E波段GaAs PHEMT工艺有源六倍频器MMIC

陈长友 刘会东 崔璐

摘  要：基于GaAs赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺设计了一款输出频率在E波段的有源六倍频器微波单片集成电路（MMIC）。片上集成六倍频器及输出驱动放大器，采用PHEMT管进行倍频，具有较高输出功率及较小的芯片尺寸。在片探针测试结果显示该倍频器芯片在输入功率5 dBm时，输出66～88 GHz频率范围内，输出功率大于13 dBm，谐波抑制20 dBc，功耗600 mW，芯片尺寸为3.0 mm×1.4 mm×0.07 mm。

关键词：GaAs 赝配高电子迁移率晶体管；单片微波集成电路；E 波段；有源六倍频器

中图分类号：TN43  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0060-04

Abstract： An active sextupler MMIC with output frequency in the E-band is designed based on the GaAs PHEMT process. The wafer integrates sextupler and output drive amplifier， adopts PHEMT for frequency doubler， which has higher output power and smaller chip size. The microwave probe on wafer testing system results show that when the input power of the frequency multiplier chip is 5 dBm， output power is within the frequency range from 66 to 88 GHz， the output power is above 13 dBm， the harmonic suppression is 20 dBc， and the power consumption is 600 mW， and the chip size is 3.0 mm×1.4 mm×0.07 mm.

Keywords： GaAs Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor; Monolithic Microwave Integrated Circuit; E-band; active sextupler

0  引  言

近年来，随着无线通信技术的快速发展，无线通信系统的工作频率正逐渐向着微波毫米波频段以及亚毫米波延伸。毫米波收发组件是毫米波系统的核心部分，而毫米波源的性能将直接影响毫米波收发系统的性能，因此，毫米波源可以说是毫米波系统核心的核心[1]。在毫米波频段，由于VCO性能指标较差，因此毫米波频率源多采用震荡源级联倍频器的方式实现，毫米波倍频器主要由倍频器和驱动放大器两部分电路组成，倍频次数及放大器级数由实际需求决定。倍频器作为毫米波源的重要部分，可以大幅降低系统主振频率，同时由于其产生的信号稳定性、相位噪声特性好，芯片尺寸小、集成度高、易于小型化集成而被广泛应用于各种通信系统的微波、毫米波收发链路中[2]。

有源倍频器通过晶体管的非线性来产生所需要的谐波信号，采用滤波器或巴伦等电路来实现谐波抑制和信号提取，通过外加直流偏置，获得较低的变频损耗甚至是变频增益。相对于无源倍频器来说，有源倍频器所需驱动功率较低，同时可获得一定的信号增益，能提高芯片集成度，减小系统面积[3]。传统毫米波倍频器多采用肖特基二极管进行倍频[4]，输出级联毫米波放大器进行功率输出，该结构具有较低的倍频效率，同时增加了毫米波频段放大器的设计难度。有源pHEMT管进行倍频，其驱动功率较低，在一定输入功率范围内，输出功率不随输入功率变化，减少了放大器的应用，降低了整个芯片的尺寸和功耗，同时缓解了末级放大器的设计压力。因此本文创新性的采用GaAspHEMT管进行倍频器设计，降低毫米波频段放大器的设计难度，同时降低倍频器的功耗和尺寸。设计了一款66～88 GHz宽带有源六倍频器芯片，采用二倍频器级联三倍频器的方式实现，输出功率达到15 dBm，芯片面积：3.0 mm×1.4 mm。

1  六倍频器结构分析和电路设计

倍频器是通过非线性器件对输入的低频信号进行频率倍增，输出基波的N次谐波信号。由于直接进行倍频器六次谐波提取会具有较低的倍频效率，而且无法得到宽带性能，因此本文采用了三倍频级联二倍频的方案来实现六倍频的功能。本文中所设计的有源六倍频器电路原理框图如图1所示，输入集成有源三倍频器、驱动放大器以及有源二倍頻器实现六倍频功能，采用滤波选频网络实现有用信号输出，同时抑制其他谐波分量。输出集成三级驱动放大器，同时级间匹配滤波网络，实现E波段信号放大输出，杂波信号抑制。有源倍频器内部变频器件工作在亚阈值状态，且倍频之前对输入信号进行了放大，产生的多次谐波分量经后级滤波及放大器电路，使输出信号足够大且谐波足够小。低频段采用高次倍频，可以提高倍频效率，降低系统功耗，减小对末级毫米波放大器的设计压力，因此第一级采用有源三倍频器；中间级Ka波段驱动放大器对三倍频输出信号进行放大，用以驱动后级二倍频器；末级集成三级E波段驱动放大器对输出信号进行放大，实现所需信号输出。

