ka波段mmic功率放大器芯片设计

摘要
摘要
现代人类的便捷生活离不开各种无线通信系统的支持。

作为无线通信收发机中的关键部件，功率放大器（Power Amplifier, PA）对系统的通信距离、工作时长以及体积大小都有着非常重要的影响。

凭借高性能、小尺寸、高可靠性等诸多优势，单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）技术目前已成为毫米波功率放大器实现的主流方式。

本文基于0.15 um GaAs PHEMT MMIC工艺，设计研制出一款面向卫星通信终端应用的Ka波段高效率MMIC功率放大器。

为了提高功放的效率，功放芯片被偏置在AB类，并在设计时特地优化了输出级匹配网络对二次谐波的抑制能力。

设计的功放芯片的电磁仿真结果表明，在29 GHz~31 GHz频率范围内，功放的输入输出端口驻波比（V oltage Standing Wave Ratio, VSWR）小于1.8，线性增益大于19.2 dB，1dB压缩点输出功率（P1dB）大于24 dBm，饱和输出功率（Saturated Output Power, Psat）超过25 dBm，饱和输出功率下功率附加效率（Power Added Efficiency, PAE）达到33.4%。

当输出功率为24 dBm时，功放芯片的直流功耗为1.018 W。

根据仿真得到的直流功耗，本文对功放芯片的热量产生及散热机制进行了分析，建立了功放芯片的热特性仿真模型，应用ANSYS软件仿真了功放芯片的热特性。

仿真结果表明，在环境温度为45 ℃时，仅考虑传导散热的情况下，功放芯片工作时晶体管的沟道温度最高为90.5 ℃，没有超出工艺的最高温度限制。

本文对流片加工的功放芯片的性能进行了在片测试。

在片测试结果表明，在29 GHz~31 GHz频率范围内，功放芯片输入输出端口电压驻波比小于2，线性增益达到19.2 dB，P1dB输出功率达到24.3 dBm，饱和输出功率达到25 dBm，饱和输出功率下PAE达到35.7%。

当输出功率为24 dBm时，芯片的直流功耗为0.9 W。

最后，本文使用HFSS与ADS仿真，设计并优化了芯片模块的腔体和外围电路，加工装配了芯片的模块，并对模块的性能进行了测试。

模块的性能测试结果表明，在29 GHz~31 GHz频率范围内，模块增益最大为16.6 dB，输入端口驻波比小于3，输出端口驻波比小于3.6，在30 GHz时饱和输出功率达到25 dBm。

