基于GaN HEMT的13～17 GHz收发多功能芯片

基于GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺设计制作了一款收发(T/R)多功能芯片(MFC),主要用于射频前端收发系统.该芯片集成了单刀双掷(SPDT)开关用于选择接收通道或发射通道工作,芯片具有低噪声性能、高饱和输出功率和高功率附加效率等特点.芯片接收通道的LNA采用四级放大、单电源供电、电流复用结构,发射通道的功率放大器采用三级放大、末级四胞功率合成结构,选通SPDT开关采用两个并联器件完成.采用微波在片测试系统完成该芯片测试,测试结果表明,在13～ 17 GHz频段内,发射通道功率增益大于17.5 dB,输出功率大于12W,功率附加效率大于27％.接收通道小信号增益大于24 dB,噪声系数小于2.7 dB,1 dB压缩点输出功率大于9 dBm,输入/输出电压驻波比小于1.8∶1,芯片尺寸为3.70 mm×3.55 mm.     

Ku波段GaN大功率单刀双掷开关设计

基于开关器件的基本工作原理和设计方法,设计了一款GaN大功率Ku波段单刀双掷(SPDT)开关,并着重讨论了GaN大功率开关的耐功率能力.经制作得到不同栅指数、不同单指栅宽的GaN开关器件,测试了其基本性能,并比较了开关器件在GaN工艺与GaAs工艺下的性能差别.Ku波段SPDT开关实测S参数表明,插入损耗小于0.9 dB,隔离度大于27 dB,同时能够承受10W的连续波输入功率;适当牺牲耐功率能力可提升小信号的性能.这款开关可搭配GaN功率放大器与低噪声放大器用于收发组件前端.其尺寸仅有2.0 mm×1.4 mm,满足系统小型化的需求.     

6～18 GHz GaAs射频前端多功能MMIC

基于GaAs单片微波集成电路(MMIC)工艺设计并制备了一款宽带射频前端多功能电路芯片,其包含功率放大器、限幅低噪声放大器(LNA)和收发开关.功率放大器采用平衡式结构同时选择合适的匹配网络实现宽带匹配;限幅器第一级采用功分结构提高耐功率能力;LNA前三级采用电流复用拓扑结构实现低功耗,最后一级采用自偏置结构增加动态范围;天线端的开关具有较高的功率容量,保证信号经过开关后不会压缩而导致发射支路输出功率不足.测试结果显示,电路在6～ 18 GHz频带内,接收支路噪声系数典型值为3.7 dB,增益约为27 dB,1 dB压缩点输出功率典型值大于7 dBm,功耗约为140 mW,能耐受1W的连续波输入功率;发射支路饱和输出功率大于30 dBm,功率附加效率典型值为26％.     

采用电流复用拓扑的宽带收发一体多功能电路

基于标准的GaAs赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)单片微波集成电路(MMIC)工艺设计并制备了一款宽带收发一体多功能电路芯片.该多功能芯片包含了功率放大器、低噪声放大器和收发开关.放大器采用电流复用拓扑结构实现了低功耗的目标.收发开关采用浮地结构避免了使用负电源.芯片在14～ 24 GHz工作频率的实测结果显示:接收支路噪声系数小于3.0dB,增益大于18 dB,输入及输出电压驻波比(VSWR)均小于2.0,1 dB压缩点输出功率大于0 dBm,直流功耗为60 mW;发射支路增益大于21 dB,输入输出VSWR均小于1.8,1dB压缩点输出功率大于10 dBm,直流功耗为180 mW.芯片尺寸为2 600 μm×1 800 μm.该多功能收发电路的在片测试结果和仿真结果一致,性能达到了设计要求.     

GaN HEMT工艺的X波段发射前端多功能MMIC

采用0.25 μm GaN HEMT 工艺,研制了一款X 波段发射前端多功能MMIC,片上集成了一个单刀双掷(SPDT)开关和一个功率放大器电路。其中SPDT 开关采用对称的两路双器件并联结构,功率放大器采用三级放大拓扑结构设计,电路采用电抗匹配方式兼顾输出功率和效率。测试结果表明,在8～12 GHz 频带内,芯片发射通道饱和输出功率为38.6～40.2 dBm,功率附加效率为29%～34.5%,其中开关插入损耗约为0.8 dB,隔离度优于-45dB。该芯片面积为4 mm×2.1 mm。     