有源二倍频器及有源三倍频器电路原理图如图2所示，输入采用低通匹配网络，降低输入信号传输损耗，同时抑制高次谐波信号进入。输出采用带通滤波结构，输出有用信号，抑制基波及谐杂波信号输出，提高倍频器基波及谐波抑制比。栅、漏馈电网络主要防止微波信号和直流信号在偏置网络中互相干扰，馈电网络采用并联电容滤除低频信号，防止低频自激振荡；栅级串联电阻用于抑制栅极泄漏电流，降低微波信号从栅极偏置网络泄漏的能量；漏极串联电阻用于偏置工作点选取，同时提高电路稳定性；漏端厄流微带传输线用于隔绝微波信号和直流加电信号，提高电路的稳定性[5]。

为获取最大谐波分量，最优的偏置电压为Vgs0工作在接近器件夹断电压，并使器件工作在饱和区[6]。本文设计的有源三倍频器采用4 μm×25 μm晶体管，通过电阻分压，使得漏级电压Vds为1.5 V，栅级电压Vgs为-0.2 V；有源二倍频器采用4 μm×20 μm晶体管，通过电阻分压，使得漏级电压Vds分别为1.3 V，栅级电压Vgs为-0.2 V。

本文倍频器工作带宽较宽，存在谐波与有用信号交叠，因此需要着重设计考虑谐波抑制度指标。该有源六倍频器采用pHEMT管进行设计，谐波抑制能力主要通过级间匹配和滤波网络实现，将一定频率范围信号与其余信号分离出来，从而实现有用信号的输出和对谐波的抑制。滤波网络可对带外谐波进行有效抑制，但是当谐波频率在通带内部时，只能通过电路自身匹配和合理选择放大器增益实现对带内谐波抑制。通過内部匹配，合理优化匹配网络，降低谐波功率，并通过合理规划放大器输出功率及增益，避免当有用信号饱和后，谐波信号被线性放大，从而提升谐波抑制能力。

倍频器输出端采用带通滤波器进行选频网络设计，滤波器的插入损耗将影响倍频器输出功率，从而增加电路功耗，因此需要设计一款低插损高抑制度的滤波器芯片。本文设计的带通滤波器芯片原理图如图3所示，采用开路微带线、金属－绝缘体－金属（MIM）电容以及并联接地线组成，通过高通滤波器上叠加滤波扇形线，实现通带选择[7]。经过电磁场仿真优化设计，其在通带66～88 GHz内拥有较低的插入损耗，带外具有较好的阻带抑制度，因此可以实现倍频器有用信号的输出以及对谐波的抑制，使电路具有较好的谐波抑制度。

PHEMT器件输入、输出端口阻抗会随输入激励信号功率而改变，倍频器将在最佳输入功率时获得最大的倍频效率。本文六倍频器由三倍频器和二倍频器级联实现，为驱动后级毫米波二倍频器，中间需要级联Ka波段单级驱动放大器对三倍频器输出信号进行放大，放大器输出采用高通滤波结构进行匹配，对输入三倍频器基波及二次谐波信号进行抑制。放大器采用4 μm×25 μm晶体管，通过电阻分压，使得漏级电压Vds为2.2 V，栅级电压Vgs为-0.2 V。

为了尽可能提高六倍频器在E波段的输出功率，本文在倍频器末级设计了一款三级驱动放大器，其电路拓扑结构如图4所示。毫米波频段为降低级间匹配损耗，尽可能采用无耗匹配网络，放大器与倍频器采用共轭匹配以获得最小反射损耗及最大功率传输，避免由于失配而导致的放大器能量反射，采用一体化设计将倍频器与驱动放大器进行级联匹配设计，简化匹配网络，减少多余的匹配损耗。级间采用并地电容，抑制谐波分量，提高倍频器谐波抑制度。综合考虑增益和输出功率等诸多因素后，本文输出放大器三级分别采用2 μm×40 μm、4 μm×30 μm、4 μm×35 μm晶体管，三级晶体管通过电阻分压，使得漏级电压Vds分别为1.8 V、2.2 V、3 V，栅级电压Vgs为-0.2 V。输入输出端口阻抗均匹配到标准的50欧姆以满足在片测试及系统级联的要求。DC偏置线采用并联去耦电容，提供虚地，屏蔽外部信号的干扰。

