Ku波段单片功率放大器设计与制作

集成电路设计与应用
IC Design and Application
DOI:10.3969/j.issn.1003－353x.2011.06.014
Ku波段单片功率放大器设计与制作
刘如青，吴洪江，高学邦，付兴昌，倪涛
(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄050051)
摘要:介绍了一种Ku波段GaAs功率放大器芯片的研制过程。

芯片采用电抗匹配电路结构，三级级联放大，末级采用多胞器件进行功率合成，实现了电路的高增益和所要求的功率输出;另外，还对元器件模型技术、GaAs MMIC测试技术等进行了相应描述。

在芯片的研制过程中，利用ADS软件进行仿真及优化，利用电磁场仿真进行版图设计。

在4英寸(100mm)0.25μm GaAs PHEMT工艺线上完成芯片制作，在12.5 15.0GHz的频率范围内，脉冲饱和输出功率P
o 大于34.7dBm(脉宽100μs，占空比10%)，功率增益G p大于19.7dB，功率附加效率PAE大于30%，功率增益平坦度小于ʃ0.4dB。

该芯片可以应用到许多微波系统中。

关键词:Ku波段;功率放大器;脉冲;芯片;砷化镓
中图分类号:TN304.23;TN722.75文献标识码:A文章编号:1003－353X(2011)06－0470－04
Design and Fabrication of Ku-Band Monolithic Power Amplifier Liu Ruqing，Wu Hongjiang，Gao Xuebang，Fu Xingchang，Ni Tao
(The13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang050051，China)
Abstract:The research process of a Ku-band power GaAs MMIC was introduced．The structure of reactively matching network was introduced to realize a power MMIC．Good performance of high gain and high output power was achieved by a power combination technique using a three-stage amplifier．Also some key technologies were described，such as the modeling and testing technologies of GaAs MMIC．During the research and development process，the measurement system was built up，and the circuit was simulated by ADS．After that，the layout was designed with EM simulation．The chip was fabricated at the4inch(100mm)0.25μm GaAs power PHEMT process line．The performance of the power amplifier is higher than34.7dBm saturated output power(pulse width of100μs，duty cycle of10%)，more than19.7dB power gain，30%power-added efficiency andʃ0.4dB gain flatness from12.5GHz to15.0GHz．The MMIC can be used in many microwave applications．
Key words:Ku-band;power amplifier;pulse;chip;GaAs
EEACC:1220
0引言
GaAs单片功率放大器具有线性好、集成度高、结构紧凑、可靠性高、体积小等优点，是无线通信、导航、卫星通信等微波系统的关键元器件。

近年来，GaAs功率MMIC技术发展非常迅速，形成了系列化的功率MMIC产品，在许多微波电子系统中已不同程度地取代了其他类型的功率放大器。

利用GaAs功率MMIC制作固态微波电路模块可以有效减小体积并提高其可靠性。

本文基于0.25μm GaAs PHEMT工艺技术，研究设计并实现了一款Ku波段功率单片放大器，并简要描述了MMIC功率放大器的电路结构、器件设计和模型提取、CAD 设计、电磁场仿真、版图设计和微波性能测试过
刘如青等:Ku 波段单片功率放大器设计与制作
程，并对测试结果进行了简单分析。

1有源器件设计和模型提取
为了保证电路易于实现并且可以批量生产，采
用标准0.25μm GaAs PHEMT 制作工艺，利用投影光刻机制备0.25μm T 型栅，满足了器件工作频率和增益的要求。

器件设计需要综合考虑电路的工作频率、增益和输出功率。

末级器件总栅宽根据电路所要求的输出功率加以确定，既要保证足够的功率输出，又要相应地考虑电路效率。

器件本身能输出的功率应比放大器的输出功率高约15% 20%，可以保证放大器的功率输出和可靠性。

对于单指栅宽的确定，通常要考虑微波信号在栅指上的传输损耗和延时。

结合有源器件直流特性和约1W /mm 栅宽的功率密度，本电路设计中采用的末级器件总栅宽为3.7mm ，中间级器件栅宽为1.2mm ，前级器件栅宽为0.4mm 。

有源器件大信号模型的精度是大功率单片电路设计成败的关键。

为此，采用EEHEMT1模型进行
了有源器件的多偏置直流I-V 测试和S 参数测试。

相比其他大信号模型，如Curtice 模型、Materka 模
型、Tom 模型等，EEHEMT1模型增加了更多的模型参数，模型的表达式要复杂得多，但利用Agilent 专
门提取模型参数的硬件系统和IC-CAP 模型参数提取软件，可以精确、方便地提取模型参数，且ADS 里
有内嵌EEHEMT1模型，导入模型参数非常方便。

在建模过程中，利用IC-CAP 建模系统进行器件大信号模型参数的拟合和提取。

采用Cold FET S 参数测量和提取技术提取寄生参量，在等效电路中去除分
布的漏源电阻，从而使芯片寄生元件参数值可以直接由计算得到。

器件模型如图1所示。

图1大信号器件模型Fig.1Large single device model
2电路结构设计
根据该芯片所要求的频带宽度、增益以及输出功率等，电路采用了电抗匹配、三级放大、末级器
件4路功率合成的电路结构
［1－2］。

