韓江安 馬凱學

摘要微波集成電路在民用和軍用電子中起到至關(guān)重要的作用。在微波集成電路領(lǐng)域，高功率的功率放大器為發(fā)射機提供足夠的信號功率輸送到自由空間中，是其不可缺少的關(guān)鍵部件?；趯W術(shù)研究和商用產(chǎn)品線情況，綜述了微波功率放大器芯片的發(fā)展情況。首先討論了各種微波毫米波功率放大器的制造技術(shù)，按照半導體器件可以歸類為砷化鎵、氮化鎵、互補金屬氧化物半導體和鍺化硅等；接著討論了微波芯片功放的設(shè)計技術(shù)用以滿足高功率、寬帶和高效率的指標要求；最后總結(jié)了各類微波固態(tài)功率放大器的工藝和設(shè)計技術(shù)，為芯片設(shè)計人員提供了全面的設(shè)計參考。關(guān)鍵詞微波；毫米波；功率放大器；集成電路；固態(tài)電路；功率合成

中圖分類號TN722.75

文獻標志碼A

收稿日期20161203

資助項目國家自然科學基金（61471092）

作者簡介

韓江安，男，博士后，主要研究方向為毫米波集成電路與系統(tǒng)。jiangan-han@sutd.edu.sg

馬凱學（通信作者），男，教授，博士生導師，2016年國家杰出青年科學基金獲得者，主要研究方向為毫米波集成電路與系統(tǒng)。 makaixue@uestc.edu.cn

1新加坡科技與設(shè)計大學，新加坡，487372

2電子科技大學物理電子學院，成都，610054

0 引言

微波集成電路技術(shù)是無線系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵技術(shù)。在毫米波集成電路中，高性能且設(shè)計緊湊的功率放大器芯片電路是市場迫切需求的產(chǎn)品?？偟膩碚f，微波功率放大器的芯片性能很大程度上取決于制造工藝，而每種工藝對功率放大器有著不同的特點或優(yōu)勢。對于工作頻率不高于100 GHz的芯片而言，砷化鎵和氮化鎵材料具有功率方面的優(yōu)勢[12]。如果頻率作為器件的首要考慮，那么選用磷化銦器件制作的功率放大器其頻率可以高到500 GHz以上[3]。當然，對于工業(yè)制造來說，產(chǎn)品的成本也是功率放大器設(shè)計以及量產(chǎn)的重要因素，特別是對于消費電子產(chǎn)品類，互補金屬氧化物半導體（CMOS）利于片上系統(tǒng)集成，因此具有成本優(yōu)勢。從應(yīng)用場景來看，毫米波芯片工作于不同的頻率有著不同的要求，比如在Ka波段的26.5～40 GHz，目前主要用于衛(wèi)星和中長距點對點通信，大功率是這個波段功率放大器的首要指標，因而氮化鎵和砷化鎵的功率放大器芯片是首選。對于60 GHz而言，由于電磁波在該頻率的衰減很大，主要潛在應(yīng)用于短距離的高速通信并面向消費電子市場，因而成本較低的CMOS半導體和鍺化硅器件是未來該頻段芯片設(shè)計的首選[4]。在本篇綜述中，首先將比較毫米波固態(tài)電路芯片制造的基礎(chǔ)工藝；然后針對不同的設(shè)計指標，介紹了相應(yīng)的解決方案，包括設(shè)計構(gòu)架和功率半導體芯片的設(shè)計思路；最后比較了各種功率放大器的工藝特點和設(shè)計方法，希望能為該領(lǐng)域的研發(fā)工作提供直觀的設(shè)計參考。

1 微波芯片制造技術(shù)

1.1 砷化鎵

當前砷化鎵工藝包含兩大類器件工藝：贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（pHEMT）和應(yīng)變高電子遷移率晶體管（mHEMT）。其中pHEMT的商用程度要高于mHEMT器件。在商用領(lǐng)域，比較知名的公司有Qorvo、Mimixbroad、M/ACOM和Excelics等，其中大部分的固態(tài)功率放大器工作在6 GHz到120 GHz附近。比如Qorvo公司的TGA4706FC芯片可在76～83 GHz的頻率范圍提供超過15 dB的增益和14 dBm的飽和輸出功率?；?0 nm的pHEMT器件，砷化鎵毫米波固態(tài)功率放大器已經(jīng)可以工作在100 GHz的頻率以上[5]。非消費電子用途的主流的砷化鎵功率放大器產(chǎn)品定位于6～40 GHz之間，以

學報（自然科學版），2017，9（1）：814Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2017，9（1）：814

韓江安，等.微波高功率固態(tài)放大器技術(shù)綜述.

