林 倩，陈思维，邬海峰，胡单辉，陈依军，胡柳林

(1.青海民族大学物理与电子信息工程学院,青海 西宁 810007；2.成都嘉纳海威科技有限公司,四川 成都 610000)

随着无线通信技术和微波集成电路工艺的进步,电子通信设备正向着小型化、轻量化和低成本等方向快速演进。与此同时,作为射频收发机的关键部件的射频驱动放大器(Radio Frequency Drive Amplifier,RFDA)也随之产生了一系列的变革。单片微波集成电路(Mono-lithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)[1-2]相对于传统的射频电路,具有体积小、重量轻、可靠性高、便于批量生产等优点,已经成为射频收发前端电路的首要选择[3]。同时,随着半导体工艺的快速发展,砷化镓赝匹配型高电子迁移率晶体管(GaAs Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor,GaAs pHEMT)中,InGaAs 层起了非掺杂GaAs 层的作用,GaAs pHEMT 可以在更低温度下工作,提供更大的电流密度和电子迁移率,使得工作频率和增益有所提高[4-5]。相比Si、SiC、GaN 及其他工艺,GaAs pHEMT具有更高的电子迁移率和优异的功率性能,其广泛应用于MMIC DA 的设计与制造。

本文基于GaAs 工艺,设计并实现了一款S 波段高增益单片微波驱动放大器,其应用背景为5G 无线通讯系统中Sub-6 GHz 频段的驱动放大器。测试结果表明,该DA 小信号增益(S21)达26 dB,输出三阶交调点(OIP3)为30.5 dBm,饱和输出功率(Psat)为26.5 dBm,最大功率附加效率(PAE)为25%。

1 电路设计

该电路的电路原理图如图1 所示。为满足25 dB 增益、90 mA 静态电流的设计目标,电路采用了基于负反馈技术的Cascode 放大器驱动共源放大器的双级放大结构。Cascode 电路结构可以降低结电容的米勒效应[4]对宽带的影响,提高增益的同时又改善了频率特性,从而可实现高增益、高速度和宽频带；结合电阻电容负反馈结构可以实现更好的输入输出匹配和反向隔离度[6-7]。驱动级Cascode 的晶体管M3、M2尺寸为6×100 μm。驱动级放大器电路的闭环增益Av1为:

图1 GaAs MMIC DA 电路原理图

其中Zload为前级DA 晶体管的输出负载阻抗,gm1为驱动级晶体管的跨导。为了实现DA 的高线性度与最佳的输出匹配电路,末级放大电路选择了高线性度的共源放大结构[6,10]。其中末级共源放大结构由晶体管M5至M8组成,尺寸均为8×100 μm,以实现1 dB 压缩点(P1dB)大于27 dBm 的目标,末级放大电路的闭环电压增益为Av2为:

其中,Zload2为末级DA 晶体管的输出负载阻抗,gm2为晶体管的跨导。其中忽略供电扼流电感L13的影响后,Zload2为:

为了减少非线性失真,降低电路的温度敏感性[10],该驱动放大器采用了如图1 所示的有源偏置电路,其中驱动级偏置电路主要由晶体管M1,整流电阻R2和R3和旁路电容C3组成；末级栅极偏置电路主要由晶体管M4,整流电阻R7和R8,旁路电容C9组成。这两个偏置电路中晶体管的电压电流会随着输入功率的增大而增大,从而对驱动放大器的增益压缩和线性失真[8]进行相应的损耗补偿[10-11]。

基于负反馈技术的Cascode 放大器驱动共源放大器的双级放大结构可以显著提升电路的增益。

2 电路测试

为了验证DA 的实际性能,这里对加工好的芯片进行了常温下的性能测试,包括小信号和大信号测试。电路测试夹具和加工实物如图2 所示。

图2 电路测试夹具和实物

DA 的S 参数测试曲线如图3 所示。由图可得,其小信号增益S21在2.5 GHz～4.2 GHz 频带范围内为26±0.5 dB；S11在频段内小于-7.5 dB,S22小于-6.5 dB。

图3 S parameters 曲线

测得该DA 的输出功率(Pout)、功率增益(Gain)及PAE(%)曲线如图4 所示。由图可得,频段内电路的饱和输出功率达26.5 dBm,Gain 在频段内保持23±0.5 dB,最大PAE 在频率为3 GHz 处为25%。

图4 Pout,Gain 和PAE 曲线

DA 在不同频点下的Pout、Gain 及PAE 随输入功率Pin的变化曲线如图5 所示。由图可得,在频率为3.2 GHz 时,增益达最大值27.5 dB；在频率为4 GHz 时,PAE 达最大值26.5%。

图5 不同频点Pout、Gain 及PAE 曲线

该DA 的三阶交调(OIP3)随频率的变化曲线如图6 所示。由图可以看出,在2.5 GHz～4.2 GHz频带内OIP3 的值大于27.5 dBm,且最大值达30.5 dBm,表明该DA 具有良好的线性度。

图6 OIP3 曲线

为了验证该DA 特性指标的优劣性,表1 给出了该DA 与其他相近频段同工艺DA 特性指标的比较,从中可以看出本文提出的GaAs MMIC DA 具有高增益和高线性度。

表1 GaAs MMIC DA 性能比较

3 结论

本文介绍了一种基于GaAs pHEMT 工艺的S 波段高增益、高线性单片微波驱动放大器的设计、加工和实测结果。通过采用共源共栅双级放大结构,该DA 小信号增益为26 dB,输入回波损耗小于-7.5 dB,输出回波损耗小于-6.5 dB,输出三阶交调点(OIP3)达30.5 dBm,功率增益(Gain)为25 dB,饱和输出功率为26.5 dBm。该芯片实测结果可以满足5G 无线通讯系统中Sub-6GHz 频段的典型驱动功率放大的指标要求,具有广泛的市场应用前景。