与功放芯片的电磁仿真结果相比，除增益和增益平坦度外，芯片的在片测试结果均达到甚至优于电磁仿真结果。

总体而言，本文设计的功放芯片基本达到了预期目的，可在实际的Ka波段通信系统中使用。

关键词：Ka波段，功率放大器，单片微波集成电路，热仿真，ADS
ABSTRACT
The convenience of modern human’s life cannot be independent of the support of a variety of wireless communication systems. As a key component of wireless communication transceiver, the power amplifier (PA) have a great impact on the systems’ communication distance, working time and size. With the advantages of high performance, small size and good reliability, monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology has become a mainstream method to implement the millimeter-wave power amplifier.
Based on a 0.15 um GaAs PHEMT MMIC process, this thesis develops a Ka-band high-efficiency MMIC power amplifier for satellite communication systems’ terminal application. In order to enhance efficiency, the PA is biased in AB class, and the output impedance matching network is specially optimized to suppress the second harmonic. The PA’s e lectromagnetic (EM) simulation results show that, between 29 GHz and 31 GHz, both the input and output’s voltage standing wave ratio (VSWR) of the PA are less than 1.8, and the PA has a linear gain greater than 19.2 dB, and its output power at 1dB compression point (P1dB) is more than 24 dBm, the saturated output power (Psat) is more than 25 dBm with a maximum power added efficiency (PAE) of 33.4%. At the same time, when the output power of the PA is 24 dBm, the corresponding DC power consumption is 1.018 W.
According to the simulated DC power consumption, this thesis analyzes the heat generation and dissipation mechanism of the chip and establishes the thermal simulation mod el of the power amplifier chip. What’s more, this thesis simulates the thermal characteristics of the chip by ANSYS software. The simulation results show that when the ambient temperature is 45 ℃, the highest channel temperature of the transistor is 90.5 ℃, just considering heat conduction dissipation, which does not exceed the limit of the maximum temperature of the process.
This thesis also measures the performance of the PA chip. The test results show that in the frequency range of 29 GHz to 31 GHz, both the chip’s input and output’s VSWR are less than 2, and the PA the power amplifier has a small signal gain of 19.2 dB, the PA also exhibits a P1dB of more than 24 dBm with a saturated output power of 25 dBm and a peak PAE of 35.7%. Besides, the PA chip’s DC power consumption is only 0.9 W when
the chip drives an output power of 24 dBm.
Finally, this thesis uses HFSS and ADS simulation to design and optimize the PA chip’s cavity size and its peripheral circuit.Then this thesis processes and assembles the chip module and measures the performance of the chip module. The test results show that the module’s gain is 16.6 dB in the frequency range of 29 GHz to 31 GHz, and its standing wave ratio of the input port is less than 3, the standing wave ratio of output port is less than 3.6, its saturated output power reaches 25 dBm at 30 GHz.
