W波段功率放大器设计_秦立峰.pdf
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1、2023年第47卷第4期112器 件 与 应 用器 件 与 应 用arts and ApplicationsP文献引用格式:秦立峰.W 波段功率放大器设计 J.电声技术,2023,47(4):112-114.QIN L F.Design of power amplifier at W-bandJ.Audio Engineering,2023,47(4):112-114.中图分类号:TN722.75 文献标识码:A DOI:10.16311/j.audioe.2023.04.032W 波段功率放大器设计秦立峰(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 050000)摘要:基于国产氮化镓(G
2、aN)工艺设计了一款 W 波段的功率放大器,通过多级级联来提高放大器的增益。流片之后的实测结果显示,所设计的 W 波段功率放大器在 90 96GHz 频率范围内的输出功率典型值为 27dBm,功率附加效率超过15%。关键词:GaN;W 波段;功率放大器Design of Power Amplifier at W-BandQINLifeng(The13thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Shijiazhuang050000,China)Abstract:AW-bandpoweramplifierisdes
3、ignedbasedondomesticGaNtechnology,andthegainoftheamplifierisimprovedbymultistagecascade.ThemeasuredresultsaftertheslideshowthatthetypicaloutputpowerofthedesignedW-bandpoweramplifieris27dBminthefrequencyrangeof90 96GHz,andthepoweradditionalefficiencyexceeds15%.Keywords:GaN;W-band;poweramplifier0 引 言W
4、波段指电磁波频率在75110 GHz的频段,在 94 GHz 频段附近存在一个“大气窗口”,即在 94 GHz 频段附近,电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射,目前针对 W 波段的大多数研究和应用都集中在“大气窗口”附近1。功率放大器作为发射机的最后一级,是射频发射系统的关键器件,在通信系统中具有不可替代的作用。要想实现 W 波段通信,必须开展 W 波段功率放大器的研制工作。随着半导体技术的发展,制作放大器的工艺不断革新,固态微波功率器件向着更高效率、更高输出功率和更高增益发展。目前,国际上研究 W 波段 GaN 功率放大器的机构主要有美国的 HRL 实验室、QuinStar 公司以及日本
5、的富士通集团等,国内主要有中国电子科技集团公司第十三研究所、中国电子科技集团公司第五十五研究所、西安电子科技大学以及电子科技大学等2。2015 年,中国电子科技集团公司第十三研究所基于 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)设计研制出了 W 波段功率放大器芯片,该功率放大器在 86.5 GHz 频点处的连续波输出功率达到 257 mW,输出功率密度达到 459 mW/mm3。2016 年,中国电子科技集团公司第五十五研究所研制了两款 W 波段的功放芯片,其在 90 GHz 频点处的输出功率为 1.117 W4,在
6、93 GHz 频点处的输出功率为 1.66 W5。W 波段 GaN 功率放大器在通信领域至关重要,其增益、输出功率、效率等指标有待提升,因此有必要进行相关内容的深入研究。文章基于中国电子科技集团公司第十三研究所的AlGaN/GaN HEMT 工艺,设计了一款 W 波段的功率放大器,介绍了功放芯片的设计流程,包括原理图设计和版图的电磁场仿真,分析了芯片的制造与测试,并与已有产品的各项指标进行对比。1 芯片设计1.1 电路原理图设计由于 GaN 晶体管在 W 波段的增益太低,为了作者简介:秦立峰(1989),男,硕士,工程师,研究方向为微波电路设计。2023年第47卷第4期113Parts and
7、 ApplicationS器 件 与 应 用器 件 与 应 用提高放大器的效率和输出功率,往往采用多级级联的形式。如果匹配网络是无损的理想情况,则在饱和输出功率限制的范围内,级联的级数越高,放大器的输出功率越高。GaN 晶体管在 W 波段的增益太低这一特性也限制了级联的级数,如果级数过多,级联导致的损耗可能会大于放大器本身的增益。在设计放大器时,尽管各级晶体管所采用的工艺相同,但是为了保证前级能够推动末级功率放大器,应该选择合适的推比6。末级与前级所选择的栅宽和指数可能会有所差别,不同栅宽和指数的晶体管的输出功率与增益都不尽相同。一般情况下,栅宽越宽,器件的饱和输出功率越高,但是增益会降低。在
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