短毫米波InP DHBT单片放大器研究

摘要

短毫米波/太赫兹系统在雷达、电子战、通信和成像技术上应用前景十分广泛，是目前国内外微波技术领域的研究重点和发展前沿。单片放大器作为其中的关键部件，更是研究的重中之重。磷化铟（InP）基双异质结晶体管（DHBT）具有工作频率高、功率密度大、线性度好、抗辐照特性强等优点，非常适合制作短毫米波单片放大器。因此InP DHBT短毫米波单片放大器的研究，具有十分重要的研究价值和现实意义。本文的研究工作如下：
　　利用InP DHBT的小信号等效电路模型，结合ADS、HFSS联合电磁仿真的方法设计了一款多级级联的140~220GHz的单片放大器。针对有源器件增益低、无源结构插入损耗较大的缺点，采取匹配网络连同偏置网络一起进行共轭匹配的改进方法和多级级联的拓扑结构以实现高增益；采用λ/4高阻抗线、并联接地去耦电容和稳定电阻的偏置结构以保证晶体管的正常工作和电路稳定。仿真结果表明：放大器在215GHz~225GHz频段内，小信号增益大于10dB，在220GHz处达到峰值小信号增益12dB。在片测试结果为：在 Vce=1.5V，Ibb=500μA偏置条件下，放大器小信号增益在156.5GHz~179GHz频率内大于8dB，在161GHz处达到最大增益9.83dB，输入端S11在-4dB左右，输出端S22优于-10dB。
　　利用InP DHBT的Agilent HBT大信号等效电路模型，设计了一款中心频率为140GHz的片上功率合成的MMIC功率放大器。采取匹配网络和偏置网络一起进行共轭匹配设计的改进方法和三级级联的拓扑结构以实现高增益；针对单管输出功率低的缺点，采用四路Wilkinson功率合成技术手段以提高输出功率。仿真结果表明：功率放大器在135~145GHz频段内，小信号增益达到10dB，输出功率大于10dBm，在140GHz时饱和输出功率为10.49dBm，相应的功率增益为5.49dB，135GHz时达到最大输出功率10.59dBm。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 InP DHBT功率放大器发展动态

1.3 本文主要内容

第二章 InP DHBT器件特性与工艺简介

2.1 InP DHBT工作机理

2.2 InP DHBT器件性能

2.3 InP DHBT生长技术

2.4 InP DHBT工艺简介

2.5 本章小结

第三章 功率放大器设计理论和MMIC校准方法

3.1 MMIC功率放大器设计理论

3.2 MMIC校准方法

3.3 本章小结

第四章 140~220GHz InP DHBT单片放大器设计

4.1 晶体管选择及模型

4.2 总体设计考虑与技术方案

4.3 静态工作点与偏置电路的设计

4.4 匹配电路的设计

4.5 整体电路联合仿真与优化

4.6 放大器在片测试与分析

4.7 本章小结

第五章 140GHz InP DHBT功率放大器设计

5.1 晶体管选择及模型

5.2 总体设计考虑与技术方案

5.3 匹配电路的设计

5.4 级联电路优化与仿真

5.5 功率合成网络

5.6 总体电路联合仿真

5.7 本章小结

第六章 结 论

6.1 本文的主要贡献

6.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果