2-6 GHz紧凑型、高效率GaN MMIC功率放大器.pdf
《2-6 GHz紧凑型、高效率GaN MMIC功率放大器.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2-6 GHz紧凑型、高效率GaN MMIC功率放大器.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 21 卷 第 8 期2023 年 8 月太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyVol.21,No.8Aug.,202326 GHz紧凑型、高效率GaN MMIC功率放大器邬佳晟,蔡道民(中国电子科技集团公司 第十三研究所,河北 石家庄 050051)摘要:基于0.25 m SiC衬底的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,根据有源器件的Gmax和输出功率密度,选择末级功率器件尺寸并确定其最优阻抗;采用三级放大器,其栅宽比为1:4:16,实现高功率增益和高效率;利用等Q匹
2、配技术,把偏置电路融入匹配电路中,实现简单、低损耗和宽带阻抗变换;借助电磁场寄生参数提取技术实现紧凑型芯片版图,尺寸为2.8 mm2.0 mm。测试结果表明,偏置条件漏极电压UD=28 V、UG=-2.2 V,在 26 GHz 频率范围内,功率放大器增益大于24 dB,饱和输出功率大于 43 dBm,功率附加效率大于 45%,可广泛应用于电子对抗和电子围栏等领域。关键词:紧凑;功率附加效率;宽带;增益;微波单片集成电路中图分类号:TN43;TN722.75 文献标志码:Adoi:10.11805/TKYDA20230142 2 6 6 GHz compact GaN power amplifi
3、er MMICs with high PAE GHz compact GaN power amplifier MMICs with high PAEWU Jiasheng,CAI Daomin(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang Hebei 050051,China)AbstractAbstract:Based on the 0.25 m SiC substrate GaN High Electron Mobility Transistor(HEMT)process,the final power device size is selec
4、ted and its optimal impedance is determined by the Gmax and the unit output power density of the active device.The tertiary amplifier is adopted,and its gate width ratio is 1:4:16 to achieve high power gain and high efficiency.By using the equal-Q-matching technique,and integraing the bias circuit i
5、nto the matching circuit,an impedance transformation is realized with simple,low loss and broadband.With the help of the extraction of parasitic parameters in electromagnetic fields,the compact chip is realized.The chip size of the Monolithic Microwave Integrated Circuit(MMIC)amplifier is 2.8 mm2.0
6、mm.The test results show that in the 26 GHz frequency range,and under the conditions of the drain voltage of 28 V,the gate voltage-2.2 V,and continuous wave,the large signal gain of the MMIC amplifier is greater than 24 dB,the saturation output power is greater than 43 dBm,and the Power Additional E
7、fficiency(PAE)is greater than 45%.The proposed paver amplifier can be widely used in electronic countermeasures and electronic fence.KeywordsKeywords:compact;Power Additional Efficiency(PAE);broadband;gain;Monolithic Microwave Integrated Circuit(MMIC)第三代半导体器件 GaN 因其固有的诸多优势,包括高功率密度、高饱和电子速率、易宽带匹配和好的环境
8、适应能力等,是当前固态微波器件研究的热点1-4,而宽带、高功率、高效率和高增益的微波单片集成电路(MMIC)功率放大器则一直是电子对抗、电子围栏和雷达通信等领域的关键核心器件,美国等占据领先地位5-7,WOLFSPEED、QORVO 等公司有相关产品报道8-9,国内则报道较少。本文报道了基于 0.25 m GaN MMIC 工艺,研制一款 26 GHz 紧凑型、高增益和高效率的宽带 MMIC 功率放大器。该放大器技术指标达到输出功率大于 20 W,效率大于 45%,小信号增益大于 32 dB,功率增益大于24 dB,具有非常广泛的应用领域。文章编号:2095-4980(2023)08-1054