Compared with the EM simulation results, the chip’s test results have reached or even better than the EM simulation results except the gain. In general, the chip designed in this thesis have achieved design purpose, and the PA can be applied to actual Ka-band communication system.
Keywords: Ka-band, Power Amplifier, MMIC, Thermal Simulation, ADS
目录
第一章绪论 (1)
1.1 研究背景与意义 (1)
1.2 MMIC技术发展历程 (2)
1.3 MMIC功率放大器的研究现状 (3)
1.4 论文研究内容与章节安排 (5)
第二章放大器理论基础 (7)
2.1 放大器类型 (7)
2.2 放大器基本结构 (8)
2.2.1 单级放大器 (8)
2.2.2 多级放大器 (9)
2.2.3 分布式放大器 (9)
2.2.4 平衡式放大器 (10)
2.2.5 功率合成技术 (10)
2.3 放大器性能参数 (11)
2.3.1 增益和增益平坦度 (11)
2.3.2 反射系数与端口驻波比 (12)
2.3.3 1dB压缩点和三阶截点 (13)
2.3.4 效率和功率附加效率 (15)
2.3.5 稳定性 (16)
2.4 阻抗匹配技术 (17)
2.4.1 集总式匹配网络 (18)
2.4.2 分布式匹配网络 (20)
2.5 最佳负载阻抗 (20)
2.5.1 负载线理论 (21)
2.5.2 负载牵引 (22)
2.6 MMIC功率放大器设计流程 (23)
2.7 本章小结 (24)
第三章Ka波段MMIC功放方案设计与热仿真 (25)
3.1 Ka波段MMIC功放性能指标 (25)
3.2 Ka波段MMIC功放工艺选择 (25)
3.3 Ka波段MMIC功放方案设计 (26)
3.3.1 输出级晶体管的选择 (26)
3.3.2 输入级晶体管的选择 (28)
3.3.3 直流偏置点的选择 (30)
3.3.4 功率放大器拓扑结构 (31)
3.4 Ka波段MMIC功放热仿真 (32)
3.4.1 热仿真基础 (32)
3.4.2 热仿真流程 (33)
3.4.3 热仿真模型 (34)
3.4.4 边界条件设置 (35)
3.4.5 热仿真结果 (36)
3.5 本章小结 (37)
第四章Ka波段MMIC功放电路设计与性能仿真 (38)
4.1 偏置电路设计 (38)
4.1.1 漏极偏置电路设计 (38)
4.1.2 栅极偏置电路设计 (39)
4.2 匹配电路设计 (39)
4.2.1 输出级匹配电路设计 (40)
4.2.2 中间级匹配电路设计 (45)
4.2.3 输入级匹配电路设计 (46)
4.3 Ka波段MMIC功放原理图仿真结果 (47)
4.3.1 S参数原理图仿真结果 (47)
4.3.2 稳定性原理图仿真结果 (48)
4.3.3 功率特性原理图仿真结果 (49)
4.3.4 直流功耗原理图仿真结果 (51)
4.4 Ka波段MMIC功放电磁仿真结果 (51)
4.4.1 功率放大器芯片版图 (51)
4.4.2 S参数电磁仿真结果 (53)
4.4.3 稳定性电磁仿真结果 (54)
4.4.4 输出功率特性电磁仿真结果 (54)
4.4.5 直流功耗电磁仿真结果 (56)
4.5 本章小结 (56)
第五章Ka波段MMIC功放性能测试 (57)
5.1 Ka波段MMIC功放在片测试方案 (57)
5.1.1 在片测试内容 (57)
5.1.2 在片测试方法 (57)
5.2 Ka波段MMIC功放在片测试结果 (59)
5.2.1 直流工作点在片测试结果 (59)
5.2.2 S参数在片测试结果 (60)
5.2.3 稳定性在片测试结果 (62)
5.2.4 输出功率特性在片测试结果 (62)
5.2.5 漏极电流Id与PAE在片测试结果 (63)
5.2.6 在片测试结果总结 (64)
5.3 本章小结 (65)
第六章Ka波段MMIC功放模块设计与性能测试 (66)
6.1 Ka波段MMIC功放模块设计 (66)
6.1.1 模块腔体设计 (66)
6.1.2 模块电路设计 (67)
6.1.3 模块装配实物 (67)
6.2 Ka波段MMIC功放模块测试方案 (68)
6.2.1 模块测试内容 (68)
6.2.2 模块测试方法 (68)
6.3 Ka波段MMIC功放模块测试结果 (69)
6.3.1 模块直流测试结果 (69)
6.3.2 模块S参数测试结果 (70)
6.3.3 模块稳定性测试结果 (71)
6.3.4 模块输出功率特性测试结果 (72)
6.4 本章小结 (72)
第七章总结与展望 (73)
7.1 论文总结 (73)
7.2 工作展望 (73)
致谢 (74)
参考文献 (75)
附录I (78)
图目录
图2-1 一种单级功率放大器典型结构 (8)
图2-2 一种常见的多级功率放大器结构图 (9)
图2-3 分布式放大器拓扑结构 (10)
图2-4 平衡式放大器拓扑结构 (10)
图2-5 使用功率合成技术的多级功率放大器拓扑结构图 (11)
图2-6 功率放大器网络信号示意图 (12)
图2-7 带负载的传输线 (12)
图2-8 功率放大器的1dB压缩点 (14)
图2-9 三阶互调截点 (15)
图2-10 功率放大器结构框图 (16)
图2-11 功放输出端口等效电路图 (17)
图2-12 两种基本的L型匹配电路结构 (19)
图2-13 T型匹配和π型匹配电路示意图 (19)
图2-14 负载为R opt的A类功放IV关系示意图 (21)
图2-15 负载牵引示意图 (23)
