路版图的设计。在进行版图设计时，需要对每级匹配网络进行电磁场仿真，综合考虑电路性能、芯片散热、电路可靠性和芯片面积等因素。经过反复优化设计电路，最终研制完成了功率放大器芯片，其图片如图7所示，芯片面积尺寸为3.8 mm×4.1 mm。

图7 高功率放大器单片照片

3 测试结果和分析

功放芯片的输出功率测试曲线和PAE的测试曲线如图8-9所示，从图8-9中可以看出在Vds=38 V，Vgs=-2 V，Pin=28 dBm的测试条件下，芯片在7～8 GHz频带内的输出功率 （Pout）大于 80 W，PAE大于40%。

为了验证芯片的稳定性，根据工程应用的要求，在-55～85℃温度范围内对电路进行了Vds=0～38 V电压下的自激测试和输入功率Pin=20～32 dBm下的杂散和分频测试，结果显示芯片未出现不稳定现象。

图8 大功率放大器输出功率

图9 大功率放大器的PAE

4 结束语

本文采用GaN HEMT工艺研制了一款单片集成7～8 GHz、80 W大功率放大器。通过合适的器件尺寸选择和电路匹配网络优化，实现了高性能的MMIC放大器，其输出功率达到了80 W，PAE大于40%。为了保证芯片能够稳定可靠地工作在复杂的工程条件下，对芯片电路的稳定性进行了详细的分析，并采取了相应的预防措施。