9、-06收稿日期:20230112;修回日期:20230409基金项目:国家核心器件资助项目(2017ZX03001024)第 8 期邬佳晟等:26 GHz紧凑型、高效率GaN MMIC功率放大器1GaN MMIC 工艺和器件特性0.25 m GaN MMIC 工艺主要包括 T 形状栅制作、源漏欧姆接触制作、SiN 介质钝化、金属绝缘体金属(MetalInsulatorMetal,MIM)电容、NiCr 金属电阻和互联金属 1 和金属 2 以及背面密集通孔等。为了提升器件的可靠性,优化了源场板结构和栅漏间距等,器件击穿电压大于 110 V,满足 28 V 电压应用需求;同时采用了3 000 厚的
10、 SiN 介质,具有高击穿特性(大于 250 V)。相关器件直流参数见表 1。有源器件具有良好的微波特性,比如电流截止频率(fT)大于 30 GHz,功率增益截止频率(fMAX)大于 60 GHz,其在 6 GHz 工作频率点,最大功率增益大于 15 dB,功率密度大于 10 W/mm,PAE 大于 70%。本工艺采用 SiC 作异质衬底,与 GaN 外延层具有良好的晶格匹配特性,同时具有良好的散热能力,满足宽带高效率功放的需求。2MMIC 放大器设计和制作功率放大器设计通常从末级放大器开始,根据晶体管输出功率密度 8 W/mm(28 V 电压下),基于负载牵引(LOAD PULL)找出器件的
11、最佳输出功率阻抗点和对应的效率、功率和增益,图 1 是本放大器采用的 10 指、单指栅宽 300 m 的晶体管(总栅宽 3 mm)的 LOAD PULL 圆图。从中得到晶体管输出功率约 45 dBm,PAE 大于 70%,此时输入功率为 30 dBm,故功率增益为 15 dB。末级晶体管尺寸不仅由输出功率密度决定,同时也要考虑其最大增益。图 2 是在偏置条件 UD=28 V,UG=-2.2 V 下,S 参数仿真的最大增益 GMAX随频率变化曲线图。频率由 2 GHz 升至 6 GHz 时,最大增益由 25 dB 降至 20 dB。表明该尺寸晶体管不仅具有较高的增益,同时在宽带范围内,其增益滚降
12、仅变化 5 dB,为后续宽带匹配提供足额的增益和较小的增益平坦度。末级输出阻抗匹配非常关键,其阻抗匹配的准确度和匹配损耗都直接关系到功率放大器的输出功率和功率附加效率。首先把末级晶体管在 26 GHz范围内的最佳效率点描绘在史密斯圆图(Smith chart)上,如图 3 的红色曲线。然后根据红色曲线的最高Q 值,绘制等 Q 线,如图 3 所示蓝线,其 Q 值为 2。表1 0.25 m GaN MMIC工艺器件参数Table1 Parameters of 0.25 m GaN MMIC process devicedeviceHEMTMIMmetal1metal2NiCrtransconduc
13、tancemS/mm400-threshold voltage/V-3-breakdown voltage/V110-capacitance density pF/mm2-200-current density mA/m-420-block resistivity/-500246810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 305101520253035404550 frequency response/dBf/GHzFig.2 Curve of GMAX vs.frequency on the final stage GaN HEMT device图2 GaN HEMT末级器
14、件GMAX随频率变化曲线Fig.1 Load impedance circle of final stage GaN HEMT device图1 GaN HEMT的末级器件负载阻抗圆1055太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷采用 LC-CL 宽带匹配,实现 50 到最佳效率的阻抗变化,其所用的匹配元件比较少(4 个),匹配损耗降至 0.30.5 dB,提升了放大器的效率和宽带特性。根据本放大器高功率增益要求(大于 30 dB),结合单级晶体管 GMAX特性,采用 3 级放大结构,三级栅宽比为1:4:16。通常末级晶体管的输入阻抗比其输出阻抗小一个量级(本放大器的末级输出阻抗为 11.3+7.
15、8j,输入阻抗为1.8-5.6j),主要原因是输入有较大的栅源寄生电容 CGS,加之第二级驱动晶体管的输出阻抗比末级输出阻抗高 34 倍(栅宽比 1:4),限制放大器带宽的主要因素是 2、3 级级间匹配电路。图 4 是二、三级之间的等 Q 级间输出匹配圆图。把第三级栅偏置电路和第 2 级漏偏置电路融入级间匹配电路,由于变比 Q 值越高,匹配电路损耗越小,采用了 7 个元件进行了降 Q 匹配,实现宽带匹配。图 5 是本功率放大器采用的电路拓扑框图。图中虚线框分别是末级输出匹配和二、三级的级间匹配。一、二级的级间匹配和输入匹配则主要负责提供增益、均衡器和稳定性,可采用 S 参数进行集总参数优化,并
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2-6 GHz紧凑型、高效率GaN MMIC功率放大器 GHz 紧凑型 高效率 GaN MMIC 功率放大器
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。