图2-16 MMIC功率放大器设计流程 (24)
图3-1 负载牵引仿真原理图 (27)
图3-2 8×90 um MS-PHEMT负载牵引结果（Vds=6 V, Vgs=-0.8 V） (28)
图3-3 8×90 um MS-PHEMT最大可用增益（Vds=6 V, Vgs=-0.8 V） (29)
图3-4 2×80 um MS-PHEMT最大可用增益（Vds=6 V, Vgs=-0.8 V） (29)
图3-5 2×80 um MS-PHEMT负载牵引结果（Vds=6 V, Vgs=-0.8 V） (30)
图3-6 2×80 um MS-PHEMT直流特性曲线 (30)
图3-7 8×90 um MS-PHEMT直流特性曲线 (31)
图3-8 MMIC功率放大器芯片拓扑结构图 (31)
图3-9 ANSYS热仿真流程 (33)
图3-10 功放芯片热仿真模型示意图（单位：mm） (34)
图3-11 功放芯片ANSYS仿真模型 (34)
图3-12 模型网格划分结果 (35)
图3-13 8×90 um MS-PHEMT附近温度场等温线（图中数据单位：℃） (37)
图4-1 功放芯片漏极偏置电路示意图 (38)
图4-2 功放芯片栅极偏置电路示意图 (39)
图4-3 ADS负载牵引仿真模版设置 (40)
图4-4 8×90 um MS-PHEMT负载牵引最大PAE与P1dB (41)
图4-5 8×90 um MS-PHEMT初次负载牵引结果 (41)
图4-6 ADS源仿真模版设置 (42)
图4-7 8×90 um MS-PHEMT 源牵引仿真结果 (42)
图4-8 8×90 um MS-PHEMT最终负载牵引仿真结果 (43)
图4-9 功率放大器芯片输出级匹配电路原理示意图 (43)
图4-10 输出级匹配网络阻抗变换示意图 (44)
图4-11 输出匹配电路S参数 (44)
图4-12 中间级匹配电路阻抗转换示意图 (45)
图4-13 2×80 um PHEMT 负载牵引仿真结果 (45)
图4-14 中间级匹配电路原理示意图 (46)
图4-15 2×80 um PHEMT 源牵引结果 (46)
图4-16 输入级匹配电路原理示意图 (47)
图4-17 功率放大器小信号S参数原理图仿真结果 (48)
图4-18 功率放大器输入输出端口驻波比原理图仿真结果 (48)
图4-19 功率放大器稳定因子原理图仿真结果 (49)
图4-20 功率放大器增益与增益压缩曲线（频率：31 GHz） (49)
图4-21 功率放大器的P1dB输出功率和对应PAE（29 GHz~31 GHz） (50)
图4-22 饱和输出功率与功率附加效率曲线 (50)
图4-23 功率附加效率和直流功耗折线图（Pout = 24 dBm） (51)
图4-24 功率放大器芯片版图 (52)
图4-25 功放芯片的小信号S参数电磁仿真结果 (53)
图4-26 功放芯片输入输出端口驻波比电磁仿真结果 (53)
图4-27 功率放大器Rollett稳定因子电磁仿真结果 (54)
图4-28功率放大器P1dB电磁仿真结果 (54)
图4-29 功率放大器饱和输出功率与PAE电磁仿真结果 (55)
图4-30 输入输出功率特性曲线 (55)
图4-31 输出功率为24 dBm时的直流功耗与PAE (56)
图5-1 S参数测试系统结构 (57)
图5-2 芯片输入输出功率特性曲线测试平台示意图 (59)
图5-3 功率放大器芯片在片测试显微图 (59)
图5-4 功率放大器芯片小信号增益在片测试与仿真结果对比 (60)
图5-5 芯片输入输出端口S参数在片测试与仿真结果对比 (61)
图5-6 输入输出端口驻波比在片测试结果 (61)
图5-7 稳定因子在片测试结果 (62)
图5-8 输入输出功率特性曲线在片结果（Vd=6 V, Vg=-0.7 V） (62)
图5-9 输出功率与直流功耗在片测试结果（Vd=6 V, Vg=-0.7 V） (63)
图5-10 功放芯片偏置电流Id以及PAE在片测试结果 (63)
图6-1 功放模块腔体HFSS仿真模型 (66)
图6-2 芯片的偏置保护电路原理图 (67)
图6-3 功率放大器模块实物 (68)
图6-4 模块S参数测试平台连接示意图 (69)
图6-5 模块输入输出功率特性曲线测试平台示意图 (69)
图6-6 模块晶体管漏极电流测试结果 (70)
图6-7 模块S参数测试结果 (70)
图6-8 模块输入输出端口驻波比测试结果 (71)
图6-9 模块稳定性测试结果 (71)
图6-10 模块功率特性与增益曲线（freq=30 GHz） (72)
表目录
表3-1 MMIC功率放大器的性能指标 (25)
表3-2 GaAs的导热系数（单位：W/(K∙m)） (35)
表3-3 其余材料导热系数（单位：W/(K∙m)） (35)
表5-1 功放芯片直流工作点在片测试结果 (60)
表5-2 在片测试结果与设计指标对比 (64)
表5-3 本设计与国内外设计的功放芯片性能对比 (64)
缩略词表
缩略词表
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物半导体FET Field Effect Transistor 场效应晶体管
HBT Heterojunction Bipolar Transistor 异质结双极性晶体管HEMT High Electron Mobility Transistor 高电子迁移率晶体管HMIC Hybrid Microwave Integrated Circuit 混合微波集成电路MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit 单片微波集成电路
PA Power Amplifier 功率放大器
PAE Power Added Efficiency 功率附加效率
PCB Printed Circuit Board 印制电路板
PHEMT Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor 赝同晶高电子迁移率晶体管
SOC System On Chip 片上系统VSWR V oltage Standing Wave Ratio 电压驻波比
第一章绪论
第一章绪论
MMIC是使用半导体集成电路加工技术，直接在硅、砷化镓或氮化镓等半导体基片上加工出有源和无源器件以及元件之间的互连微带线而形成的具有特定功能的集成电路。

