一種基于GaN的X波段功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于GaN的X波段功率放大器，包括MIN電容、濾波電容、薄膜電阻、穩(wěn)定電阻、螺旋電感、微帶傳輸線、T型接頭、GaN基HEMT組成，所述的信號輸入端（RFIN）通過第一MIN電容（C1）、微帶傳輸線（W）、T型接頭（T）與GaN基HEMT（H）的輸入端（1）相連，所述的漏極控制端（Vds）通過微帶傳輸線（W）、T型接頭（T）與GaN基HEMT的輸出端（2）相連，所述的微帶傳輸線（W）型號為100um的高阻抗微帶傳輸線；所述的濾波電容選用100uF電解電容，所述GaN基HEMT（H）的型號為NRF01-02aHEMT管芯，所述薄膜電阻選用NiCr材料；本發(fā)明采用負(fù)載牽引法和輸入端共軛匹配，解決了晶體管端口出現(xiàn)負(fù)阻的問題，該功率放大器工作穩(wěn)定，帶寬3.6GHz～8.0GHz，最高增益11.04dB，最大輸出功率33dBm，最大PAE達(dá)到29.2％，電壓駐波比較小。
【專利說明】-種基于GaN的X波段功率放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于GaN的X波段功率放大器。

【背景技術(shù)】
[0002] 高電子遷移率晶體管（HEMT)是近幾年功率器件的研究熱點(diǎn)，其工作原理類似于 MESFET。HEMT使用了一個縱向的結(jié)構(gòu)，使用了多層不同的材料層，選擇不同的材料形成器 件的導(dǎo)通溝道，使溝道中的電子與施主原子在空間上分離。降低了離子雜質(zhì)的散射，提高 了電子遷移率。通過材料摻雜與各層材料之間的物理化學(xué)性質(zhì)，在源漏極之間形成一個電 子濃度較高的窄溝道，從而制作出高輸出電流的器件。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)HEMT的結(jié)構(gòu)有贗同晶 GaAs HEMT，即在AlGaAs/GaAs間加上一層InGaAs，使得溝道電子遷移率增加，提高了輸出 電流，降低了輸出電導(dǎo)；雙異質(zhì)結(jié)HEMT，在器件溝道層下引入一層摻雜層，使溝道產(chǎn)生雙層 片狀的載流子濃度，對于一個給定的器件，漏極電流會成倍的增長，并且降低了器件的接入 電阻，也降低了驅(qū)動器件達(dá)到飽和的漏極電壓。
[0003] 目前，雖然可用于MMIC的材料較多，如GaAs、InP、GaN、SiGe等，但研究發(fā)現(xiàn)，GaN 材料有著比目前已經(jīng)廣泛使用的GaAs更好的特點(diǎn)。GaN半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、飽和 電子漂移速度高、熱導(dǎo)率高、擊穿電壓高、抗腐蝕、抗輻射及其特有的自發(fā)和壓電極化效應(yīng) 產(chǎn)生的高電子遷移率，使得GaN器件可以在高頻、高壓下輸出很高的功率，在制作高頻、高 效、高溫、高壓、大功率微波器件方面有著很好的前景。特別符合下一代電子裝備對微波功 率器件大功率、高頻率、小體積和惡劣環(huán)境下工作的要求。因此基于GaN材料的功率器件和 電路是目前全世界半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)。以美國和日本為代表的國家都加快了 10GHz 以上亞毫米波和毫米波GaN HEMT功率器件研制的步伐，GaN基HEMT器件在C波段、X波段 已經(jīng)產(chǎn)品化，較高頻率的器件在實(shí)驗(yàn)室研究也有了較大的突破。
[0004] 放大器的穩(wěn)定性，是放大器設(shè)計中需要考慮的非常重要的因素，它一般取決于晶 體管的S參數(shù)和置端條件。二端口網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)輸入或輸出端口出現(xiàn)負(fù)阻時，就可能發(fā)生振 蕩，須對器件采取穩(wěn)定措施，阻抗匹配是使微波電路或系統(tǒng)無反射、載行波或盡量接近行波 狀態(tài)的技術(shù)措施，在微波功率放大器的設(shè)計中占有十分重要的地位，它制約著放大器的駐 波比、功率增益、輸出功率、功率附加效率等特性。