基于双栅长GaN集成工艺的Ku波段收发芯片

研制了一款Ku波段GaN收发多功能芯片。芯片集成了接收通道的低噪声放大器和发射通道的功率放大器,使用单刀双掷开关实现通道间切换。该芯片采用两种不同栅长集成的GaN HEMT工艺。低噪声放大器使用0.10μm低压低噪声工艺,功率放大器和开关使用0.15μm高压高功率工艺。低噪声放大器采用电流复用结构以降低功耗,功率放大器采用三级电抗式匹配网络以提高芯片输出功率。测试结果表明,在14～18 GHz频带内,发射通道线性增益≥30 dB,饱和输出功率≥40.5 dBm,功率附加效率典型值为23%;接收通道线性增益为24 dB（±0.2 dB）,噪声系数典型值为2.3 dB,功耗仅为140 mW(5 V/28 mA)。芯片面积为4.0 mm×3.0 mm。     

5G毫米波GaN收发前端芯片研究

收发前端芯片是5G混合波束赋形系统架构中的关键器件之一，其关键指标包括发射通路的高效率与接收通路的低噪声。研制了一款采用GaN集成工艺的Ka波段收发前端MMIC，采用谐波匹配技术提高发射通路的效率，通过接收电路拓扑的正确选择及前级匹配网络的优化设计降低接收通路的噪声系数。测试结果表明，芯片在37～40 GHz频率范围内发射通路饱和输出功率大于36 dBm，饱和效率大于26%，功率回退8 dB时三阶交调失真小于-33 dBc；接收通路增益大于19 dB，噪声系数小于3.6 dB。该收发前端芯片可应用于5G毫米波基站中。     

一种Lx波段高功率放大器的设计与仿真

本文介绍了一种 Lx 波段高功率放大器的设计方法。利用 3dB 耦合器组成功率分配与合成网络，通过四路合成的方案实现了高功率输出，采用 ADS 软件对功率放大器进行仿真与优化。仿真与测试结果表明，在 Lx 频带内，输出功率大于 930W，效率大于 43%，增益平坦度小于 0.8dB，增益大于 15dB。     

K波段收发多功能GaAs MMIC芯片

介绍了一种基于0.15μm GaAs pHEMT功率工艺的K波段收发一体多功能芯片。该多功能芯片包含了功率放大器和低噪声放大器及收发开关。接收支路19.6~23.0GHz内增益大于23dB,增益平坦度为±0.2dB,输入输出驻波均小于1.8,噪声低于3.5dB;发射支路21~23GHz内输出驻波小于2.2,输入驻波小于2,增益大于25.6dB。在22GHz时饱和输出功率为23.3dBm,饱和电流170mA,效率达到25.2%。该多功能芯片接收/发射由单刀双掷开关控制。芯片尺寸为:4.1mm×2.75mm×0.05mm。     

一种大功率高效率的Ku波段SiGe硅功率放大器设计

采用SiGe BiCMOS工艺设计了一款大功率高效率硅基功率放大器芯片,用于驱动现有大功率GaN功率放大器芯片,满足相控阵雷达的低成本需求。该硅基功率放大器通过和低噪声放大器、驱动放大器、数控移相器、数控衰减器、单刀双掷开关、电源管理以及数字逻辑单元等硅基电路进一步集成,实现了一片式高集成度硅基幅相多功能芯片,从而降低了前端收发组件的尺寸和成本。在硅基功率放大器设计中,结合Stack结构、变压器耦合结构和有源偏置结构,开展电路设计及优化,提高了放大器的输出功率和效率。测试结果表明:研制的硅基功率放大器在Ku波段f_1~f_2(3GHz带宽)频带内,实现了小信号增益31dB;在-3dBm输入功率条件下,实现发射功率21.5dBm、功率附加效率(PAE)25%等技术指标。集成功率放大器的幅相多功能芯片在f_1~f_2(3GHz带宽)频带内,实现了发射通道增益24dB;在5dBm输入功率条件下发射功率21.5dBm、功率附加效率(PAE)23%等技术指标。     

下一代移动通信LTE中功率放大器芯片设计

基于0.18μm SiGe BiCMOS工艺,设计了一种应用于下一代移动通信3GPP LTE TDD2.6 GHz频段(Band38)的射频功率放大器(PA)芯片。射频功率放大器采用共发射极3级级联的全差分结构,提高了输出电压摆幅,减小了功率晶体管的集电极电流,且降低了寄生的键合线电感。在预放大级和中间放大级、功率级中分别设计了电阻偏置和有源偏置两种偏置电路以提高线性度性能,并通过MOS开关管实现功率控制功能。测试结果表明:在2.57～2.62 GHz工作频段内,正向增益S21大于30.5 dB,输入回波损耗S11和输出回波损耗S22分别均小于-13 dB,功率增益大于31 dB,输出1 dB压缩点功率达28.6 dBm,功率附加效率为18%。     

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。     

一款集成驱动放大器的低变频损耗混频器设计

采用0.5μm GaAs工艺设计并制造了一款单片集成驱动放大器的低变频损耗混频器.电路主要包括混频部分、巴伦和驱动放大器3个模块.混频器的射频(RF)、本振(LO)频率为4～7 GHz,中频(IF)带宽为DC～2.5 GHz,芯片变频损耗小于7 dB,本振到射频隔离度大于35 dB,本振到中频隔离度大于27 dB.1 dB压缩点输入功率大于11 dBm,输入三阶交调点大于20 dBm.该混频器单片集成一款驱动放大器,解决了无源混频器要求大本振功率的问题,变频功能由串联二极管环实现,巴伦采用螺旋式结构,在实现超低变频损耗和良好隔离度的同时,保持了较小的芯片面积.整体芯片面积为1.1 mm×1.2 mm.     