相对于传统微波电路，MMIC成本低、体积小、可靠性高、可重复生产性强，各方面具有极大的优势，在各种通信系统中受到广泛使用。

1.1研究背景与意义
现代人类的生活因为科学技术的发展而变得越来越快捷方便。

人们安坐家中，便能收看到高清的卫星电视节目，节目画面在极短的时间内就能通过无线电波信号从现场呈现在观众的眼前。

而在交通运输方面，空中的客机、地面的高铁、大洋深处航行的油轮，每时每刻都在将无数的人和物送到各自的目的地，一切运行得井然有序。

在这一切的背后，离不开各种通信系统的支持，尤其是卫星通信系统。

目前卫星通信使用的频段主要有C波段和Ku波段。

然而，经过多年发展，C 波段和Ku波段的可用频带资源已基本被各类卫星占用完毕，而受限于带宽，这些卫星的通信速率也越来越难以满足信息化社会对于高速数据传输的需求。

在这种情况下，目前使用相对较少、可用频带宽（26.5 GHz ~40 GHz）、通信速率快（上百Gbps）且干扰信号少的Ka波段宽带通信卫星技术进入了各国的视野，成为各国近年来争先恐后研究的目标。

1997年，美国联邦通信委员会给其国内的十几家公司发放了Ka波段的卫星通信牌照，以推动Ka波段卫星通信技术的发展，其中包括洛克希德·马丁公司的Astrolink系统、通用公司的GE Star系统，以及著名的移动通信“铱”星系统的星间链路都使用了Ka波段通信技术[1]。

经过多年发展，目前美国的Ka波段宽带多媒体通信卫星已经投入商用，可为其国内偏远地区农村家庭以及客机空中上网提供高速宽带互联网接入服务[2]。

而在2016年，美国空军第八颗WGS通信卫星也成功发射，为全球的美军提供高速军事通信服务。

欧洲的Ka波段宽带卫星通信技术发展也较为迅速，目前也已商用。

值得一提的是，在2013年，英国的BAE公司演示了利用Ka波段卫星通信的下一代无人作战飞机的通讯测试[3]，初步展现了Ka波段通信技术应用于未来无人机作战的可能性。

相对于发展较早的欧美国家，我国在Ka波段宽带卫星通信技术领域的起步较晚。

在“十一五”期间我国将Ka波段宽带卫星通信技术纳入了研究计划，并在2015年成功发射了一颗Ka波段的通信卫星[4]，用以开展Ka波段宽带通信技术试验。

在卫星通信领域之外，下一代移动通信技术5G也很有可能用到Ka频段的通
信技术，近年来，美韩两国多家高科技公司相继完成基于28 GHz频段5G通信原型机验证试验[5-6]。