同時不僅匹配網(wǎng)絡(luò)的基波反射系數(shù)影響 功率放大器的性能，匹配網(wǎng)絡(luò)的諧波反射系數(shù)對電路的性能也有很大的影響，尤其是在飽 和輸出功率和功率附加效率上。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于GaN的X 波段功率放大器，本發(fā)明的功率放大器具有成本低，用負(fù)載牽引法和輸入端共軛匹配，解決 了晶體管端口出現(xiàn)負(fù)阻的問題，該功率放大器工作穩(wěn)定，帶寬3. 6GHz?8. 0GHz，最高增益 11.04dB，最大輸出功率33dBm，最大PAE達(dá)到29. 2%，電壓駐波比較小。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案： 一種基于GaN的X波段功率放大器，其特征在于，包括MIN電容、濾波電容、薄膜電阻、 穩(wěn)定電阻、螺旋電感、微帶傳輸線、T型接頭、GaN基HEMT組成；所述的信號輸入端（RFIN)通 過第一 MIN電容（C1)、微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT (H)的輸入端（1)相連； 所述的第一螺旋電感（L1)接在第一 MIN電容（C1)與地之間；所述的門極控制信號端（Vgs) 通過第零穩(wěn)定電阻（R0)、微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT的輸入端（1)相連，所 述的第二濾波電容（C2)接在門極控制信號端（Vgs)與地之間；所述的第四MIN電容（C4)接 在GaN基HEMT (H)的輸入端（1)與輸出端（2)之間，所述的第一薄膜電阻（R1)與第五MIN 電容（C5)串聯(lián)，第四MIN電容（C4)與該串聯(lián)電路并聯(lián)；所述的第三MIN電容（C3)接在GaN 基HEMT (Η)的輸入端（1)與接地端（3)之間；所述的第六MIN電容（C6)接在GaN基HEMT (Η)的輸出端（2)與接地端（3)之間；所述的GaN基HEMT (Η)的輸出端（2)通過T型接頭 (Τ)、微帶傳輸線（W)、第八ΜΙΝ電容（C8)與信號輸出端（RFOUT)相連；所述的第二螺旋電 感（L2)接在第八ΜΙΝ電容（C8)與地之間；所述的漏極控制端（Vds)通過微帶傳輸線（W)、 T型接頭（T)與GaN基HEMT的輸出端（2)相連，所述的第七濾波電容（C7)接在漏極控制端 (Vds)與地之間。
[0007] 在該基于GaN的X波段功率放大器中，所述的微帶傳輸線（W)型號為100um的高 阻抗微帶傳輸線；所述的第二濾波電容（C2)和第七濾波電容（C7)選用100uF電解電容；所 述GaN基HEMT (H)的型號為NRF01-02a HEMT管芯。
[0008] 在該基于GaN的X波段功率放大器中，所述的第一螺旋電感（L1)選用760pH，Q 值為22的螺旋電感，其線圈為6. 5圈、內(nèi)徑為12um、線寬為4um、線間距為2um、線圈厚度 為1. 2um、襯底為12um厚SiC ;所述的第二螺旋電感（L2)選用2. 28nH、Q值為11. 9的螺旋 電感，其線圈為4. 5圈、內(nèi)徑為10um、線寬為2um、線間距為2um、線圈厚度為1. 2um、襯底為 12um 厚 SiC。
[0009] 在該基于GaN的X波段功率放大器中，所述的第一、第八MIN電容（C1、C8)選用型 號為10PF的叉指電容，該電容的介質(zhì)材料為0· 2um厚度SiN，極板長20um、寬20um、厚lum， 襯底3丨(：的厚度為1〇11111;所述的第三、第四、第六1預(yù)電容（03、04工6)選用型號為1.696-- 的叉指電容，該電容的介質(zhì)材料為〇· 2um厚度SiN，極板長16um、寬15um、厚lum，襯底SiC 的厚度為l〇um ;所述的第五MIN電容（C5)選用型號為1. OuF的金屬-半導(dǎo)體-金屬電容； 所述的第零穩(wěn)定電阻（R0)選用200 Ω的半導(dǎo)體電阻；所述的第一薄膜電阻（R1)選用NiCr 材料的100Ω電阻，寬度和長度為10um，厚度為25nm。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是： 在進(jìn)行功率匹配之前，需要對功率放大器進(jìn)行穩(wěn)定性分析和設(shè)計。