微波、毫米波GaN HEMT与MMIC的新进展(续)

3 MMIC技术 在芯片上由GaN HEMT有源器件和无源元件(如MIM电容、薄膜电阻和衬底上的通孔等)所组成的微波单片集成电路(MMIC)和GaN HEMT分立晶体管几乎同步发展,MMIC技术的发展使GaNHEMT器件的电路应用能减少体积和质量,适应高频率的需求和批量生产.目前4英寸(1英寸=2.54 cm)圆片级GaN MMIC加工线已经成熟,GaN MMIC的工作频率已覆盖微波到3 mm波段,GaN MMIC的性能向高效率、高功率、宽频带和多功能集成的方向发展.     

毫米波GaN基HEMT功率MMIC

基于标准的SiC衬底AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺研制了毫米波段单片微波集成电路(MMIC)芯片.首先采用插入隔离层的方式得到复合沟道AlxGa1-xN/AlN/AlyGa1-yN/GaN HEMT结构.以EEHEMT模型作为粗糙模型,采用神经空间路线图的方法建立了人工神经网络模型,更好地表征了器件特性,提高了模型在毫米波下的精度.基于器件模型,进行了毫米波MMIC的设计,运用网络综合设计出简洁的电路拓扑和最优的宽带性能.芯片工艺采用0.2 μm介质栅场板结构提高器件的微波性能.研制的2级功率MMIC在27～ 30 GHz频段,工作电压25 V时,输出功率大于2.6W,功率附加效率大于15％,功率增益大于9 dB.     

Ka波段40W功率放大器MMIC的设计和实现

采用0.15μm栅长GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺，研制了一款Ka波段大功率、高效率功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。电路采用三级放大结构，在输入、输出端采用Lange耦合器进行功率分配和合成，输入匹配网络加入RC稳定结构以提升电路稳定性，末级器件采用改进型电抗式Bus-bar总线合成匹配网络，在保证各路平衡性的同时，调整器件电压和电流波形，提高电路的输出功率和功率附加效率。测试结果表明，在34～36 GHz频带内，放大器MMIC的饱和输出功率达到40 W,功率增益达到18 dB,功率附加效率达到30%。该功率放大器可有效改善毫米波发射系统的信号传输距离和作用精度。     

Ku波段GaN大功率高效率功率放大器MMIC

采用0.25μm栅长GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,研制了一款Ku波段高输出功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。在器件结构上,通过优化场板尺寸参数提高器件的击穿电压,提升了其静态工作电压。在电路设计上,优化匹配结构以实现输出功率和效率的最佳匹配。测试结果表明,在14～16 GHz,功率放大器MMIC实现了饱和输出功率大于100 W,功率附加效率大于40%。该48 V Ku波段GaN功率放大器MMIC具有高电压、大功率、高效率的特点,具有广阔的应用前景。     

基于GaN HEMT器件的P波段小型化40 W发射模块

氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)器件具有高功率和功率密度、高导热率、高击穿场强、宽工作频带等特点,适合小型化、宽频带、大功率应用.基于GaN功率器件的特点研制了P波段宽带小型化40 W发射模块.通过负载牵引技术对GaN HEMT器件进行了大信号参数的提取,运用ADS软件进行了匹配电路的设计,对功率放大器的性能指标进行了优化,并基于LTC4440和nMOS器件设计了高压脉冲调制电路.研制结果表明,该模块在400 MHz工作带宽内(相对带宽100％)的输出功率为46.6 dBm (45.7 W),功率增益为36.6 dB,功率附加效率(PAE)为40.4％,杂波抑制为65.7 dBc,脉冲项降为0.4 dB,脉冲上升时间为75 ns,脉冲下降时间为50 ns,模块尺寸为50 mm×40 mm×20 mm.     

GaN高电子迁移率晶体管高频噪声特性的研究

基于FUKUI噪声模型,分析了GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的高频噪声特性,结果表明,由于GaN HEMT具有更高的临界电场和更大的电子饱和速度,与第2代半导体器件(GaAs HEMT等)相比具有更优越的噪声性能.对近10多年来国内外在GaN HEMT低噪声器件及其低噪声功率放大器单片集成电路(MMIC)方面的研究进行了综述,并分析了GaN HEMT在低噪声应用领域目前存在的主要问题及其发展趋势.     