无论是未来的5G还是宽带通信卫星，Ka波段的应用都能够提供高速率的通信服务，随着这些技术的成熟与推广，未来必将对Ka波段的通信系统产生大量的需求。

在这些通信系统中，功率放大器是不可缺少的器件，其性能对整个系统的性能产生极为重要的影响。

在此情形下，于成本、体积、性能以及可靠性等方面有着诸多优势的Ka 波段MMIC功率放大器将是这些通信系统的首要选择，具有广阔的应用前景。

因此，研究小尺寸、高稳定性、高效率的低成本Ka波段MMIC功率放大器对于军事及商业用途有着积极的现实意义。

1.2MMIC技术发展历程
MMIC技术的发展历史得从晶体管的出现开始。

1948年，Shockley与Bardeen 在首次报道了双极晶体管（BJT）[7]，随后在1952年，他们又发明了结型场效应管(JFET)，这两种器件的出现标志着功率放大器设计领域开始步入晶体管时代。

在此之前，功率放大器都是由电子管、波导以及谐振腔等器件组合而成的立体微波电路，这种立体微波电路不但笨重，而且耗电量大，可靠性也不高，晶体管的出现逐渐改变了这一现状。

1958年，在德州仪器工作的基尔比将他自己关于集成电路的想法变成了现实，他在锗晶体上面制作了晶体管、电容、电阻等器件，并用金线将它们连接在了一起，制作出了一个完全集成在晶片上的振荡器。

这是世界上第一块集成电路，尽管上面仅有几个元件，甚至一点也不美观，但是它却推开了集成电路的世界之门。

到了60年代初，一种新颖的集成电路在世界上出现了，它便是混合微波集成电路（Hybrid Microwave Integrated Circuit, HMIC）。

与现今的集成电路不同的是，HMIC是通过将分立的有源和无源器件集成在陶瓷或蓝宝石等绝缘介质基片而成。

由于集成的元件密度很大，HMIC在体积、成本、可靠性等各方面都有着立体微波电路无法比较的优势，因此即便至今仍在一些电路中使用。

虽然集成电路早在1958年就出现了，但是第一块真正的单片微波集成电路却在十几年后才制作成功。

得益于GaAs晶体制备工艺的进步，1976年，美国的Penglly等人第一次提出了基于GaAs场效应管的宽带单片放大器芯片[8]，该款功放芯片可在X波段提供超过4.5 dB的功率增益。

由于MMIC功率放大器的频率高、噪声低、寄生参数小、功率容量大等优点，在军事及商用领域有极大的利用价值，因此，在军事以及商业利益的驱动下，MMIC相关技术不断取得突破。

80年代，由于化学沉积技术和分子束外延技术的发展，出现了发射区与基区由不同半导体材料构成的异质结双极性晶体管——HBT，HBT器件比常规的双极性晶体管具有更好的高频信号特性以及
第一章绪论
更高的基区发射效率，可以工作在数百GHz。

而到了90年代之后，新型固态器件更是百花齐放，纷纷涌现，例如高电子迁移率晶体管（HEMT），以及在HEMT基础之上进一步开发出来的赝同晶高电子迁移率晶体管（PHEMT），PHEMT相对于HEMT在温度特性、电子迁移率以及高频特性等方面具有更好的性能，更适用于高频率、高功率、高增益的功率放大器设计。

如今，除了新型的晶体管器件之外，还出现了各种新型的衬底材料，诸如InP、SiC 及GaN 衬底等等，这些材料各有特色，且皆可以在高达百GHz频率工作，在MMIC设计领域的受到广泛使用。

1.3MMIC功率放大器的研究现状
目前世界上有许多制作MMIC功率放大器的工艺，然而其中以GaAs、GaN以及Si基MMIC工艺技术较有代表性，这三种工艺各有优劣，研究者们对基于这三种工艺的MMIC功率放大器的研究较多，下面将分别介绍这三种工艺的MMIC功率放大器目前的现状。