放大器的穩(wěn)定性，是 放大器設(shè)計中需要考慮的非常重要的因素，它一般取決于晶體管的S參數(shù)和偏置條件。元 件不穩(wěn)定時，需要穩(wěn)定元件，穩(wěn)定元件有三種方式：⑴在網(wǎng)絡(luò)的兩個端口并聯(lián)或串聯(lián)一個 電阻，這種方式把電阻直接加到了信號通路上，很低的阻值都會吸收很大的功率，造成了非 常大的損耗。MMIC功率放大器一般很少采用。（2)引入負(fù)反饋電路，以削弱正反饋來防止 振蕩，同時能加寬帶寬，減小非線性失真。（3)在輸出端口加隔離器，隔斷正反射回路。無 法在MMIC上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明選用第二種，引入了電阻和電容串聯(lián)負(fù)反饋，通過調(diào)整阻值與容 值，可以使元件達(dá)到了穩(wěn)定的條件。
[0011] 功率匹配與增益放大器匹配和低噪聲放大器匹配的原理是不同的，增益放大器匹 配是為了使輸出增益達(dá)到最大，帶內(nèi)增益盡量平坦。噪聲放大器匹配電路是為了放大信號 的同時使自己的輸出噪聲達(dá)到最小，低噪聲放大器在接收信號時會得到很多噪聲，而電路 內(nèi)部同樣會產(chǎn)生噪聲、電阻、元件本身，匹配電路都會產(chǎn)生噪聲，特別是在輸入匹配電路中， 如果引入噪聲，會經(jīng)過元件的放大，導(dǎo)致噪聲同時和信號放大，因此低噪聲放大器的匹配需 要抑制輸入的噪聲，存在一個使噪聲最小的匹配點(diǎn)，使輸入匹配端，即可達(dá)到輸入噪聲最 小，輸出匹配需讓增益達(dá)到最大共軛輸出匹配。
[0012] 功率放大器匹配要求輸出功率最大，對噪聲和增益要求不高。為了能讓元件最大 的輸出功率，在輸出匹配電路同樣會有一個最佳匹配點(diǎn)，使輸出功率達(dá)到最大，需要把輸出 電路匹配到相應(yīng)的點(diǎn)。而在輸入端由于對噪聲要求不高，所以可以用共軛匹配來提高增益。
[0013] 在功率放大器中，找到最佳匹配點(diǎn)有三種方法，本發(fā)明使用負(fù)載牽引法，其原理就 是功率放大器在大信號電平激勵下，通過連續(xù)變換負(fù)載來測試輸出功率，然后在Smith阻 抗圓圖上畫出等功率和等效率曲線。這樣就可以得到最佳的輸出阻抗來設(shè)計功率放大器， 達(dá)到最佳的輸出功率與效率。負(fù)載牽引測試在實(shí)際應(yīng)用中卻很難得到實(shí)現(xiàn)：一是測試系統(tǒng) 非常昂貴，系統(tǒng)初建的校準(zhǔn)工作量也非常大；二是諧波負(fù)載會顯著影響電路性能，而一般的 負(fù)載牽引測試系統(tǒng)只考慮基波的負(fù)載阻抗。在仿真軟件中，這些工作就會非常簡單，只要給 出元件的大信號模型，最佳匹配點(diǎn)就會計算出來。
[0014] 在中心頻率10GHz時，得到所需最佳功率負(fù)載點(diǎn)Z f9. 240+j*8. 620。在此點(diǎn)可 以輸出功率38. 51dBm，效率25%。確定了最佳功率匹配負(fù)載點(diǎn)與源匹配點(diǎn)，就可以進(jìn)行匹 配了，利用ADS里面已有的電容電感模型，通過Smith原圖匹配法來搭建匹配電路。
[0015] 本發(fā)明的功率放大器具有成本低，用負(fù)載牽引法和輸入端共軛匹配，解決了晶 體管端口出現(xiàn)負(fù)阻的問題，該功率放大器工作穩(wěn)定，帶寬3. 6GHz?8. 0GHz，最高增益 11.04dB，最大輸出功率33dBm，最大PAE達(dá)到29. 2%，電壓駐波比較小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說明。
