X波段GaN收發(fā)前端芯片設(shè)計

劉福海，魯麗麗，陳南庭

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊，050051）

X波段GaN收發(fā)前端芯片設(shè)計

劉福海，魯麗麗，陳南庭

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊，050051）

本文設(shè)計了一款基于0.25 um 氮化鎵PHEMT工藝的8.5-10.5GHz MMIC收發(fā)前端芯片，該收發(fā)前端由一個功率放大器和一個單刀雙擲開關(guān)組成。經(jīng)仿真優(yōu)化后，在工藝線上進(jìn)行了流片，并載片測試了其性能參數(shù)。測試結(jié)果顯示，發(fā)射路的功率放大器飽和輸出功率大于33dBm，功率附加效率39%。接收路開關(guān)插入損耗0.6dB，開關(guān)隔離度大于37dB。

前端芯片；測試

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)因其優(yōu)點成為新一代武器裝備的必要裝備，T/R組件成本及體積卻成為相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)推廣應(yīng)用的制約因素。本文采用高耐受功率開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形器，通過開關(guān)與功率放大器單片集成的方式，代替T/R前端傳統(tǒng)的環(huán)形器與功率放大器分立裝配模式，極大的減小了T/R組件體積及成本。

收發(fā)前端芯片中功率放大器的一般要求是：足夠高的輸出功率和功率附加效率，以及可靠的穩(wěn)定性。其設(shè)計難點在于輸出端的功率輸出。功率管在大信號的驅(qū)動下，進(jìn)入非線性工作區(qū)，輸出端的共軛匹配就逐漸不再匹配，此時功率管就無法得到最大的功率輸出，這時可以利用負(fù)載牽引原理找出最大輸出功率時的最佳負(fù)載阻抗[1]，進(jìn)而設(shè)計出相應(yīng)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

收發(fā)前端芯片中開關(guān)設(shè)計的難點在于獲得很高隔離度的同時，具備很低的插入損耗。設(shè)計困難的原因在于隨著工作頻率的上升，開關(guān)FET在關(guān)態(tài)時的電容會導(dǎo)致隔離特性的惡化[2]。因此在設(shè)計過程中需折中考慮。

1 X波段GaN收發(fā)前端芯片設(shè)計

1.1 收發(fā)前端芯片的設(shè)計原理

圖1為本文前端多功能芯片功能框圖，多功能芯片繼集成了發(fā)射功率放大器和高耐受功率切換開關(guān)。該芯片可用于T/R組件中代替環(huán)形器與功率放大器，實現(xiàn)功率輸出與接收發(fā)射切換。

圖1 前端多功能芯片的功能框圖

發(fā)射路功率放大器的預(yù)期指標(biāo)為頻率8.5-10.5GHz、飽和輸出功率33dBm以及功率附加效率39%。本次設(shè)計以獲得最佳附加效率為主，因此負(fù)載牽引過程中獲得的是最佳效率的負(fù)載點。功率密度為5W/mm的功率管，為達(dá)到2.5W的輸出功率，選用尺寸為10×55μm的功率管，通過管子單獨仿真，可知其增益約為13dB，因此在負(fù)載牽引仿真中，設(shè)置輸入功率為21dBm，頻點為9.5GHz，漏壓為28V，柵壓設(shè)置為-2V,仿真結(jié)果如圖2所示，可獲得最佳效率時的輸出阻抗為20.169+j*58.647歐姆。根據(jù)該輸出阻抗，設(shè)計出相應(yīng)的輸出匹配電路將50歐姆系統(tǒng)匹配到20.169-j*58.647歐姆。在此先默認(rèn)從發(fā)射路看去的開關(guān)輸入阻抗為50歐姆，在級聯(lián)開關(guān)后可對電路進(jìn)行微調(diào)。在末級匹配設(shè)計好后再根據(jù)前級推動后級管子的原理設(shè)計出輸入級和中間級。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和管子的性能參數(shù)，總共設(shè)計為三級放大器。

圖2 單個GaN器件的輸出牽引負(fù)載結(jié)果圖

開關(guān)電路的設(shè)計中主要考慮的是插入損耗和隔離度的大小，同時為了兼顧耐功率的考慮，采用兩級器件并聯(lián)方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中兩條微帶線MLIN1和MLIN2在理論上長λ/4時，可獲得較高的隔離度；不過，在寬帶開關(guān)的設(shè)計中，需要顧全整個帶內(nèi)的性能，因此適當(dāng)調(diào)整長度。第一級器件選擇柵寬較長的器件，在開關(guān)電路的關(guān)態(tài)下提供較大的隔離度；第二級器件選擇柵寬較短的器件，參與電路匹配，增大隔離度而又不引入較大的插損。

圖3 開關(guān)電路一條支路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 流片與測試結(jié)果

本文設(shè)計的收發(fā)前端芯片采用0.25μm GaNpHEMT工藝進(jìn)行流片驗證，并進(jìn)行載片裝配測試，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。在+28V/-2V工作電壓下，圖4所示可以看出發(fā)射路功放的飽和輸出功率在頻帶內(nèi)為33dBm（其輸入功率為+13dBm），功率附加效率39%。圖5中顯示的是接收路的開關(guān)特性?？梢娖洳迦霌p耗為0.6dB，隔離度在頻帶內(nèi)高于37dB。

圖4 發(fā)射路功放實測曲線

圖5 接收路開關(guān)實測曲線

2 結(jié)論

本文由T/R收發(fā)前端設(shè)計理論出發(fā)，采用氮化鎵pHEMT工藝，使用ADS軟件進(jìn)行了芯片的各單元電路以及多功能電路的設(shè)計。通過流片和測試，驗證了單片設(shè)計方法和思路的正確性和可行性，性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計值，滿足工程化應(yīng)用。下一步的工作主要對發(fā)射功率及開關(guān)耐受功率進(jìn)行提升，滿足更高功率的應(yīng)用需求。

[1]Fadhel M.Ghannouchi,Mohammad S.Hashmi.Load-Pull Techniques with Applications to Power Amplifier Design.Springer,2013.

[2]I.D.Robertson and S.Lucyszyn,et al. RFIC and MMIC Design and Technology.The institution of Engineering and Technology, London,United Kingdom.

Design of X band GaN transceiver front-end chip

Liu Fuhai,Lu Lili,Chen Nanting
(China Electronic Technology Group Corporation thirteenth Research Institute，Shijiazhuang Hebei,050051)

This paper introduces a 8.5-10.5GHz MMIC transceiver front end chip based on 0.25 um gallium PHEMT process, which consists of a power amplifier and a single pole double throw switch.The optimized chip is verified by simulation and tapeout on the process line,the performance parameters are tested Test results show that the power amplifier saturation output power is greater than 33dBm, power additional efficiency 39%. SPDT switch achieve low input loss 0.6dB, switch isolation greater than 37dB.

front end chip; test

劉福海（1964,5,20），男，漢族，籍貫河北樂亭，碩士，工程師，研究方向：半導(dǎo)體材料及微波器件。