1. GaAs功率放大器
国外方面，S. Mahon等人在2005年报道了一系列的用于VSAT地面终端Ka 波段功率放大器MMIC[9]，他们使用6英寸基片厚度100 um的0.15 um PHEMT工艺，设计的一个单端3级功率放大器在30 GHz达到了27 dB的增益和1 W的饱和输出功率，而芯片尺寸小于3.9 mm2；在同一篇报道中，他们还设计了两个版本的2W级功率放大器，小信号增益分别达到了24 dB和21 dB(28 GHz~32 GHz)，而功率附加效率高达36%；最后，他们利用平衡式技术实现了一个在28 GHz到30 GHz 频率范围内输出功率为36 dBm的功率放大器，功率附加效率为31%，而芯片面积仅为14 mm2，是当时100 um GaAs PHEMT工艺的最佳水平。

2010年，被称为“GaAs公司”的TriQuint半导体公司提出了一个经济可靠的高效率Ka波段功率放大器MMIC，根据其测试结果，该MMIC功率放大器在34 GHz时的增益为22 dB，饱和输出功率可达35.8 dBm，同时PAE高达36%[10]。

而在第二年，TriQuint公司的Charles F. Campbell等人又提出了一个在35 GHz时功率输出为5 W，PAE达到了30%的功率放大器MMIC[11]。

国内方面，南京电子器件研究所的陶洪琪等人报道了一个Ka波段功率放大器芯片，芯片采用四级放大拓扑结构，在29～32 GHz范围内，实现了25 dB的增益，增益平坦度被控制在正负0.75 dB以内，在饱和输出功率大于5 W的同时饱和效
率也达到了20%[12]。

而在2014年，
现了一个工作在27 GHz~32 GHz的功率放大器，其测试结果表明，其设计的功率放大器在增益压缩1 dB时，输出功率可达4 W，同时功率增益不低于19 dB，不
过其PAE只有18%[13]。

作为一种较为成熟的MMIC生产工艺，GaAs芯片现今仍然占据了市场的主流。

而在GaAs功率放大器技术的研究方面，国外的研究比较多，其技术实力也要胜于国内，并且国外有专研此类技术的高科技公司在不断推出成熟的商业产品。

而国内多是研究所或高校对这方面有所研究，且大多是针对特定的应用。

2. GaN基功率放大器
GaN 是近年来MMIC设计领域的新宠，它有更高的击穿电压、功率密度、饱和电子迁移率[14]，因此可在较高的频率范围内设计出输出功率更大的MMIC功率放大器[15-16]。

2006年，KS Boutros等人研制成功一个工作在Ka波段的GaN 功率放大器MMIC[17]，该放大器在26 GHz时增益为9 dB，但饱和输出功率达到了5 W，对应的功率附加效率为20%。

在2012年，TriQuint公司的Charles F. Campbell 等人报道了两个利用0.15 um GaN HEMT工艺实现的Ka波段3阶平衡式功率放大器MMIC，输出功率达到了8~9 W，单端功率输出有4.5~6 W，两个功放的功率附加效率都在25%以上[18]。

2013年，Charles F. Campbell等人设计了两个高效率功率放大器MMIC，夹具连续波测试结果显示，在30 GHz时，其中的3级单端功率放大器的输出功率为6 W，功率附加效率达到了34%。

而在同一篇报道中的另一个3阶平衡式放大器的输出功率高达11 W，功率附加效率也超过30%[19]。

另外在2015年，Salah Din等人采用功率合成技术实现了一个36 W的Ka波段GaN功率放大器MMIC，在27 GHz~30 GHz频率范围内，其功率附加效率最低为30%，27 GHz 时的峰值功率输出达到了40 W[20]。

国内对高功率的GaN功率放大器的研究报道较少，成果也较国外落后许多。

在2011年，中科院微电子研究所的王东方等人提出了一个Ka波段GaN功率放大器MMIC设计成果[21]，报道的工作带宽为1.5 GHz，有6.3dB的小信号增益，而其最大的输出功率在26. 5 GHz时为22 dBm，同时有9. 5%的最大效率。