HAN Jiangan，et al.

A review of microwave high power solid state power amplifier.

X波段雷達和Ku、Ka波段的衛(wèi)星通信為目標市場。如果不采用分布式功率放大器結(jié)構(gòu)，其帶寬通常在10 GHz之內(nèi)[67]。由于衡量微波固態(tài)功率放大器的重要指標之一是飽和輸出功率，Qorvo公司的商用芯片TGA4916可在29～31 GHz的頻率范圍輸出達到38 dBm。在17～30 GHz頻段，現(xiàn)有的pHEMT功率放大器的功率附加效率（PAE）集中在25%～45%之間[812]。

應(yīng)變高電子遷移率晶體管（mHEMT）的研發(fā)初衷是為了解決磷化銦和砷化鎵襯底的不匹配問題，其基本方法是在砷化鎵襯底中添加一層銦。這種工藝器件具有較高的晶體管截止頻率和較低的噪聲，已報道的用mHEMT制作的毫米波功率放大器頻率在200 GHz以上[1314]。而在低于40 GHz的頻率，mHEMT的功率放大器較少被報道，相較于pHEMT制備的功率放大器并不具備競爭優(yōu)勢，只有少量用于實驗的低噪聲放大器可供參考[15]。

1.2 氮化鎵

氮化鎵器件具有高的電子遷移率和高的擊穿電壓，是高效率大功率放大器設(shè)計的首選，其工作頻帶范圍可以從直流到接近100 GHz。在0.1 和0.15 μm特征柵長的器件問世后，多個工作頻率超過70 GHz的氮化鎵功率放大器已被驗證[1619]。在低于30 GHz的頻率，毫米波功率放大器芯片已在功率、效率和帶寬方面表現(xiàn)出非常出眾的性能。比如ACTELTHALES IIIV實驗室研制的氮化鎵功率放大器，輸出功率達到43 W的同時保持了52%的功率附加效率[20]。而由Mitsubishi Electric 公司研制的功率放大器可在14～16 GHz頻帶范圍輸出60 W的功率和45%的功率附加效率[21]。應(yīng)用分布式放大電路拓撲，氮化鎵功率放大器同時展現(xiàn)了其寬帶和高功率的優(yōu)勢[2223]。由于pHEMT器件的商業(yè)應(yīng)用已成熟多年并且優(yōu)化，使得氮化鎵功率放大器在30 GHz以上還處于與砷化鎵競爭的態(tài)勢。在兩種器件表現(xiàn)出相似的輸出功率時，其內(nèi)部技術(shù)實現(xiàn)路徑卻稍顯差異[2427]。由于氮化鎵器件的高功率特性，使得用該種器件設(shè)計的功率放大電路可以用較少的晶體管進行末級合成，就能匹敵用更多砷化鎵器件實現(xiàn)的指標。但是由于氮化鎵的器件本身體積較大，需要占用較大的芯片面積，因此制作多級電路的時候往往增益不如砷化鎵pHEMT晶體管的功率放大器。

1.3 硅基互補金屬氧化物半導體

相比砷化鎵和氮化鎵器件，CMOS半導體所能提供的輸出功率顯得非常有限。原因是該種器件的擊穿電壓低，并且晶體管的電流耐受能力不高，其最大優(yōu)勢在于容易與高集成密度、低功耗的數(shù)字模擬系統(tǒng)進行一體化集成，使得系統(tǒng)具有成本低廉、集成度高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢。由于在消費電子市場的大規(guī)模應(yīng)用，最近幾年有關(guān)互補金屬氧化物半導體的功率放大器集成的研究成為一個熱點，因為當其與模擬和數(shù)字部分集成為片上系統(tǒng)后，在價格、可靠性和便利性上都展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。目前工作頻率高于15 GHz的CMOS功率放大器的輸出功率大體在20 dBm左右，并且正在向30 dBm推進[28]。由于CMOS按照摩爾定律發(fā)展，在各種半導體器件中特征尺寸制程領(lǐng)先，因此晶體管的截止頻率較高。如果輔以分布式的電路結(jié)構(gòu)，其工作帶寬可達幾十吉赫[2932]。最近幾年，由于60 GHz頻段附近在世界大多數(shù)國家開放為不需要購買牌照就能使用的頻譜資源，而且大氣傳播衰減大主要面向短距離通信，所以這個頻段的CMOS功率放大器成為一個研究熱點。當前該頻段的功率最高水平在20 dBm左右，功率附加效率一般小于25%[3337]。

