微波毫米波GaN功率MMIC技术研究

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微波毫米波固态功率器件是无线通信、导航、雷达等系统的核心电子器件。GaN具有禁带宽度大(3.4eV)、临界场强高(3.0MV/cm)、热导率高、功率密度大等特点,因此非常适合研制高性能功率单片微波集成电路(MMIC)。针对GaN功率MMIC,本文在GaN器件非线性模型、超宽带、高效率、高线性和双模工作五个方面开展研究工作,主要研究成果如下:1.GaN HEMT器件非线性模型。精确的GaN HEMT器件非线性模型对于设计高性能功率放大器MMIC至关重要。本文首先分析了Angelov-GaN非线性模型提取方法,在此基础上给出了一种改进的Angelov-GaN非线性模型,并对6×50μm GaN HEMT器件进行模型提取。模型仿真结果和测试结果对比表明:改进的Angelov-GaN模型在直流特性和微波特性上吻合度较好。2.基于电抗匹配式和分布式两种拓扑结构的GaN宽带功率放大器(PA)。基于电抗匹配拓扑结构设计了6-18GHz 12W和26-40GHz 17W两款宽带功率MMIC,利用分布式拓扑结构设计了2-18GHz 10W超宽带功率MMIC。在6-18GHz功率MMIC设计过程中,重点研究了器件结构和热特性的关系,并提出综合应用谐波平衡(HB)和负载牵引(LoadPull)进行匹配电路设计的新思路,研制出的芯片饱和输出功率(Psat)为13.8-21.4W,功率附加效率(PAE)为21-35%,热阻为1.55℃/W,尺寸为2.6×3.6 mm~2。在26-40GHz平衡式功率MMIC设计过程中,提出了Lange耦合器和输出匹配电路一体化设计方法,解决了标准50ΩLange桥所要求的线宽、缝宽和工艺加工规则冲突的难题,研制出的芯片Psat为17-31.6W,PAE为15-34%。2-18GHz功率MMIC设计采用两级分布式放大器(DA)级联结构提高增益,采用非均匀拓扑提高功率和效率,研制的芯片Psat大于10W,PAE大于20%,功率增益大于15dB,尺寸为3.5×4.8mm~2。3.高效率高功率GaN功率MMIC。设计研制了X波段两款(8.5-10.5GHz 60W、8-12GHz 60W)功率MMIC以及毫米波33-37GHz 20W功率MMIC。其中,8.5-10.5GHz60W功率MMIC末级管芯输入端利用紧凑型LC谐振结构进行输入波形控制,PAE从45%提升至50%,同时芯片面积和普通放大器一致。提出了一种压缩深度控制技术并应用于8-12GHz 60W功率放大器设计,实现全频带6dB压缩时效率大于40%,芯片已实现工程应用。根据LoadPull测试结果设计了毫米波33-37GHz 20W功率MMIC,利用无损预匹配结构提升毫米波频段单胞LoadPull测试精度,同时提出了一种利用谐振结构进行工艺方块电容标定的新方法。研制的芯片Psat大于20W,PAE大于30%,与国际上已发表的同频段PA性能对比,该芯片的Psat与PAE具有优势,芯片已实现工程应用。4.第五代移动通信(5G)GaN功率MMIC。应用于通信的功率MMIC应具有回退后高效率和高线性度的特征。针对5G回退高效率的要求研制了24-28GHz Doherty功率MMIC,仿真结果表明26GHz处Psat大于32dBm,PAE大于35%;Psat回退6dB时,PAE大于25%。针对高线性要求,将IMD Sweet Spot设计方法拓展至毫米波频段。芯片测试结果表明:在27-32GHz范围内,Psat大于5W,PAE大于25%,Psat回退6dB时三阶交调小于-30dBc,PAE大于15%。5.X波段双模GaN功率MMIC。双模放大器能够支持脉冲和连续波两种模式工作。脉冲工作模式时要求输出功率大、效率高,连续波工作模式时要求功耗小于脉冲工作时的平均功耗,同时输出功率满足要求。文中采用功率开关管进行模式切换,创新性地将开关管融合进功率放大器的匹配电路中。同时开关管采用正压28V控制模式,提高使用的方便性。研制的双模功率MMIC在7-13GHz频率范围,脉冲工作模式时Psat大于25W,PAE大于35%;连续波工作模式时,Psat大于1.58W,PAE大于20%。
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