微波放大器 微波高功率固态放大器技术综述

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微波集成电路技术是无线系统小型化的关键技术。在毫米波集成电路中，市场急需高性能、紧凑的功率放大器芯片电路。一般来说，微波功率放大器的芯片性能很大程度上取决于制造工艺，每个工艺对功率放大器来说都有不同的特点或优势。对于工作频率不高于100GHz的芯片，砷化镓和氮化镓材料在功率上有优势。如果频率是器件的首要考虑因素，磷化铟器件制成的功率放大器的频率可以高达500GHz以上。

砷化镓MMIC

当然，对于工业制造来说，产品成本也是功率放大器设计和量产的重要因素。特别是对于消费电子产品，互补金属氧化物半导体有利于片上系统集成，因此具有成本优势。从应用场景来看，毫米波芯片在不同频率下工作时有不同的要求，比如Ka波段的26.5~40GHz，目前主要用于卫星和中长距离点对点通信。高功率是该频段功率放大器的首要指标，所以首选氮化镓和砷化镓制成的功率放大器芯片。对于60GHz，由于该频段电磁波衰减大，主要用于短距离高速通信，面向消费电子市场，因此成本较低的CMOS半导体和硅锗器件是未来该频段芯片设计的首选。在这篇综述中，首先将对毫米波固态电路芯片制造的基础技术进行比较；然后，根据不同的设计指标，介绍了相应的解决方案，包括功率半导体芯片的设计框架和设计思路。最后，比较了各种功率放大器的工艺特点和设计方法，希望能为R&D在这方面的工作提供一个直观的设计参考。

200瓦，50伏，氮化镓HEMT

1微波芯片制造技术

1.1砷化镓

目前，GaAs技术包括两种器件技术:伪调制掺杂异质结场效应晶体管和应变高电子迁移率晶体管。pHEMT比mHEMT设备更容易在市场上买到。在商业领域，知名公司包括qorvomixproadm/a-com和Excelics等。大多数固态功率放大器的工作频率为6GHz至120GHz。比如Qorvo公司的TGA4706-FC芯片，在76~83GHz的频率范围内，可以提供15dB以上的增益和14dBm的饱和输出功率。基于70纳米pHEMT器件，砷化镓毫米波固态功率放大器可以工作在100GHz以上。非消费电子应用的主流砷化镓功率放大器产品位于6到6~40GHz之间，目标是x波段雷达和Ku､Ka-band卫星通信。如果不采用分布式功率放大器结构，其带宽通常在10 GHz以内。由于测量微波固态功率放大器的重要指标之一是饱和输出功率，Qorvo公司的商用芯片TGA4916在29~31 GHz的频率范围内可以输出38dBm。在17~30 GHz的频率范围内，现有pHEMT功率放大器的功率附加效率集中在25% ~ 45%之间

应变式高电子迁移率晶体管研发的初衷是为了解决磷化铟和砷化镓衬底的失配问题。基本方法是在砷化镓衬底上加一层铟。该技术器件具有较高的晶体管截止频率和较低的噪声。报道的由mHEMT制成的毫米波功率放大器，频率在200 GHz以上。在低于40 GHz的频率下，mHEMT的功率放大器很少被报道，与pHEMT制备的功率放大器相比没有竞争优势，只能参考少数用于实验的低噪声放大器5瓦，0.5 - 2.7千兆赫，50伏，氮化镓HEMT。