1.4 鍺化硅

鍺化硅（SiGe）器件的發(fā)展主要由IBM等公司推動，采用了雙極性BiCMOS工藝，可以作為CMOS的替代選擇方案，同等尺度下器件的性能和截止頻率都有較大幅度的提升，并且同樣具有價格低廉的優(yōu)點。與工作在相同頻率且性能相近的CMOS器件比較，鍺化硅異質(zhì)結(jié)晶體管的比硅基互補金屬氧化物半導體的耐電壓，處理電流能力也稍高一籌，因而也適合用于集成微波功率放大器。在21～26 GHz頻段，鍺化硅異質(zhì)結(jié)晶體管放大器可提供23 dBm的飽和功率輸出且達到19.8%的功率附加效率[38]。有報道指出60 GHz頻段的功率放大器的性能有所下降，當飽和輸出功率在20 dBm時，功率附加效率值為12.7%[39]。

1.5 磷化銦

得益于磷化銦（InP）異質(zhì)結(jié)晶體管的截止頻率可以大于500 GHz，這類器件非常適用于制備工作頻率在100 GHz以上的毫米波芯片。在電路拓撲上，磷化銦固態(tài)功率放大器的拓撲大多采用多級級聯(lián)、末級單管輸出的方式來實現(xiàn)，其在G頻段的輸出功率可達20 mW[4042]。為了進一步提高該類器件的耐壓特性，雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)管是其改進版本[43]。當磷化銦器件應(yīng)用在較低頻率，比如20 GHz的放大器設(shè)計，單級的放大結(jié)構(gòu)就能提供62%的功率附加效率和20 dB增益[44]。如果在該頻段采用多路合成的方式提高輸出功率，那么功率附加效率降低到37%～37.8%的區(qū)間[4547]。

2 微波高功率放大器設(shè)計技術(shù)

2.1 二進制功率合成技術(shù)

通常而言，在其他外界條件保持不變的情況下，微波功率放大器的輸出功率能力與總的晶體管或場效應(yīng)管的柵寬成正比。雖然理論上可以通過增加單個晶體管的方式增加輸出功率，但是這種方法在實際應(yīng)用中會造成匹配的困難和截止頻率降低的問題，因為此時晶體管的輸入輸出阻抗過低。當單管不能滿足微波功放的輸出功率指標時，最常用的辦法是采用二進制的方式來提高輸出功率，比較經(jīng)典的功率合成器有T字形網(wǎng)絡(luò)和Wilkisnon功率合成器。在插入功率合成器后，放大器的效率和工作帶寬會有所降低，比如文獻[47]的功率放大器在多管合成的條件下其功率附加效率降為單管的一半左右。T字形網(wǎng)絡(luò)和Wilkisnon功率合成器區(qū)別在于：T形功分網(wǎng)絡(luò)難以滿足每個端口的匹配和兩個合路端的隔離，而Wilkisnon功率合成器通過在兩個合路端添加電阻的方式，使所有端口達到匹配條件并事先隔離合路端口?？傮w而言，采用二進制方式的功率合成技術(shù)應(yīng)用范圍廣，并且可以靈活選擇需要合成的路數(shù)，因此是商用芯片中實現(xiàn)高功率輸出的首選方式。如圖1所示的TGA4916的商用芯片，在最后一級采用了32路的合路器來提高輸出功率，芯片面積為3.86×5.17 mm2，因此也可以發(fā)現(xiàn)二進制合路器在合成路數(shù)增加的時候版圖面積也相應(yīng)增加較大。

2.2 平衡式放大器

對于需要工作在寬帶的功率放大器而言，輸入和輸出端口需要在寬帶內(nèi)匹配到50 Ω，以實現(xiàn)低的駐波系數(shù)，這樣可以減少連到外部元件時增益和輸出功率的降低。此時可以借助90°耦合器的方式實現(xiàn)兩個分路內(nèi)的相位差，最后在合路端同向信號相加，反射波由于存在180°的相位差而被抵消[4850]。在集成電路設(shè)計中，Lange耦合器結(jié)構(gòu)緊湊，能夠很好滿足寬帶功率放大器的需求。在這類平衡功率放大器中，Lange耦合器在輸入和輸出端口成對使用，如圖2所示。

2.3 分布式放大拓撲

分布式放大器設(shè)計的基本思路是利用具有電容特性的晶體管或場效應(yīng)管，配合外部電感構(gòu)造類似傳輸線的結(jié)構(gòu)，使其整體具有傳輸線的特性，最終達到寬帶匹配的效果。雖然這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)覆蓋多個波段的匹配效果，但其代價是所獲得的增益和功率附加效率往往不高，功率合成的效果不如T形和Wilkinson功分器。但是如果行波放大拓撲配合先進的氮化鎵工藝，可以彌補其在功率和效率上的不足（圖3）。因此，采用氮化鎵工藝設(shè)計的分布式功率放大器可以獲取很多優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括寬帶、高功率和中等PAE的性能[5154]。如文獻[51]中所報道的分布式大器，飽和輸出功率為38～41 dBm的連續(xù)波，并且PAE維持在19%～39%之間。