该结构采用分布式电容、电感元件构成无损耗的T 型低通LC 电抗匹配网络，比较容易获得较好的增益和输出功率特性。

电路输入匹配网络的设计着眼于最大的功率传递;输出匹配网络的设计着眼于最大的功率输出，同时应具备抑制谐波，改善驻波比及非线性等功能［3］。

电路拓扑结构如图2所示，T 型匹配网络拓扑如图3所示。

T 型滤波网络采用Constant-K 人工传输线设
计，其中的电感由微带线来实现。

直流供电电路设计也是微波单片功率放大器设计的一项重点内容，设计的原则是首先应保证功率放大器工作在所需要的工作状态，其次应考虑频率
响应、稳定性、损耗、功率容量和二次击穿［4］。

功率放大器偏置电路如图4所示。

图4偏置电路拓扑图
Fig.4Schematic of the bias circuit
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3电路CAD
电路采用ADS 软件进行辅助设计，电路中的无源元件模型采用软件的内置模型库。

常规的MMIC 功率放大器CAD 大致有如下几个步骤［5］:(1)利用已有的大信号模型，采用直流仿真的方法，研究器件的直流特性，考察直流功耗并观察非线性特性，选定工作点;
(2)用小信号线性仿真进行工作频带内的增益设计和匹配设计;
(3)用谐波平衡法进行非线性优化和仿真，得到满足要求的电路元件参数;
(4)根据电路元件参数给出电路版图;
(5)利用电磁场仿真工具对版图进行仿真验证。

MMIC 的CAD 设计流程如图5所示［6］。

图5完整的MMIC 设计流程Fig.5Design cycle of complete MMIC
在电路优化完成后的版图布局设计在电路设计中是比较重要的。

在进行原理图的优化和仿真时，电路中各元件是相互独立的。

而在实际电路中，各元件均制作在几毫米长宽的有限芯片上，各元件间必然会存在一定的电磁耦合，频率越高，电磁耦合作用越强，对电路微波性能的影响也越大。

因此，在电路版图完成后必须对其进行电磁场仿真，根据仿真结果对电路元件进行适当的调整，以减小耦合，同时也应尽量缩小芯片面积来提高成品率和降低制作成本。

电路版图如图6所示。

图6电路版图
Fig.6Layout of the circuit
4测试分析
芯片测试时采用的是漏极电压脉冲条件下载体装配测试。

装配待测芯片时，先将芯片和50Ω传输线焊在载体上，然后将50Ω传输线分别用金丝与芯片的输入、输出电极互连，同时芯片上的电源接点也用金丝与载体上的馈电电容相连。

这种测试方法的优点是利于芯片散热、接近芯片实际工作情况;缺点是芯片需要经过烧结、键合，一经安装，芯片就无法再利用了，而且微波接插件和键合金丝
也会引入损耗，影响芯片性能［7］。

芯片测试条件为:V ds =+8.0V (占空比10%，脉宽100μs )，V gs =－0.6V ，P in =15dBm 。

测试结果为:频率12.5 15.0GHz ，饱和输出功率大于34.7dBm ，功率增益大于19.7dB ，功率附加效率大于30%，输入驻波比小于2ʒ1。

饱和输出功率、功率附加效率和输入驻波比测试曲线与仿真曲线对比如图7 9所示。

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图9输入驻波实测与仿真对比曲线
Fig.9Comparison of measured curve with simulated cruve of the input voltage standing wave ratio
由图7 9曲线可见:在12.5 15.0GHz范围内，脉冲饱和输出功率的实测值为34.7 35.5dBm，实测值较仿真值低约0.3dBm;实测的功率附加效率为31% 33.5%，整体上实测值较仿真值低2 5个百分点;实测输入驻波比小于2ʒ1，较仿真值略大。

造成这种差距的主要原因在于:功率单片电路结构比较复杂，元件较多;制作过程中工艺参数的波动;大信号非线性模型的精度误差;测试时同轴与微带线之间的转换存在较大插损。

5结论
本文所介绍的Ku波段功率放大器芯片采用0.25μm GaAs PHEMT工艺制作，芯片在12.5 15.0GHz内，脉冲饱和输出功率大于34.7dBm，功率附加效率大于30%，功率增益大于19.7dB，芯片实测的性能指标与仿真结果比较接近，达到了预期目标。

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(收稿日期:2011－02－21
)
作者简介:
刘如青(1978—)，女，河北保定人，工程
师，主要从事GaAs微波单片集成电路设计
工作
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶。

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［6］池保勇．CMOS射频集成电路分析与设计［M］．北京:清华大学出版社，2006:426－436．
(收稿日期:2011－03－01
)
作者简介:
袁莉(1986—)，女，山东人，硕士研究生，
主要研究方向为高速模拟及混合信号IC设计;
周玉梅(1962—)，女，北京人，研究员，博士生导师，研究方向为高性能低功耗专用集成电路设计和高性能低功耗混合信号电路设计;
张锋(1977—)，男，北京人，副研究员，研究方向为高性能低功耗混合信号电路设计。