V波段超宽带功率放大器芯片的设计

摘  要：介绍了一款V波段超宽带放大器芯片，采用GaAs pHEMT工藝制作。该芯片具有超宽带、高增益、高效率、小尺寸等优点，主要用于射频信号放大。微波在片测试系统对该芯片实际测试结果显示，在50 GHz～66 GHz范围内，小信号增益24 dB～26 dB，1 dB压缩输出功率大于18 dBm，电流小于120 mA，带内输入/输出电压驻波比小于1.4：1，芯片尺寸为3.20 mm×1.40 mm×0.07 mm。

关键词：功率放大器;砷化镓;超宽带;微波单片集成电路

中图分类号：TN43            文献标识码：A文章编号：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

近年来随着芯片制造工艺的进步，微波单片集成电路逐渐向高频率、宽频带、高效率等方向发展。由于大气中氧分子和水汽分子的谐振吸收使V波段信号处于一个衰减峰，这使得V波段信号保密性强，在近距离通信领域得到了广泛的应用。功率放大器是射频系统中的关键器件，其功率决定了通信距离的长短、其效率对系统整体效率有较大的影响。

目前，对于V波段放大器芯片的研究主要集中GaN HEMT、GaAs pHEMT和硅基CMOS等工艺路线。硅基工艺芯片由于成本优势得到了研究人员的青睐，但硅基放大器功率低、效率低、增益低。Akbarpour等人[1]报道了一款V波段65 nm硅基功率放大器，线性增益大于12.5 dB，饱和输出功率仅11.5 dBm，功率附加效率仅7%。基于GaN HEMT工艺的功率放大器在较大输出功率（0.5 W以上）具有明显的优势，但其功率增益低、工作电压高。刘如青等人[2]报道了一款基于GaN HEMT的高功率MMIC，频率覆盖55 GHz ～ 65 GHz，，电压20 V，带内饱和输出功率大于3W，功率附加效率大于22%。而基于GaAs pHEMT工艺的V波段放大器，主要不足是带宽窄、功率增益小、效率低、电流大等。Chaki等人[3]报道了一款59 GHz GaAs功率放大器，输出功率28.9 dBm、功率增益17.8 db、功率附加效率大于14.2%;Fujii等人[4]报道了一款GaAs功率放大器，其在40 GHz ～  85 GHz漏源电压3V时电流为500 mA、小信号增为18 dB、1 dB增益压缩点输出功率为14 dBm。

本文以GaAs PHEMT工艺单片集成电路技术为基础，设计了50 GHz～66 GHz放大器芯片，并给出了芯片的研制结果。该芯片工作频带宽，增益高，效率高，为今后其他该类芯片设计提供了有益借鉴。

1  总体方案

该功率放大器MMIC的工作频率为50 GHz ～ 66 GHz、小信号增益大于20 dB、1 dB压缩输出功率大于18 dBm。功率放大器设计时需要根据需要的频率、带宽、增益、输出功率等指标要求确定级联数目和拓扑结构。功率放大器单片的电路结构有多种，常用的有分布式、负反馈式、有耗匹配、平衡式等几种。分布式电路有较宽的频带、良好的输入输出驻波比等优点，但却不易提高增益。平衡式电路的输入、输出驻波比好，平坦度好等优点，但有尺寸较大、效率低等缺点。负反馈式电路的增益平坦度较好，输入、输出驻波比也有所改善，但是牺牲增益来提升增益平坦度、损耗较大、效率低。有耗匹配电路的输出功率高，平坦度好，但带宽有一定限制。

设计目标结合器件特性、匹配网络的损耗等方面，拟采用四级放大的结构来实现目标;采用平衡式结构，输入级采用负反馈电路结构，以获得良好的驻波比;级间和输出匹配电路采用多节有耗电抗的结构为提升带宽;增加阻性偏置网络，消除奇模振荡和参量自激;V波段宽度功率放大器电路原理图如图1所示。78B3293E-D178-40C9-B86C-84410D402017

2  最佳功率与效率匹配设计

功率放大器設计就是在需要的带宽内获得足够高的输出功率和功率附加效率，这是设计的难点。功率附加效率PAE定义是[5]：

其中，G为放大器的功率增益，PL为输出功率，PDC为放大器的直流功耗。由该公式，要提高电路PAE，则需要提高输出功率PL和功率增益G，降低直流功耗。同时，匹配网络的损耗应尽可能小，尤其是输出匹配网络。

GaAs器件的最佳效率阻抗和最大输出功率阻抗不重合[5]。为了满足功率和效率的设计要求，必须在功率和效率之间进行折中设计，Smith圆图上选择合适的区域满足功率、效率的要求。

3  电路优化与仿真设计

考虑器件在V波段内的功率密度以及电路增益要求，该放大器采用四级级联放大，末级总栅宽约240 ?m，四级栅宽配比约为1：2：4：9。

第一级器件栅宽：40 ?m，贡献增益约5.5 dB;第二级器件栅宽：80 ?m，贡献增益约6.5 dB;第三级器件栅宽：160 ?m贡献增益约6.5 dB;第四级器件栅宽：360 ?m贡献增益约5.5 dB。具体器件尺寸及偏置情况如表1所示。

依据电路的拓扑结构和高精度的器件模型，采用微波CAD设计软件根据电路指标要求，对所设计的电路的进行仿真。仿真过程采用循序渐进的原则先随机优化后梯度优化的方法、先集中参数后分布参数、先大信号后小信号的方式进行，以提高设计效率。

电磁场和电路仿真相结合的方法，准确分析毫米波功放版图布局对电性能的影响，从而获得最佳版图设计并减小芯片尺寸。V波段电磁互扰现象较明显，采用电磁仿真获得较佳的电性能和较小的芯片尺寸的折中设计，放大器全版电磁场仿真3D图如图2所示。

4  测试结果

图3为所研制的芯片实物照片，芯片尺寸为3.20 mm× 1.40 mm。采用矢量网络分析仪与微波探针台组成的微波在片测试系统，

测试结果表明，在50 GHz～66 GHz工作频带内，Vd= +5 V，Vg=-0.4 V时动态工作电流120 mA小信号增益24 dB～  26 dB如图4（a）所示，1 dB压缩输出功率大于18 dBm如图4（b）所示，全频带输入/输出电压驻波比小于1.4：1如图4（c）所示，与国际同类产品相比，达到较高的水平。

5  结  论

基于GaAs MMIC技术，采用GaAs pHEMT工艺设计验证了50 GHz～66 GHz GaAs V波段功率放大器，通过微波在片测试评果可以看出，在50 GHz～66 GHz范围内获得了良好的电性能，信号增益24 dB～26 dB，1dB压缩输出功率大于18 dBm，工作电流小于120 mA，全频带输入输出电压驻波比小于1.4：1，芯片尺寸仅3.20 mm×1.40 mm× 0.07 mm。满足了系统应用对宽带放大器的急需。

参考文献：

[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] 刘如青，刘帅，高学邦，等.V波段3W GaN功率放大器MMIC [J].半导体技术，2021，46（8）：599-603+634.

[5] POZAR D M.微波工程 [M].张肇仪，周乐柱，吴德明，等译.北京：电子工业出版社，2008.

作者简介：徐伟（1989—），男，汉族，陕西城固人，工程师，硕士，研究方向：微波毫米波单片集成电路设计。78B3293E-D178-40C9-B86C-84410D402017