基于0.15μm GaAs pHEMT工艺的Ka波段功率放大器设计

简介：
该研究针对 Ka 波段功率放大器设计展开，采用了 0.15μm GaAs pHEMT 工艺。毫米波系统中，Ka频段的功率放大器设计已成为一项引人注目的研究课题。伴随现代无线通信技术的快速发展，对于数据传输速率的要求不断提高。由此可知，无线通信系统愈发重视高工作频率和宽的工作频段。 其中，Ka波段（26.5至40 GHz）主要应用于卫星通信和新兴领域的5G非线性放大器技术。值得注意的是，Ka频段具有与雨滴特征尺寸相近的有效长度，在实际应用过程中往往会导致严重的雨衰影响。这在一定程度上限制了Ka频段无线通信系统的大规模部署。为了克服Ka波段长距离传输过程中信号传播过程中的能量损耗问题，在无线通讯系统中对单片功率放大器的输出性能提出了更高的要求。同时，高功率功放技术的应用会导致系统运行时产生更大的热量，并且必须确保效率达到更高水平以维持系统的稳定运行。在微波集成电路（MMIC）设计领域，采用功分器技术实现多个晶体管的联合增益已成为主流方案。然而，在实际应用中往往需要更高的输出功率，这将导致所需晶体管数量也随之增加，其中各晶元间的配线间距相应减小。这种变化可能导致寄生效应逐渐显现，并且在微波频段这种现象表现得尤为明显，进而影响系统的整体性能。本文设计了一种针对 MIM VIA 电容改进型方案，并以提升其效率为目标对功率合成器进行优化处理。该方案采用先进的 0.15 μm pHEMT E-MOSFET 工艺路线，通过引入新型结构实现工作损耗水平的显著降低。具体测试结果表明，本功率放大器具有 31±1 dB 的小信号增益特性，并在 33~37 GHz 工作频带内保持优异性能表现：输出回波损耗小于-10 dB，最大饱和输出功率（Psat）为 31.8 dBm，同时实现了高达 23.5%的最大功率附加效率。 在电路设计领域，功率放大器的全局架构采用了四级协同源串联布局。其中输出级采用了八管功率整合方案。前三级驱动级的晶体管数量呈现指数增长布局，而输出级则遵循这一规律设计。各环节晶体管栅极宽度均参照附图参数设置。漏极供电电压 VD 为 3.7 V，栅极偏置电压为 0.6 V。每个晶体管单元都配备RC稳态电路，确保该装置在整个频率范围内稳定运行。在输出级八路功率放大器设计过程中，LC匹配网络被视为一种常用的匹配形式。传统的LC匹配电路通常由电感和电容元件构成，在毫米波微波互连集成电路（MMIC）的设计领域中，则需要考虑元器件的分布参数效应较为显著的情况。其中，电感组件往往会被微带线结构所替代以提高设计效率。在常规设计的MMIC电路中，地面对地匹配电容一般会选择使用通孔电容或微带短接线结构来完成。其等效电容值受其宽度及长度的影响，若要实现高电容值，则需采用较长的微带结构，这势必导致面积增大。因此通常会对短截线进行绕线布局以规避前述问题。然而，这种绕线方式将导致额外的寄生电容和电磁耦合现象，故而在实际应用中，微带短截线通常不被用于S参数分析。在电路设计中，通孔电容常被采用为一种更为常见的匹配电容设计方案。它与接地电容相等价，在实现具体功能时具有相同的特性参数。底层金属片通过背置式接地方案得以实现，其中电介质层与顶层及底层金属片共同构成了完整的电容结构。这种设计方式通常会选择将通孔电容布置在微带线路的近端区域，以简化整体布局并提高效率。该方案的优势在于能够直接调用工艺库中的标准模型文件进行设计，相较于传统的短截线布局不仅降低了面积占用率，还显著减少了寄生电容的影响，并且有效抑制了电路结构中可能出现的耦合效应。然而，在晶体管数量激增以及匹配网络间距不断缩小的情况下，传统意义上的通孔电容布局方案可能会导致电路面积增加的同时引入较大的额外寄生电容和更为严重的耦合问题，这对提升整体设计效率提出了更高的要求。 因此，该工艺库中的直通模式通孔电容具有适用性。然而，在毫米波 MMIC 匹配网络中，匹配电容通常采用微法级材料，相较于地通孔尺寸较小。其结构设计使得顶层金属部分相对紧凑，同时电介质层两侧设有连接至地平面的顶层导体。该类电容通过连接到前、后端的传输线路实现功能。当通孔电容的前后端传输线宽度较大时，会产生尺寸偏差，影响金属结构的一致性，并导致射频信号能量损耗。 传输线路中的电流承载能力与其宽度参数相关。小容量通孔电容单元在最顶端设置有较窄的金属结构层，其电流承载能力相对受限。同时，功率放大器输出级段的电路工作状态通常呈现较大的电流需求，这使得工艺数据库中的标准直通型通孔电容结构形式在实际应用中难以直接满足相关要求。为此，本研究提出了一种新型的直通模式通孔电容优化设计方案。