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氮化镓基毫米波段高效率MMIC功率放大器研究

张恒爽  
【摘要】:功率放大器作为收发组件中的核心部件,已经在军用航天领域以及民用通信领域中得到广泛的应用。随着通信技术和航天技术的不断发展,体积更小、频率更高、输出功率更大成为功率放大器的重要发展趋势。单片微波集成电路(MMIC)功率放大器以其小型化、高集成度的特点毋庸置疑地成为最佳选择。同时,氮化镓材料作为第三代半导体材料的代表,具有击穿场强大、电子迁移率高以及禁带宽度宽等诸多优点,使氮化镓半导体器件能够在较高频率下输出较大的功率,备受相关研究者的青睐。本文首先介绍了AlGaN/GaN HEMT器件的工作机理,其次对MMIC制备工艺进行介绍,主要提出了一种背通孔循环刻蚀方案并研究了刻蚀条件对通孔形貌的影响。接着本文对MMIC电路中涉及的无源元件建立了可伸缩等效电路模型,针对有源器件提出了一种提取寄生模型参数的方法,研究了温度以及不同器件结构对小信号模型参数的影响,并建立了大信号模型。然后本文分析了提升功放效率的方案基于该方案研制了一款X波段高效率MMIC功率放大器。最终,针对毫米波频段MMIC功率放大器应用需求,设计了两款Q波段MMIC功率放大器。本文主要研究成果如下:(1)优化了背通孔刻蚀工艺,采用循环刻蚀技术有效地解决了由于粘片石蜡引入导致刻蚀温度升高的问题,从而保证刻蚀速率以及通孔形貌。通过改变刻蚀冷却时间占比、刻蚀功率以及腔体压强,分析各个刻蚀条件对刻蚀反应的影响,监测刻蚀过程中的温度,研究重点主要放在通孔孔径、刻蚀倾角及通孔表面粗糙度方面,以满足毫米波段甚至太赫兹频段器件对通孔精度的要求。(2)MMIC无源元件可伸缩等效电路模型研究。本文基于实验室工艺线制作了不同面积的MIM电容、不同圈数的螺旋电感以及不同长度的薄膜电阻,对三者的S参数进行测量并分别建立了集总模型。该模型综合考虑了无源元件的物理结构,在一个较宽的频段范围内拟合精度均低于3%,并分别以MIM电容边长、螺旋电感圈数以及薄膜电阻长度为自变量证明了模型的可伸缩性。(3)提出了一种新型提取寄生模型参数的方法。对传统提取寄生电容简化模型进行改进,引入串联寄生电感,将冷偏截止态下的S参数通过矩阵转换得到Z参数矩阵,利用线性回归的方法得到寄生电容及寄生电感值。所得到的参数用于16元件小信号等效电路模型建立,证明了提取参数值的准确性。基于该方法研究了小信号等效电路模型参数随温度变化关系,并分析了器件频率特性随温度变化关系。(4)AlGaN/GaN Fin-HEMT等效电路模型建立及Fin结构对模型参数的影响。根据Fin-HEMT器件的结构特点,本文首次建立了Fin结构器件的小信号等效电路模型并对其射频性能及小信号特性进行研究。通过对不同Fin结构器件的S参数测量,并提取器件在多个偏置下的模型参数,从而分析器件结构对模型参数的影响。结果表明,影响Fin结构器件线性度主要是由于侧墙电容效应、本征饱和速度改善以及有效沟道宽度展宽原因引起的。(5)X波段50%高效率MMIC功率放大器实现。介绍了功率放大器的工作原理,分析了影响功放效率的主要因素。首先需要确定器件在基频下和二次谐波下的最佳匹配阻抗点,然后选择深AB类晶体管的静态工作点,并提取其小信号模型参数,研究表明X波段输出电容C_(ds)对于谐波阻抗影响较大,通过设计谐波补偿结构,使得本征电流源参考面的二次谐波阻抗值接近于开路点。测试结果表明,在X波段频率范围内,MMIC峰值效率可以达到57.7%,并且芯片面积为12mm~2,与该频段报道的MMIC功放相比具有优异性能。(6)Q波段MMIC功率放大器设计。37~42.5GHz被工信部定为5G通信频段。针对当前毫米波应用需求,本文设计了两款Q波段MMIC功率放大器。其中一款为基于GaAs工艺的驱动级MMIC功率放大器,另一款是基于GaN工艺的大功率MMIC功率放大器。本文详细描述MMIC功放的设计过程,采用高通滤波器的电路匹配结构,抑制低频增益,保证低频的稳定性,同时采用阻抗匹配与功率合成相结合的方式,以简化匹配结构、保证带宽同时降低匹配插损。结果表明,在37~43GHz频率范围内,驱放1dB压缩点的输出功率为26dBm,功率附加效率为31%,此时功率增益为20dB;末级功率饱和输出功率为38dBm,功率附加效率为22.3%,此时功率增益为16.5dB。与此频段附近的产品相比,设计的两款Q波段功放均具备优秀的性能指标。


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