[0017] 圖1是X波段GaN單片集成功率放大器電路原理圖， 圖2是該功率放大器的MIN電容結(jié)構(gòu)圖； 圖3是該功率放大器的螺旋電感結(jié)構(gòu)圖； 圖4是該功率放大器PA穩(wěn)定曲線圖； 圖5是該功率放大器PA增益圖； 圖6是該功率放大器PA輸出功率圖； 圖7是該功率放大器PA駐波比曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 圖1是X波段GaN單片集成功率放大器電路原理圖，該電路包括MIN電容、濾波電 容、薄膜電阻、穩(wěn)定電阻、螺旋電感、微帶傳輸線、T型接頭、GaN基HEMT組成，所述的信號輸 入端（RFIN)通過第一 MIN電容（C1 )、微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT (H)的輸 入端（1)相連，所述的漏極控制端（Vds)通過微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT 的輸出端（2)相連，所述的微帶傳輸線（W)型號為lOOum的高阻抗微帶傳輸線；所述的濾波 電容選用lOOuF電解電容，所述GaN基ΗΕΜΤ (Η)的型號為NRF01-02a HEMT管芯，所述薄膜 電阻選用NiCr材料， 圖2是該功率放大器的MIN電容結(jié)構(gòu)圖，在MMIC電路中通常采用的電容是叉指電容和 金屬-半導(dǎo)體-金屬（MM)電容。其結(jié)構(gòu)如上圖4. 10所示.從圖中可以看到，MM電容是 由上、下極板金屬和電容介質(zhì)構(gòu)成的，它的加工過程為：在對源、漏電極進(jìn)行金屬化或一次 互連金屬同時進(jìn)行下級板的制作，然后在下極板上淀積電容介質(zhì)，其中介質(zhì)層常用氮化硅， 最后在二次互連時進(jìn)行上極板的制作，叉指電容可以認(rèn)為是由多個微波結(jié)構(gòu)構(gòu)成，叉指電 容一般用于〇. 5pF以下，并且當(dāng)電容為0. 5pF時，其尺寸將達(dá)到400um*400um左右，這對于 MMIC電路的制作是不利的，所以受其物理尺寸的影響，其電容值不可能做到很大。除此之 夕卜，它最大可用的工作頻率受限于叉指的分布，并且分布效應(yīng)會比較明顯而且損耗較大。不 過，由于叉指電容沒有使用電介質(zhì)的薄膜，電容的誤差較小，特備適用于調(diào)諧、耦合和匹配 元件，這些地方要求電容量小，但精確度高。
[0019] 圖3是該功率放大器的螺旋電感結(jié)構(gòu)圖，單環(huán)電感結(jié)構(gòu)簡單且工藝上的實(shí)現(xiàn)不需 要空氣橋技術(shù)，在麗1C的早期設(shè)計中經(jīng)常用到，但它的缺點(diǎn)是不能有效地利用芯片面積， 隨著空氣橋技術(shù)的不斷成熟，目前多用螺旋電感來實(shí)現(xiàn)。螺旋電感多采用圓形和方形結(jié)構(gòu)， 在介質(zhì)或絕緣層上進(jìn)行布線形成電感，通過空氣橋或介質(zhì)橋的方法將電感的交叉點(diǎn)分隔或 將電感的另一端引出。，在實(shí)現(xiàn)同等電感值的情況下，螺旋電感占的面積最小且有較高的Q 值，可以實(shí)現(xiàn)比較大的電感值(最大可以到幾十nH)，但是，從其等效電路圖可以看出，螺旋 電感的寄生電容和電感容易產(chǎn)生諧振，從而限制了螺旋電感的使用頻率，一般在毫米波段。 螺旋電感的缺點(diǎn)還有，它要求連接中心線圈到外部電路，從而必須使用空氣橋橫跨的結(jié)構(gòu) 或者通過電介質(zhì)隔離的地下通道結(jié)構(gòu)。
[0020] 圖4是該功率放大器PA穩(wěn)定曲線圖，從穩(wěn)定性因子曲線圖可以看出，在工作頻段 內(nèi)，k>l，| Λ |〈1，電路是絕對穩(wěn)定的，不會產(chǎn)生振蕩。圖5是該功率放大器在VDS=20V， VGS= -1.75V的偏置，輸入功率為10dBm下的功率增益曲線，從圖5中可以看出電路的3dB 工作帶寬為3. 6GHz?8. 0GHz，最高增益為11. 04dB，增益曲線還算平坦。圖6是該功率放大 器PA在VDS=20V，Vgs= -1.75V偏置，f = 4. 5GHz的輸出功率、功率增益、P A E曲線圖，圖 6可知，VDS=20V，VGS= -1.75V偏置，f=4. 5GHz時，該電路的功率增益為11.04dB，輸出功率 最大達(dá)到33dBm，PAE最大可以達(dá)到29. 2%。圖7是輸入輸出電壓駐波比曲線圖，曲線還 比較理想。由于輸入網(wǎng)絡(luò)采用共軛匹配設(shè)計，VSWRin總體比VSWRout小。在f=5. 305GHz， VSWRin=1.014,接近于1，說明此點(diǎn)的反射系數(shù)約等于0,幾乎沒有反射。