在2013年，中电十三所的杜鹏搏等人采用三级级联放大结构以及功率合成技术实现的一款尺寸为3.5 mm×1.8 mm的Ka波段GaN功率放大器[22]，在34 GHz到36 GHz的频率范围内，增益达到13 dB，同时有6 W的饱和输出功率，而PAE也大于15%，达到了当时国内的领先水平。

3. 硅基CMOS功率放大器
由于目前世界上的CPU几乎都是使用硅基CMOS工艺，因此与GaAs和GaN 工艺相比，Si基CMOS工艺非常成熟，并且价格低、功耗小、集成度高，且容易与基带芯片兼容，两相结合未来甚至可以实现片上系统（System On Chip，SOC）。

但是，硅基CMOS晶体管击穿电压低，并且其无源器件的损耗较高，因此其比GaAs、
第一章绪论
GaN更加难以用在高功率的射频功率放大器的设计上。

如今，COMS功率放大器芯片主要应用于对频率、功率要求较低的智能手机、Wi-Fi设备等领域，但也有许多研究人员致力于开发更高功率更高频率的CMOS功率放大器，并取得了不少的成果。

比如，在2012年，加利福利亚大学Amir Agah，Hayg Dabag等人用45 nm SOI COMS工艺实现的功率放大器将PAE提高了至少6%，在42-45 GHz，输出功率为18.6 dBm，增益9.6 dB，PAE大于30%[23]。

2014年，Bassel Hanaf等人报道的45 nm CMOS功率放大器MMIC[24]，45 GHz时输出的信号功率最大为630mW，功率附加效率为13.5%，尺寸为4.5 × 2.5 mm2。

Jefy A. Jayamon等人在2015年提出了一个用45nm COMS SOI工艺实现的功率放大器[25]。

他们使用晶体管叠加的方式使其能够承受更高的电压和实现更高的功率输出，最终在25~35 GHz频带内，该CMOS功率放大器的饱和输出功率超过250 mW，PAE
高达29%2014年也提出了一个高性能的毫米波CMOS功率放大器[26]，他们采用标准90 nm的CMOS工艺，实现的功率放大器在60 GHz时达到了21 dBm的饱和功率输出，测试出的小信号增益为16.8 dB，其3 dB频带包含了55 GHz~64 GHz，芯片尺寸仅为0.675 mm2。

虽然CMOS并不像十几年前人们认识的那样，不能用于实现射频功率器件，但是相比于GaAs、GaN器件，Si基CMOS工艺要实现相当的输出功率需要面对更多的挑战。

当然，虽然研究者们已经实现了CMOS毫米波功率放大器，但与GaAs、GaN基功放相比，其在增益和输出功率上还是有所不足，因此CMOS功率放大器暂时还不适用于雷达、卫星通信等高功率的应用场合。

在MMIC功率放大器工艺中，CMOS功率放大器在三者中的成本最低，但由于先天不足，目前主要用于智能手机、WLAN等频率较低的应用（相对于毫米波应用）。

虽然目前也有不少研究者在研究CMOS 工艺在毫米波功率放大器上的应用，但与GaAs、GaN MMIC相比，CMOS毫米波功率放大器的性能仍有相当大的差距。

GaN功率器件比GaAs有着更高的击穿电压和电子迁移率，从而可以提供相当于GaAs MMIC的数倍到数十倍的功率输出，但相对应的是其成本也是GaAs的数倍，目前主要用于军事。

而GaAs技术最为成熟，成本适中，性能也较好，是目前应用最为广泛的功率放大器MMIC技术，在可以预见的几年内乃至十几年内，GaAs仍将是这类应用的主流。

1.4论文研究内容与章节安排
论文主要研究了功率放大器设计的基本技术以及热仿真相关技术，在此基础上使用0.15 um GaAs PHEMT MMIC工艺，利用热仿真技术预估MMIC芯片工作。