9～15GHz GaAs E-PHEMT高性能线性功率放大器

基于0.15 μm GaAs增强型赝配高电子迁移率晶体管(E-PHEMT)工艺,研制了一款用于5G通信和点对点传输的高性能线性功率放大器单片微波集成电路(MMIC).采用栅宽比为1:4.4的两级放大结构保证了电路的增益和功率指标满足要求;基于大信号模型实现了最优输入输出阻抗匹配:采用电磁场仿真技术优化设计的MMIC芯片尺寸为2.5 mm×1.1 mm.芯片的在片测试结果表明,静态直流工作点为最大饱和电流的35％、漏压为5V的条件下,在9 ～15 GHz频率内,MMIC功率放大器小信号增益大于20 dB,1 dB压缩点输出功率不小于27 dBm,功率附加效率不小于35％,功率回退至19 dBm时三阶交调不大于-37 dBc.     

S 频段pHEMT 双通道低噪声放大器芯片的设计

采用GaAs 0.13μmp HEMT MMIC流片工艺设计和制作了一种S频段双通道低噪声放大器芯片,芯片内部集成了两个低噪声放大器通道、一级单刀双掷(SPDT)开关和一个晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平转换电路。低噪声放大器电路采用一级共源共栅场效应管(Cascode FET)结构实现,使其具有比单管更高的增益,简化了芯片拓扑,降低了芯片设计难度。经流片测试,在1.9~2.1GHz的工作频带内,芯片噪声系数优于1.4dB,增益大于22.5dB,输入驻波优于1.8,输出驻波优于1.4,输出1dB压缩点(P1dB)为10dBm。大量芯片样本在片测试统计数据表明该低噪声放大器成品率大于90%,性能指标优于目前同类商业芯片指标。     

基于GaAs HBT工艺的高增益宽带Doherty功率放大器设计

在传统Doherty功率放大器的基础上,采用砷化镓(GaAs)异质结双极晶体管(HBT)工艺,设计了一款可应用于5G通信N79频段(4.4~5 GHz)的高回退效率MMIC Doherty功率放大器(DPA)。通过在Doherty电路中采用共射-共基结构,并在共射-共基结构中加入共基极接地电容,大幅提升了DPA的增益和输出功率。使用集总元件参与匹配,减小了芯片的面积。仿真结果表明,在目标频段内,增益大于28 dB,饱和输出功率约为38 dBm,饱和附加效率(PAE)为63%,7 dB回退处的效率达到43%。     

级联型单级分布式宽带单片功率放大器

报道了一个采用级联型单级分布式结构的宽带单片功率放大器的设计方法和研制结果。文中通过拓扑比较和人工传输线理论研究,分析出该功放设计的难点,并基于仿真实验,给出解决方案。最终研制的两级单片功放在6～18GHz频率范围内线性增益13.5dB,平坦度±1dB,输入输出驻波比均小于2。全频带上,饱和输出功率为300～450mW,功率附加效率大于15%。该宽带单片功率放大器在100mm GaAs MMIC工艺线上采用0.25μm功率pHEMT标准工艺制作,芯片尺寸为2.7mm×1.25mm×0.08mm。     

A 77 GHz mHEMT MMIC Chip Set for Automotive Radar Systems

A monolithic microwave integrated circuit (MMIC) chip set consisting of a power amplifier, a driver amplifier, and a frequency doubler has been developed for automotive radar systems at 77 GHz. The chip set was fabricated using a 0.15 µm gate‐length InGaAs/InAlAs/GaAs metamorphic high electron mobility transistor (mHEMT) process based on a 4‐inch substrate. The power amplifier demonstrated a measured small signal gain of over 20 dB from 76 to 77 GHz with 15.5 dBm output power. The chip size is 2 mm × 2 mm. The driver amplifier exhibited a gain of 23 dB over a 76 to 77 GHz band with an output power of 13 dBm. The chip size is 2.1 mm × 2 mm. The frequency doubler achieved an output power of –6 dBm at 76.5 GHz with a conversion gain of ?16 dB for an input power of 10 dBm and a 38.25 GHz input frequency. The chip size is 1.2 mm × 1.2 mm. This MMIC chip set is suitable for the 77 GHz automotive radar systems and related applications in a W‐band.