主動式相位陣列雷達需要大量的功率放大器(PA),它必須小巧、高效和低成本。本文介紹涵蓋9~11.5GHz頻段且能滿足這些需求的X波段PA單晶片微波積體電路(MMIC)。

X波段GaN PA MMIC能以42%的功率附加效率(PAE),從29dBm驅動7W(38.5 dBm)的輸出功率。該設計使用是德科技(Keysight Technologies)的ADS 2015,在UMS(GH25)的碳化矽(SiC)製程上實現0.25μm閘極長度的氮化鎵(GaN)。該GaN裸晶的尺寸僅1.5mm×2mm,意味著可以在單個4吋直徑的晶圓上製造出大約2,300個功率放大器。

相位陣列雷達使用許多並聯操作的發射器,以產生較高的總傳輸射頻(RF)功率水準。在每個發射器輸出端的RF放大器必須能夠以可接受的成本有效地產生所需的RF功率。這些元件必須緊密相隔(間隔通常約為波長的一半),而這個要求加上潛在巨大的總耗散功率水準,可能對雷達設計團隊構成巨大挑戰。PA通常是功耗的關鍵因素,因此,具有高效率的PA非常值得期待。

每個發射元件所需的典型RF功率級大約在5W~10W範圍。GaN技術可以輕鬆實現這一功率水準,實現起來也可以很高效。這裡所描述的放大器被設計成可讓輸出級具有足夠的增益以允許藉由現成可用的技術提供輸入驅動。該放大器的目標性能要求(見表1)。

20170726_Plextek_TA31T1 表1:PA的目標性能要求

設計和佈局

該PA設計採用UMS(GH25)的0.25μm閘極長度GaN-on-SiC製程。設計的第一步是電晶體級模擬,以確定合適的電晶體尺寸和偏置。電晶體可以產生的RF輸出功率隨著總閘極周邊的增加而增加。然而,電晶體的實體尺寸在電氣方面變得越來越重要,由於分佈寄生效應的影響,大訊號和小訊號的性能都將開始降低。因此,微波頻率PA通常利用多個功率組合電晶體,但必須謹慎考慮電晶體尺寸對性能的影響。

在選擇最佳電晶體尺寸時要考慮的另一個因素是電晶體模型的有效範圍。商業代工廠通常擁有包含可擴展電晶體模型的製程設計套件(PDK)。雖然這些模型可能允許任意調整閘極寬度和叉指(finger)數量,但這都是根據來自各種不同尺寸電晶體選擇的資料。在選擇用於產生模型的電晶體時,最好嘗試選擇不需要太多外插(extrapolation)的電晶體尺寸。

考慮到這些因素,我們為規劃的設計選擇了8×150μm的電晶體。針對GH25電晶體推薦使用的Vd為25V;在進行模擬時比較Psat、PAE和各種靜態偏置電流的可用增益。圖1顯示一組負載牽引曲線。所選電晶體尺寸的Psat(@4dB壓縮)約為36.5dBm(4.4W),並且僅隨靜態偏置的變化而小幅改變。靜態偏置電流的降低改善了PAE,但小訊號增益也降低了。該設計採用的靜態偏置電流(Id)為45mA(37.5mA/mm);在設計過程中還檢視了較高的90mA(75mA/mm)偏置電流的性能,以評估更高的偏置電流可能帶來的性能優勢。

20170726_Plextek_TA31P1 圖1:使用ADS 2015在8×150μm的電晶體上進行負載牽引模擬

此次,我們開發了具有兩個功率組合的8×150μm電晶體的設計。

在考慮晶片上偏置和匹配網路損耗的條件下,該設計仍然超過了最小目標輸出功率6W(37.7dBm)的要求。

然後,我們對所選電晶體實施更詳細的負載牽引模擬。在指定負載阻抗的範圍內,繪製了以4dB 壓縮向負載傳送的功率對應10GHz的PAE的曲線,如圖2。圖2中每條軌跡線表示負載阻抗的恒定實際部份以及具有變化的虛擬部份。該分析用於選出在設計過程中用於作為目標的11.25+j21.67Ω最佳負載阻抗。在進行詳細的電路設計時,也進行了二次諧波和三次諧波的最佳負載阻抗分析,並在電路設計時予以考慮。

