Ku波段GaAs pHEMT单片功率放大器设计与实现

摘要

随着各种高科技武器,尤其以相控阵雷达为代表的微波收/发组件(T/R)的大量广泛应用,微波单片集成电路(MMIC)在军事国防中已逐渐替代传统的混合集成电路,成重要的支撑力量。在民用和商业领域,3G技术的广泛应用的4G技术的发展也对无线通信终端和通信基站等微波系统中的收/发组件提出了更高的要求。微波单片集成电路是通过一系列的半导体工艺方法制造出的应用于微波(乃至毫米波)频段的功能电路,使得微波通信系统可以低成本、大批量、小型化生产。微波单片集成电路的设计和制造成为各国竞争十分激烈的先进技术。功率放大器作为各种通信系统,尤其是微波收/发组件(T/R)中的核心部件,成为制约系统发展的瓶颈,对微波单片功率放大器的研究和设计有着重要的意义。
　　砷化镓(GaAs)材料制作的微波功率晶体管,具有效率高、噪声功率低、抗辐射能力强等优点,可以在连续波和脉冲状态下工作。其中砷化镓赝晶高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)采用具有多层外延的异质结结构,形成具有二维电子气的高电子迁移率器件,更适合高频大功率应用,是GaAs场效应晶体管中的主流技术,己经形成了一定的系列化商品,并且未来仍将对GaAs器件有相当大的需求。
　　本文介绍了微波功率放大器基本理论,MMIC材料的物理特性,pHEMT晶体管的物理结构及其工作原理,MMIC电路中的无源器件及其模型。在此基础上,使用安捷伦公司的ADS微波电路仿真软件,采用3级共源级放大器级联的电路拓扑结构,设计了一款Ku波段2W GaAs单片功率放大器,并在中国电子科技集团公司第十三研究所的0.25 um GaAs pHEMT工艺线上进行流片。芯片进行载体装配后,经测试,在14.5~17GHz频段内可提供大于33dBm(2W)的饱和输出功率,19dB小信号增益,带内增益平坦度小于1dB,功率附加效率大于24％,输入输出驻波均小于2.0。芯片尺寸3.15×1.7mm2。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 引言

1.1研究背景及意义

1.2 MMIC国内外发展现状

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3论文主要工作

第二章 功率放大器基本理论

2.1 功率放大器主要性能指标

2.1.1 增益(Gain)

2.1.2 1dB压缩点输出功率( P-1 )

2.1.3 饱和输出功率Psat

2.1.4 功率效率与功率附加效率

2.1.5 线性度

2.2.6 小信号S参数

2.2功率分配/合成

2.2.1 平行合成网络

2.3.2 阻抗变换合成网络

2.2.3 Wilkinson功率分配/合成网络

2.2.4 总线合成网络

2.2.5 Lange耦合器

2.3 本章小结

第三章 GaAs MMIC材料、工艺及器件模型

3.1 GaAs MMIC材料

3.2 GaAs pHEMT工艺

3.3 MMIC无源器件

3.3.1 微带线

3.3.2 电容

3.3.3 电感

3.3.4 电阻

3.3.5 对地通孔和键合压点焊盘

3.4本章小结

第四章 GaAs pHEMT MMIC PA的设计与实现

4.1 MMIC PA的设计方法

4.2 MMIC PA电路原理图设计

4.2.1 阻抗匹配网络拓扑设计

4.2.2 各级有源器件选择

4.2.3 末级输出网络设计与版图考虑

4.2.4 偏置电路设计

4.2.5 整体电路仿真与优化

4.3 版图电磁场仿真

4.4芯片测试及分析

4.4.1 芯片测试方法

4.4.2 芯片测试与分析

4.5 本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献