一种V波段高效率5W GaN功率放大器MMIC

基于0.13μm SiC基GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺,设计了一款V波段GaN功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。该功率放大器MMIC采用三级放大拓扑结构以满足增益需求;使用高低阻抗微带传输线进行阻抗匹配,通过威尔金森功分器/合成器完成功率放大器的末端功率合成;通过对晶体管宽长比的设计与多胞晶体管的合成,实现了功率放大器的高功率稳定工作和高效率输出。经过测试,在59～61 GHz频率范围内,在占空比为20%、脉宽为100μs时,该功率放大器MMIC的饱和输出功率达到37 dBm以上,功率附加效率(PAE)大于21.1%,功率增益大于17 dB;连续波测试条件下输出功率大于36.8 dBm, PAE大于21%。该设计在输出功率和PAE上具有一定的优势。     

固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的新进展

固态微波毫米波、太赫兹器件与电路是微电子、纳电子领域的战略制高点之一,SiCMOS技术进入纳米加工时代,GaAs,InP材料的"能带工程"(超晶格、异质结),GaN材料的宽禁带和界面特性以及石墨烯纳米级新材料的创新发展都深刻影响着固态微波毫米波、太赫兹器件与电路的进展。描述了固态微波、毫米波和太赫兹器件与电路当前发展的新亮点,包括纳米加工技术、石墨烯新材料、GaN MMIC功率合成突破3 mm频段百瓦级、三端器件进入太赫兹和两端器件倍频链突破2.7 THz微瓦功率。并重点就当前发展的RF CMOS,SiGe HBT,LDMOS,GaAsPHEMT,GaAs MHEMT,InP HEMT,InP HBT,GaN HEMT,GFET和THz倍频链等10个领域的发展特点、2011年最新发展以及未来发展趋势进行介绍。     

C波段高效率高线性GaN MMIC功率放大器

基于SiC衬底0.25μm GaN HEMT工艺,设计实现了一款C波段、高效率和高线性的单片微波集成电路(MMIC)功率放大器。通过优化电路匹配结构,选择合适的有源器件和恰当的直流偏置条件,实现低视频漏极阻抗;利用后级增益压缩和前级增益扩张对消等手段,实现高功率附加效率和好的线性指标。功率放大器芯片尺寸为2.35 mm×1.40 mm。芯片测试结果表明,在3.7~4.2 GHz频率范围内,漏极电压28 V、末级栅极电压-2.2 V、前级栅极电压-1.8 V和连续波条件下,该功率放大器的小信号增益大于25 dB,大信号增益大于20 dB,饱和输出功率大于39 dBm,在输出功率回退至32 dBm时,功率附加效率大于30%,三阶交调失真小于-37 dBc。     

0.2～2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2～2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。     

等平面化SiC MESFET的研制

在原有设计以及工艺的基础上,采用了器件表面等平面化处理及侧壁钝化工艺,器件工作电压大幅度提高,截止漏电流降低约两个数量级,跨导提高1.5mS/mm。2GHz下测试,微波功率附加效率提高10%左右,增益平均提高了2dB,在VDS=60V的条件下单管功率输出达到了86.5W。经过内匹配和功率合成研制成大功率的SiC脉冲功率管的综合性能较好,在250W的输出功率下,器件仍然保持高达10.5dB的高增益,功率附加效率30%。台阶仪和扫描电镜观测表明,台阶高度已经大大降低,侧壁得到了钝化,尖锐突起和凹坑都已经变得平缓。     

高饱和电流光电探测器在低噪声系数和高增益RoF光链路中的应用

研究了光载无线通信(RoF)链路中掺Er3+光纤放大器(EDFA)对链路噪声系数(NF)和增益的影响,同时采用自制的具有高响应度、高饱和功率特性单载子传输光电探测器(UTC-PD)作为链路光电转换器件,在不以NF为代价的同时使得链路增益性能获得大幅提升。实验表明,对于由LD、马赫-曾德调制器(MZM)、EDFA、光滤波器(OBPF)和UTC-PD组成的RoF光链路,在LD输出功率为17dBm、UTC-PD的输出平均光电流为60mA时得到最低链路NF为30.3dB,相比不含EDFA的基本链路在LD输出光功率同为17dBm时的NF略小0.4dB;同时链路增益高达15.5dB,相比基本链路大幅提升了41.3dB。     

GaN 开关类功率放大器温度特性的研究

为了研究GaN 开关类功率放大器(PA)的温度特性,通过开展一系列的温度测试来研究温度变化对 该GaN PA 各个性能参数的具体影响。测试结果表明:首先,较高的温度(>80℃)会使GaN HEMT 的电特性发生严重恶化,进而导致器件的性能和可靠性显著下降。其次,对于该开关类GaN PA 来说,随着温度的持续升高,其功率附加效率(PAE)显著降低,不能再保持高效率。而且,随着温度的突变和冲击次数的增加,电路出现显著的退化甚至失效。这些都说明了温度的变化对PA 的性能产生了很大的影响,开关类PA 对温度的变化非常敏感,而且温度冲击对其性能影响更为显著。这些研究为PA 的可靠性设计提供了重要指导。     