20170726_Plextek_TA31P2 圖2:各種基本負載阻抗的模擬PAE和Pout

該設計途徑是將兩個所選電晶體的RF輸出進行功率組合。在整個設計過程中,重點在於確保了晶片面積最小化。這可以從下圖3(a)中再現的佈局圖中清楚地看出。

20170726_Plextek_TA31P3 圖3:X波段GaN PA裸晶的(a)頂部、佈局軌跡;以及(b)底部

在IC的頂部和底部包括了同質的晶片上漏極偏置網路。這保持了對稱性,並讓PA得以從任一側偏置。用於提供漏極偏置的傳輸線也用於為每個電晶體漏極處的電感匹配,以便將最佳電感負載阻抗提供給電晶體,以及確保二次和三次諧波終端能如願以償地定位。

在每個電晶體輸出端使用高阻抗串聯線,將PA輸出端的共同50Ω負載阻抗轉換為電晶體漏極所需的較低阻抗。這是為了在每個電晶體的輸出呈現出負載的最佳實體部份。

輸入匹配網路是一種低通結構,可在PA輸入端將電晶體輸入端的低阻抗轉換為50Ω阻抗。兩個PA通道之間包含晶片上平衡電阻,以確保奇模(odd-mode)阻抗的穩定性。閘極和漏極都包含晶片上RC去耦,以確保當GaN電晶體具有極高可用增益水準時的低頻穩定性。

具體實現和測量性能

圖3(b)顯示PA裸晶照片。該裸晶尺寸僅為1.5mm x 2mm,這意味著單個4吋直徑的晶圓可包含大約2,300個功率放大器IC。

在25V Vd和90mA Id的偏置下,在晶片上測量了40個放大器的s參數,並繪製曲線。在9GHz時測得的小訊號增益為14dB,而在11GHz時降至12.1dB。

圖4顯示建模和測試較小訊號的性能比較。測得的結果以虛線表示,建模(模擬)的性能則是實線。可以看出,相較於建模的結果,測試所得的性能頻率略有上移,但仍保有一致性。

20170726_Plextek_TA31P4 圖4:比較在25V、90mA偏置條件下建模和測試的S參數值

同時為較大的訊號性能測量其RF-on-Wafer(RFOW)值。這是在25μs脈衝寬度、10%工作週期的脈衝操作下測得的。在25V、90mA的靜態偏置下,針對5dBm、19dBm、29dBm和32dBm的RF輸入功率進行了測量,測量結果繪製於圖5(a)。輸入功率為29dBm,RF輸出功率約為38.5dBm或7W。

20170726_Plextek_TA31P5 圖5:在25V、90mA靜態偏置時,針對5dBm(紅色)、19dBm(藍色)、29dBm(綠色)和32dBm(橙色)的輸入功率進行測量,分別測得(a) RFOW的測量輸出功率(上圖),以及(b)RFOW的測量PAE(均為10%工作週期、25μs PW)

PAE的相應曲線如圖5(b)所示。在29dBm的輸入驅動下,PAE在9~11.5GHz範圍時約為42%。

在9.7GHz頻率時,模擬和測量所得的功率傳輸特性繪製於圖6,顯示具有非常好的一致性。

20170726_Plextek_TA31P6 圖6:在9.7GHz頻率時,建模和測試所得的功率傳輸特性

結論

本文介紹了9~11.5GHz GaN PA MMIC的設計、實現和測試性能的細節。該放大器使用UMS PDK在ADS 2015平台上進行設計,並以UMS的GH25 GaN MMIC製程實現。在設計時考慮了主動式相位陣列雷達,並在25V、90mA的靜態偏置時,從29dBm、42% PAE的輸入驅動中產生38.5dBm(7W)的RF輸出功率。