分布式放大電路拓撲與其他結(jié)構(gòu)靈活組合，可以產(chǎn)生一系列新的放大電路形式來增強增益。比如串聯(lián)式、共源共柵和矩陣式分布式放大器，如圖4所示。在圖4a的串聯(lián)式分布式放大器，通過將3個分布式放大器級聯(lián)來提高其增益和輸出功率[55]。圖4a和4b中都采用共源共柵的連接方式提高了每個放大單元的增益。雖然這3種電路拓撲上有區(qū)別，但是本質(zhì)都是通過增加放大器增益，再加上分布式放大具有的寬帶的優(yōu)勢，來增加功率放大器總的增益帶寬積。

2.4 晶體管/場效應(yīng)管疊加

放大單元的改進也可以提高功率放大器的增益和輸出功率，比如單級疊加晶體管或場效應(yīng)管。雖然這種方式從電路拓撲上看類似于共源共柵，但是有兩點區(qū)別：一是疊加晶體管/場效應(yīng)后對電源電壓的要求會相應(yīng)升高，以滿足支流偏置的要求，同時可以獲得更高的輸出功率，這種升壓需要在避免器件被擊穿的前提下，比如用砷化鎵和氮化鎵場效應(yīng)管會比硅基互補金屬氧化物半導體更具優(yōu)勢。如圖5所示的電路，在場效應(yīng)管疊加后漏極電壓提升到了共源級電路的2倍，Vg2也需要相應(yīng)地提高[56]；二是疊加技術(shù)不僅僅局限于2個晶體管/場效應(yīng)管，而是可以疊加3個以上的單元。

使用這種晶體管/場效應(yīng)管疊加技術(shù)除了提高了功率和增益以外，另外一個優(yōu)勢是減少了固態(tài)功率放大器芯片所需要的面積。在設(shè)計指標給定的條件下，所需要的級聯(lián)的級數(shù)在采用疊加技術(shù)后會相應(yīng)減少，同時減少了級間匹配的工作量，而增加的晶體管/場效應(yīng)管的面積相比級間匹配電路可以忽略不計。因此很多疊加式的功率放大器往往只需要輸入輸出端口匹配即可，以更少的芯片面積就能實現(xiàn)多級功率放大器的同等指標。

3 總結(jié)

本文首先綜述了微波固態(tài)高功率放大器的實現(xiàn)工藝和設(shè)計方法，目的是為設(shè)計人員提供可以參考和快速選擇的技術(shù)途徑。從工藝選擇角度考慮，需要結(jié)合功率放大器的應(yīng)用場景以及器件的工藝水平。對于遠距離傳輸比如衛(wèi)星通信，砷化鎵pHEMT和氮化鎵器件具有先天的工藝優(yōu)勢。而對于面向消費電子的產(chǎn)品，鍺化硅和硅基互補金屬氧化物半導體固態(tài)功放可以滿足片上系統(tǒng)的設(shè)計指標，進而降低系統(tǒng)的整體成本。而對于亞毫米波和太赫茲固態(tài)功放，可選用截止工作頻率較高的磷化銦和砷化鎵mHEMT器件。

然后本文介紹了各種固態(tài)功率放大器的設(shè)計技術(shù)。二進制功率合成技術(shù)是實現(xiàn)高功率輸出固態(tài)放大器的首選，可以靈活選擇合成的路數(shù)，但是電路拓撲會隨著合成路數(shù)的增加而變得復(fù)雜，并且芯片面積相應(yīng)增加。平衡式放大器有助于改進放大器的輸入輸出的寬帶匹配情況，可以配合T形網(wǎng)絡(luò)或者Wilkisnon功率合成器使用?；镜姆植际椒糯笃骺蓪嵶畲髮拵ヅ湫Ч?，但是輸出功率、增益和功率附加效率不佳，可以配合先進的氮化鎵工藝以及改進分布放大的電路結(jié)構(gòu)來彌補這三方面的不足。晶體管/場效應(yīng)管疊加技術(shù)可以實現(xiàn)更少的芯片面積達到多級電路的設(shè)計指標要求，但是對直流偏置電壓和半導體元件本身的擊穿電壓要求也會相應(yīng)提高。

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