1.2氮化镓

氮化镓器件具有高电子迁移率和高击穿电压，是高效大功率放大器设计的首选。它们的工作频带可以从DC到接近100千兆赫。特征栅长为0.1和0.15微米的器件问世后，许多工作频率超过70 GHz的氮化镓功率放大器得到了验证。在低于30 GHz的频率下，毫米波功率放大器芯片在功率效率和带宽方面表现出了突出的性能，如ACTEL-THALES III-V实验室开发的氮化镓功率放大器。输出功率达到43 W，同时保持52%的功率增加效率1.4硅锗。三菱电机公司研制的功率放大器在14 ~ 16 GHz频段可输出60 W功率和45%的功率附加效率硅锗器件的发展主要由IBM等公司推动。采用双极BiCMOS技术，可以作为CMOS的替代品。同尺度器件的性能和截止频率都有很大的提高，同时也有价格低廉的优势。与同频工作、性能相近的CMOS器件相比，硅锗异质结晶体管的耐压高于硅基互补金属氧化物半导体。由于其较高的电流处理能力，它也适用于集成微波功率放大器。在21~26 GHz频段，硅锗异质结晶体管放大器可以提供23 dBm的饱和功率输出，功率增加效率达到19.8%。据报道，功率放大器在60 GHz频段的性能有所下降，当饱和输出功率为20 dBm时，功率增加效率为12.7%图4其他分布式放大器。。氮化镓功率放大器采用分布式放大器电路拓扑，同时显示出宽带和高功率的优势。由于pHEMT器件的商业应用已经成熟并优化多年，氮化镓功率放大器在30 GHz以上仍处于与砷化镓的竞争地位。当两个设备显示相似的输出功率时，它们的内部技术实现路径略有不同。由于氮化镓器件的高功率特性，因此，用这种器件设计的功率放大器电路可以在最后阶段用更少的晶体管合成，这可以匹配用更多GaAs器件实现的指标。然而，由于氮化镓器件的尺寸很大，需要占用很大的芯片面积，因此多级电路的增益往往不如GaAs pHEMT晶体管。

40瓦，6.0千兆赫，氮化镓HEMT芯片

1.3硅基互补金属氧化物半导体

与砷化镓和氮化镓器件相比，CMOS半导体能提供的输出功率非常有限。原因是这种器件击穿电压低，晶体管的电流容差不高。其最大的优势在于易于与高集成度、低功耗的数模系统集成，使系统具有低成本、高集成度、应用范围广的优点。由于其在消费电子市场的大规模应用，近年来互补金属氧化物半导体功率放大器的集成研究成为热点，因为当它与模拟和数字部分集成为片上系统时，在价格可靠性和方便性方面显示出独特的优势。目前，工作频率高于15 GHz的CMOS功率放大器的输出功率约为20 dBm。并且正在向30 dBm前进1个TGA4916布局。因为CMOS是按照摩尔定律发展的，各种半导体器件中特征尺寸工艺领先，所以晶体管的截止频率更高。借助分布式电路结构，其工作带宽可达几十千兆赫。近年来，由于60 GHz频段附近的频谱资源向世界上大多数国家开放，无需购买许可证即可使用，而且大气传播衰减主要用于短距离通信，因此该频段的CMOS功率放大器成为研究热点。目前该频段最高功率水平在20 dBm左右，功率附加效率一般小于25%。

1.5磷化铟

由于InP异质结晶体管的截止频率可以大于500 GHz，这种器件非常适合制备工作频率在100 GHz以上的毫米波芯片。在电路拓扑中，InP固态功率放大器的拓扑大多是通过多级级联和末级单管输出实现的。它在G波段的输出功率可达20 mW。为了进一步提高这类器件的耐压特性，双异质结结构的场效应晶体管是一个改进的版本图5堆叠场效应晶体管拓扑。当磷化铟器件用于较低频率时，例如20 GHz放大器设计，单级放大器结构可以提供62%的功率增加效率和20 dB增益除了提高功率和增益，使用这种晶体管/场效应晶体管叠加技术的另一个优点是减少了固态功率放大器芯片所需的面积。在给定设计指标的条件下，采用叠加技术后所需级联的级数会相应减少，同时级间匹配的工作量也会减少，而晶体管/场效应管增加的面积相对于级间匹配电路可以忽略不计。所以很多叠加功率放大器往往只需要匹配输入输出端口，芯片较少。。如果通过该频带中的多通道合成来改善输出，