一款低功率下具有高效率的多模多频功率放大器

越来越多的移动通信协议要求射频功率放大器在低功率模式下具有高效率和低工作电流,为了满足这种需求,本文提出了一种全集成的多模多频射频功率放大器模块设计。本设计通过双路径的功率放大器实现了高功率、中功率和低功率三种模式,并且模块内部没有任何用于模式选择的串联开关。在不同功率模式下,通过最优化负载设计,不仅极大程度的降低了芯片的工作电流,而且实现了良好的工作性能。本设计采用InGaP/GaAs异质结双极晶体管工艺和0.18um的互补金属氧化物半导体工艺完成流片。芯片的实际测试结果显示在低功率模式下,该射频功率模块仅3mA的静态电流,并且在1.7-2.0 GHz带宽范围内高中低功率模式都实现了良好的射频性能,在高功率模式下,输出功率28dBm时,实现了至少39.4% 的功率附加效率和-40 dBc邻道泄漏比;在中功率模式下,输出功率17 dBm时,实现了至少21.3% 的功率附加效率和-43 dBc邻道泄漏比;在低功率模式下,输出功率8 dBm时,实现了至少18.2% 的功率附加效率和-40 dBc邻道泄漏比。     

C波段大功率GaN HEMT内匹配器件

基于GaN微波功率器件工艺制作了大栅宽GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)管芯,通过负载牵引及建模技术提取了管芯的输入阻抗、输出阻抗.采用二项式多节阻抗匹配变换器实现了宽带功率分配器及合成器电路的制作,通过采用LC网络提升了管芯输入阻抗、输出阻抗,加入了稳定网络,实现了50 Ω阻抗匹配.采用高热导率金属陶瓷外壳,提高了器件散热能力.最终研制成功大功率GaN HEMT内匹配器件,器件采用四胞管芯功率合成技术,总栅宽为40 mm.测试结果表明,频率为4.5～4.8 GHz,脉宽300μs,占空比10％,工作电压VDSs为28 V,器件的输出功率大于120 W,功率附加效率大于50％,功率增益大于11 dB.     

S波段连续波输出功率20W的SiC MESFET

采用自主开发的SiC外延材料和工艺技术,相继实现了S波段连续波状态下输出功率瓦级和10 W的SiC MESFET。经过版图设计的改进和工艺条件的优化,取得了S波段连续波状态下输出功率大于20 W,功率增益大于12 dB,功率附加效率大于30%的SiC MESFET研制结果。器件的功率增益和输出功率较以往的研制结果均得到显著提高,器件的反向截止泄漏电流也大幅度降低。由于器件未采用内匹配结构,其体积也比一般内匹配器件的体积小。研制结果为多胞合成实现更大功率输出的器件创造了条件,也使S波段连续波大功率输出器件的研制水平上了一个新的台阶。     

P波段3kW GaN功率器件的研制

介绍了一款高压高功率GaN功率器件及其匹配电路。基于国内高压GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的研究基础,选取了GaN HEMT芯片,确定了器件的总栅宽。根据GaN HEMT芯片阻抗,器件内部进行了LC谐振匹配设计,外部采用双边平衡同轴巴伦进行推挽匹配设计。散热方面通过改善封装管壳热沉材料提高热导率。最终成功研制出高压、3 kW的GaN功率器件,该器件在工作电压为60 V、工作频率为0.35~0.45 GHz、脉宽为300μs、占空比为10%条件下,频带内输出功率大于3 kW、功率增益大于16 dB、功率附加效率大于71%、抗负载失配能力不小于10∶1。     

一种高功率因数电源的设计与实现

介绍以CCM模式的功率因数校正（PFC）控制器UCC28019为核心的高功率因数电源设计。论述其基本原理及软硬件实现。采用PWM调制技术使输出电压数字可调,通过闭环反馈调节使电源功率因数达到98％以上。以MSP430F449为控制和运算核心,实时显示当前电源参数。该系统可有效地抑制电流谐波,校正功率因数,达到较好的性能指标,具有一定实用性。     

低压低功耗无源UHF RFID标签芯片模拟前端电路的设计

本文从设计符合EPCTM C1G2协议的超高频无源射频识别标签芯片的角度出发,对RFID标签芯片模拟前端电路进行设计.通过对各个关键电路的功耗与电源进行优化,实现了一个符合协议要求的低电压、低功耗的超高频无源RFID标签芯片的模拟前端.该UHF RFID标签模拟前端设计采用SMIC 0.18 μm EEPROM CMOS工艺库.仿真结果表明,标签芯片模拟前端的整体功耗控制在2.5 μW以下,工作电源可低至1 V,更好地满足了超高频无源射频识别标签芯片应用需求.     

SSPA高功率放大器的预失真设计与实现

仿真分析了由于高功率放大器(High Power Amplifier,HPA)的非线性失真对OFDM信号造成的影响,设计了基于清华大学DMB-T高清晰度数字电视标准的SSPA(Solid State Power Amplifier)3 W功放,利用了多项式拟合及FPGA技术,考虑到曲线拟合误差和HPA的特性,采用了分段拟合,硬件实现了SSPA的预失真,可将带外功率失真降低约10 dB左右,在很大程度上抑制了带外及带内失真.