[0021] 雖然本發(fā)明是就其較佳實(shí)施例予以示圖說明的，但是熟悉本技術(shù)的人都可理解 至IJ，在所述權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，還可對本發(fā)明作出種種改動和 變動。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于GaN的X波段功率放大器，其特征在于，包括MIN電容、濾波電容、薄膜 電阻、穩(wěn)定電阻、螺旋電感、微帶傳輸線、T型接頭、GaN基HEMT組成；所述的信號輸入端 (RFIN)通過第一 MIN電容（C1)、微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT (H)的輸入 端（1)相連；所述的第一螺旋電感（L1)接在第一 MIN電容（C1)與地之間；所述的門極控制 信號端（Vgs)通過第零穩(wěn)定電阻（R0)、微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT的輸入 端（1)相連，所述的第二濾波電容（C2)接在門極控制信號端（Vgs)與地之間；所述的第四 MIN電容（C4)接在GaN基HEMT (H)的輸入端（1)與輸出端（2)之間，所述的第一薄膜電阻 (R1)與第五MIN電容（C5)串聯(lián)，第四MIN電容（C4)與該串聯(lián)電路并聯(lián)；所述的第三MIN電 容（C3)接在GaN基HEMT (H)的輸入端（1)與接地端（3)之間；所述的第六MIN電容（C6) 接在GaN基HEMT (H)的輸出端（2)與接地端（3)之間；所述的GaN基HEMT (H)的輸出端 (2)通過T型接頭（T)、微帶傳輸線（W)、第八MIN電容（C8)與信號輸出端（RFOUT)相連；所 述的第二螺旋電感（L2)接在第八MIN電容（C8)與地之間；所述的漏極控制端（Vds)通過 微帶傳輸線（W)、T型接頭（T)與GaN基HEMT的輸出端（2 )相連，所述的第七濾波電容（C7 ) 接在漏極控制端（Vds)與地之間。
2. -種基于GaN的X波段功率放大器，其特征在于，所述的微帶傳輸線（W)型號為 lOOum的高阻抗微帶傳輸線；所述的第二濾波電容（C2)和第七濾波電容（C7)選用lOOuF電 解電容；所述GaN基HEMT (H)的型號為NRF01-02a HEMT管芯。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于GaN的X波段功率放大器，其特征在于，所述的第一 螺旋電感（L1)選用760pH，Q值為22的螺旋電感，其線圈為6. 5圈、內(nèi)徑為12um、線寬為 4um、線間距為2um、線圈厚度為1. 2um、襯底為12um厚SiC ;所述的第二螺旋電感（L2)選用 2. 28nH、Q值為11. 9的螺旋電感，其線圈為4. 5圈、內(nèi)徑為10um、線寬為2um、線間距為2um、 線圈厚度為1. 2um、襯底為12um厚SiC。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于GaN的X波段功率放大器，其特征在于，所述的第一、 第八MIN電容（C1、C8)選用型號為10PF的叉指電容，該電容的介質(zhì)材料為0. 2um厚度SiN， 極板長20um、寬20um、厚lum，襯底SiC的厚度為10um ;所述的第三、第四、第六MIN電容 (〇3、04工6)選用型號為1.696--的叉指電容，該電容的介質(zhì)材料為0.211111厚度511極板長 16um、寬15um、厚lum，襯底SiC的厚度為10um ;所述的第五MIN電容（C5)選用型號為1. OuF 的金屬-半導(dǎo)體-金屬電容。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于GaN的X波段功率放大器，其特征在于，所述的第零穩(wěn) 定電阻（R0)選用200 Ω的半導(dǎo)體電阻；所述的第一薄膜電阻（R1)選用NiCr材料的100 Ω 電阻，寬度和長度為l〇um，厚度為25nm。
【文檔編號】H03F3/20GK104158503SQ201410411340
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】唐余武, 鄒明炳, 鄒坤 申請人:無錫研奧電子科技有限公司