微波高功率放大器设计技术

2.1二进制功率合成技术

一般来说，在其他外部条件不变的情况下，微波功率放大器的输出功率能力与总晶体管或场效应管的栅极宽度成正比。虽然理论上可以通过增加单个晶体管来增加输出功率，但这种方法在实际应用中会造成匹配困难和截止频率降低，因为此时晶体管的输入输出阻抗太低。当单个晶体管不能满足微波功率放大器的输出功率指标时，最常用的方法是使用二进制方法来提高输出功率。经典的功率合成器有T型网络和Wilkisnon功率合成器。插入功率合成器后，放大器的效率和工作带宽会降低。例如，在多管合成的条件下，文献然后，本文介绍了各种固态功率放大器的设计技术。二元功率合成技术是实现大功率输出固态放大器的首选，合成路径的数量可以灵活选择。但是，随着合成路径的增加，电路拓扑会变得复杂，芯片面积也会相应增加。平衡放大器有助于提高放大器输入输出的宽带匹配。可与T型网络或Wilkisnon功率合成器配合使用。基本的分布式放大器可以达到最大的宽带匹配效果，但其输出功率增益和功率相加效率都不好，因此可以配合先进的氮化镓技术和改进的分布式放大器电路结构来弥补这三个缺点。晶体管/场效应晶体管叠加技术可以实现更小的芯片面积，满足多级电路的设计要求，但对半导体元件的DC偏置电压和击穿电压的要求也会相应提高。中功率放大器的功率增加效率降低到单管的一半左右。T型网络和威尔金森功率合成器的区别在于，T型功分器网络很难满足每个端口的匹配和两个组合端的隔离，而威尔金森功率合成器在两个组合端增加电阻，使所有端口满足匹配条件，提前隔离组合端口。一般来说，使用二进制模式的功率合成技术应用范围广，可以灵活选择要合成的通道数量，是商用芯片实现大功率输出的首选方式。图1所示的商用芯片TGA4916在最后一级采用32通道合路器提高输出功率，芯片面积为3.86×5.17 mm2，因此也可以找到二进制组合。

2.2平衡放大器

对于需要在宽带工作的功率放大器，输入和输出端口需要在宽带匹配50ω，以实现低驻波系数，这可以减少连接到外部元件时增益和输出功率的降低。此时，两个支路的相位差可以通过90°耦合器来实现。最后，同方向的信号在合并端相加，由于180°相位差，反射波被抵消。在集成电路设计中，兰格耦合器结构紧凑，能够满足宽带功率放大器的需要。在这种平衡功率放大器中，输入和输出端口成对使用兰格耦合器，如图2所示。

2平衡放大器

2.3分布式放大拓扑

分布式放大器设计的基本思想是利用具有电容特性的晶体管或场效应管和外接电感构成类似传输线的结构，使整个结构具有传输线的特性，最终达到宽带匹配的效果。虽然这种结构可以达到覆盖多个频段的匹配效果，但代价是获得的增益和功率附加效率往往不高。功率合成的效果不如T型和威尔金森功分器。然而，如果行波放大拓扑与先进的氮化镓技术相匹配，可以弥补其在功率和效率上的不足。因此，利用氮化镓技术设计的分布式功率放大器可以获得许多优势，包括宽带大功率和中等PAE性能。文献报道，分布式放大器的饱和输出功率为38 ~ 44。

图3氮化镓分布式放大器

分布式放大器电路拓扑和其他结构的灵活组合可以产生一系列新的放大器电路形式来提高增益，例如串联共射共基放大器和矩阵分布式放大器，如图4所示。在图4a的串联分布式放大器中，三个分布式放大器被级联以提高它们的增益和输出功率。在图4a和4b中，每个放大器单元的增益通过使用共射共基放大器连接来提高。这三种电路虽然拓扑结构不同，但本质是通过增加放大器增益和分布式放大器的宽带优势来增加功率放大器的总增益带宽积。

2.4晶体管/场效应晶体管叠加

放大单元的改进也可以提高功率放大器的增益和输出功率，如单级叠加晶体管或场效应晶体管。虽然这种方法在电路拓扑上类似于共源共栅，但有两个区别:一是叠加晶体管/场效应后，对电源电压的要求会相应上升，以满足支路偏置的要求，同时获得更高的输出功率。例如，砷化镓和氮化镓场效应晶体管比硅基互补金属氧化物半导体具有优势。对于图5所示的电路，场效应晶体管堆叠后，漏极电压增加到公共源极电路的两倍，Vg2需要相应增加；第二，叠加技术不限于两个晶体管/场效应管，可以叠加三个以上的单元。

3总结

本文首先总结了微波固态大功率放大器的实现过程和设计方法。目的是为设计人员提供可以参考和快速选择的技术方法。从工艺选择的角度来看，需要结合功率放大器的应用场景和器件的技术水平。对于卫星通信等远距离传输，GaAs pHEMT和GaN器件具有固有的技术优势。对于消费电子产品，硅锗和硅基互补金属氧化物半导体固态功率放大器可以满足片上系统的设计指标，从而降低系统的整体成本。对于亚毫米波和太赫兹固态功率放大器，可以选择截止频率较高的磷化铟和砷化镓Mhmet器件。