本文设计的有源六倍频器工作在E波段，由于基本的无源器件性能在高频电路应用中，与理想器件的特征存在很大差异，因此需要对整版电路进行电磁场（EM）仿真来评估电磁耦合效应对电路性能的影响。通过电磁仿真和验证相结合的方法寻求合理的版图布局，获得较佳电性能的同时减小芯片面积。在版图设计的同时还要兼顾工艺的可实现性，确保芯片面积尽可能小的同时，考虑带线与带线、带线与器件间的耦合效应。根据仿真结果调整优化版图布局，增加敏感元件间隙，接地元件独立接地，降低微波传输线、微波元器件之间的耦合效应。

2  测试结果分析

本文设计的有源六倍频器MMIC采用90 nm栅长的标准GaAs PHEMT工艺制作，其工艺流程主要包括有源区制作、源漏欧姆接触制作、T型栅制备、栅极欧姆接触制备、表层SiN保护、接地背孔制备等。芯片中微波传输线采用两层金属布线，通过空气桥互联，芯片采用背面通孔接地，表面覆盖氮化硅保护，有效降低器件寄生效应对电路的影响。芯片尺寸为3.0 mm×1.4 mm×0.07 mm，输入输出采用GSG压点，便于微波探针在片测试及系统应用。

66～88 GHz有源六倍频器芯片输出功率及谐波抑制度可通过在片测试得到。图5、图6a、图6b为本文设计的有源六倍频器芯片在输入功率5 dBm，漏极电压为4 V、栅极电压为-0.2 V时倍频器输出功率及各次谐波输出功率实测及仿真曲线。

由图5可以看出，在66～88 GHz频带内，有源六倍频器输出功率大于13 dBm，仿真结果与测试结果整体趋势相近。

由图6a可以看出，该有源六倍频器的五次谐波输出功率小于1 dBm，通过计算可得五次谐波抑制度典型值20 dBc。

由图6b可以看出，该有源六倍频器的七次谐波输出功率小于-5 dBm，通过计算可得七次谐波抑制度典型值25 dBc。

由图5、图6a、图6b曲线分析可看出，相比仿真曲线，实测曲线向低频段偏移，整体趋势相似，因此后续可继续对模型及仿真方法进行优化拟合，提高设计精度。

3  结  论

本文基于标准的GaAs PHEMT工艺，设计开发了一款66～88 GHz的E波段有源六倍频器芯片，该电路不同于传统肖特基二极管倍频模式，采用PHEMT管进行倍频器设计，使得倍频器具有较高的输出功率、较小的芯片尺寸及较低的功耗。实测结果表明，输入功率5 dBm时，该有源六倍频器芯片在66～88 GHz频率范围内，输出功率大于13 dBm，谐波抑制度典型值20 dBc，芯片尺寸3.0 mm×1.4 mm×0.07 mm，呈现出了良好的端口阻抗特性，该E波段有源六倍频器芯片为以后毫米波有源倍频器设计提供了一定的思路和基础。

参考文献：

[1] 薛昊东，吴洪江，王雨桐.F频段三倍频放大多功能芯片设计与实现 [J].半导体技术，2019，44（10）：762-766+789.

[2] HUNG C C，CHIONG C C，CHEN P，et al. A 72-114GHz Fully Integrated Frequency Multiplier Chain for Astronomical Applications in 0.15-um Mhemt Process [C]//Proceedings ofthe 40th European Microwave Conference.Paris：France，2010：81-84.

[3] 吳永辉.GaAs PHEMT工艺V波段有源二倍频器MMIC [J].半导体技术，2015，40（7）：481-484+493.

[4] ZHANG X Y，YU H X，XU H，et al. Desigh of a high-performance balanced frequency tripler at 94ghz [C]//IET International Radar Conference 2013.Xi'an：IEEE，2013：1-3.

[5] 刘会东，朱宝石，朱思成，等.一款毫米波超宽带GaN MMIC低噪声放大器 [J].半导体技术，2020，45（12）：931-935+956.

[6] ABDO-TUKO M，RALF B，WOLFF I.Abalanced Ka-bandGaAs FET MMIC Frequency Doubler [J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1994，4 （7）：217-219.

[7] CHEN G Y，WU Y S，CHANG H Y，et al. A 60–110 GHz low conversion loss tripler in 0.15-µm MHEMT process [C]//2009 Asia Pacific Microwave Conference.Singapore：IEEE，2009：377-380.

作者简介：陈长友（1990—），男，汉族，天津人，工程师，硕士研究生，主要研究方向：微波单片集成电路设计。