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《电子科技大学》 2020年
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W波段GaN MMIC功率放大器的研究与设计

刘昌实  
【摘要】:W波段的频段范围为75-110GHz,常用于现代军事领域,很多卫星和雷达工作于该频段。而功率放大器作为电子系统中最基础的组成部分之一,具有很高的研究价值。随着半导体工艺的近些年来的不断进步,氮化镓(GaN)作为第三代半导体技术,因其具有高击穿电压、高电子饱和速率、高热导率以及高截止频率等特点,极其适合作为W波段的功率放大器的制作工艺。单片微波集成电路(MMIC)以其体积小,易量产等特点而广泛适用于功率放大器的设计中。现阶段W波段功放存在的问题主要是相关指标包括功放的输出功率,增益和功率附加效率太低,这些缺点都制约着W波段功放的发展,同时也制约了在W波段的各种电子系统的应用。本文针对W波段功放增益过小问题,采用了多级级联的方式,能够将W波段功放中的增益提高。针对输出功率过小的问题,采用了分路合成的方式提高电路的输出功率。在多级级联放大器中采用一种将功分网络和匹配网络合二为一的改进型功分网络,与传统威尔金森功分器的功分网络相比,该电路结构简单,对称性良好,并且一定程度上解决了W波段匹配困难的问题。综上设计了两款符合设计指标的W波段GaN MMIC功率放大器,并最终得到符合该工艺DRC规则的版图用以实际的流片。首先介绍了功放的基础知识和制作功放的一般设计方法和步骤,包括多级功放的原理,之后对GaN工艺的元件结构和参数进行了详细的分析,为之后的功放设计做铺垫。使用GaN HEMT工艺的4*25um的功率管,设计了一款中心频率为94GHz的单级功率放大器,在设计过程中详细叙述了设计功率放大器的详细步骤和设计要点。该单级功率放大器的增益为5.2dB左右,最高功率附加效率为11.87%,1dB压缩点输出功率为23.2dBm。将单级功率放大器的指标横向对比其他工艺的W波段功率放大器可以看出,GaN工艺的各项参数已然超过其他工艺成为最适合制作W波段功率放大器的材料。单级功率放大器的设计也为之后的多级功率放大器提供铺垫。使用GaN工艺的4*50um和4*60um的功率管,在单级功放的基础上,进行级联操作,提升了各项参数指标。在功放的整体设计上严格保持对称,保证分路信号具有高度的幅相一致性,避免因为相位的偏差而导致的功率损耗。最终功放的指标为,增益为11.271dB左右,最高功率附加效率为11.29%,1dB压缩点输出功率为29.271dBm。最终得到符合DRC规则的用于实际生产的版图。相较单级功率放大器增益和输出功率上有了明显的提升,通过查阅想过的文献,该指标也基本达到国内外报道的W波段GaN功放的指标。
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