基于GaAs/GaN工艺的单片宽带放大器研究

摘要

MMIC电路具有尺寸小、重量轻、可靠性高等优势，在相控阵雷达、仪器仪表、卫星通信、光纤系统等领域有着广泛的应用。低噪声放大器和功率放大器是射频前端电路中的关键部件。无线通信技术的快速发展，对宽带MMIC放大器有着广泛的需求，因此对宽带MMIC放大器的研究具有重要的意义。
　　本文对宽带放大器常见的电路进行了对比分析。本文使用0.15μm GaAs pHEMT工艺，设计了一款工作带宽为2～6GHz的宽带MMIC低噪声放大器电路。整体电路结构采用两级级联放大的结构。低噪声放大器的供电部分采用单电源供电，该供电结构具有结构简单的优点。对于低噪声放大器的第一级，采用在晶体管源极串联电感折中噪声匹配和输入匹配。低噪声放大器的两级电路均采用并联负反馈技术，从而扩展电路的工作带宽。本文分析了MMIC低噪声放大器的电路原理图和版图设计的方法。版图仿真结果表明，在工作带宽2～6GHz范围内，MMIC低噪声放大器的噪声系数小于1.6dB，增益达到19～19.4dB，输入端反射系数S11小于-12.8dB，输出端反射系数S22小于-8.3dB。
　　GaN HEMT具有较大的输出功率、较高的工作效率等优势。本文采用0.25μm GaN HEMT工艺设计了一款宽带MMIC功率放大器。输出级匹配网络的设计是匹配网络设计的关键。本文采用电抗匹配网络进行输出级匹配网络的设计，并结合阻抗在Smith圆图上的变化趋势，确定输出级阻抗匹配网络。版图仿真结果表明，在工作带宽2～4GHz范围内，MMIC功率放大器的输出功率大于38dBm，功率附加效率为29％～48.8％，输入端反射系数S11小于-7.7dB，输出端反射系数S22小于-9.2dB。

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摘要

第一章 绪论

1．1 MMIC技术的发展历程

1．2 MMIC电路的优势

1．3 MMIC芯片的应用

1．4 MMIC低噪声放大器

1．5 MMIC功率放大器

1．6 本文的主要内容安排

第二章 放大器的理论基础

2．1 二端口理论

2．2 噪声理论

2．3 放大器的分类

2．4 低噪声放大器的主要技术指标

2．4．1 工作带宽

2．4．2 噪声系数

2．4．3 增益与增益平坦度

2．4．4 输入、输出驻波比

2．4．5 稳定性

2．4．6 1dB压缩点与三阶交调

2．4．7 动态范围

2．5．1 输出功率

2．5．2 效率

2．6 宽带放大器的结构

2．6．1 电抗匹配式结构

2．6．2 有耗匹配式

2．6．3 分布式结构

2．6．4 平衡式结构

2．6．5 负反馈式结构

2．7 本章小结

第三章 MMIC器件与工艺

3．1 无源元件

3．1．1 微带线

3．1．2 电阻

3．1．3 电感

3．1．4 电容

3．2 有源元件

3．2．1 半导体材料

3．2．2 高电子迁移率晶体管

3．2．3 pHEMT器件模型

3．3 MMIC制造工艺的流程

3．4 MMIC电路设计的流程

3．5 本章小结

第四章 基于GaAs工艺的宽带低噪声放大器设计

4．1 晶体管直流特性仿真

4．2 偏置电路的设计

4．3 稳定性分析

4．4 匹配电路的类别

4．4．1 集总式元件匹配

4．4．2 分布式元件匹配

4．4．3 混合式元件匹配

4．5 低噪声放大器整体电路的设计

4．6 本章小结

第五章 基于GaN工艺的宽带功率放大器设计

5．1 功率放大器的结构

5．1．1 单级功率放大器

5．1．2 多级功率放大器

5．2 输出级匹配网络的设计

5．3 级间匹配网络的设计

5．4 输入级匹配网络

5．5 功率放大器的版图和仿真结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况