单片微波混合集成功率放大器的研究与设计

发布时间：2020-10-17 08:02

　　 射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分。目前功率放大器的主流工艺依然是砷化镓(GaAs)工艺。然而近期氮化镓(GaN)技术的成熟为大幅改进系统性能提供了可能。GaN的高介电击穿特性可以支持更高的漏极电压,以提供更高的功率密度。借助GaN可显著提高微波设备的射频转化效率和最大输出功率,以降低系统的总成本。如今,基于GaN工艺的单片微波集成电路(MMIC)正在被逐步引入到商用微波射频单元中。迄今为止,大多数将GaN应用于功率放大器的供应商都依赖于早期器件中的封装技术,如Si横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)和Si双极结晶体管(BJT)。通过用GaN替换这些封装中的硅材料,已经实现了功率密度和效率的提高,但是继续依赖传统的陶瓷封装并没有产生有意义的器件尺寸或重量的减少。因此,本论文提出一种基于GaAs和GaN工艺的小型化、轻薄化、高度集成化、低成本化的混合集成新技术。这种混合集成方案兼有GaAs和GaN两种技术的优势。在倍频程带宽220～520MHz频率范围内,最高提供10W的输出功率。该混合集成MMIC采用低成本10×10mm2栅格阵列(LGA)表贴塑料封装,使系统设计人员能够克服尺寸、重量、性能和成本(SWaP-C)的挑战,同时满足系统对宽带、更高功率、效率和可靠性的要求。本论文研究内容和创新点如下:1.本文提出一种小型化、轻薄化、高度集成化、低成本化的混合集成技术。在确保功率放大器芯片宽带,高增益,高效率,高功率,高线性的前提下,兼顾尺寸、重量、性能和成本(SWaP-C)的平衡。将不同工艺的大功率器件混合集成封装在一个管壳内。利用新型BT基板材料,集成GaAs驱动放大器、GaN功率放大器和内匹配电路在LGA封装内。完成高集成度,高增益,高效率,宽带(高于一个倍频程),小型化的设计。通过减少GaN的使用量以及塑封方法,大幅降低芯片的整体成本,成本降幅超过50%。2.GaN功率管的宽带隙、高击穿电场等特点,使其具有带宽宽,高效特性等优点。所以对于上述设计方法,第一级GaAs驱动放大器的宽带设计是非常重要的。本文利用负反馈技术、电流镜自适应线性化偏置技术,基于2μm InGaP/GaAs异质结双极晶体管(HBT)工艺设计并制造一款200～1200MHz宽带、高增益、高功率驱动级功率放大器。3.本文提出了一种新的GaAs HBT器件热分流结构。通过引入集电极金属,新增加一条功放热源到地的散热路径,针对性的降低基极-集电极结温度,优化GaAs功率放大器热分布,提高效率,进一步提高芯片的可靠性。4.本文提出一种提高GaAs HBT器件击穿电压(BV)的方法。通过增加HBT器件的亚集电层(N+Sub Collector区域),来增加集电区外延层的厚度,并降低集电层掺杂浓度,提高器件的击穿电压。GaAs HBT器件的击穿电压由14V提高至19V。5.基于0.25μm SiC基GaN HEMT工艺,设计并流片制造末级功率放大器。GaAs驱动级功率放大器与GaN功率放大器是最终构成小型化芯片的主体部分,它们的带宽、功率、效率等性能最终决定了单片集成功率放大器的性能。6.本文提出一种新的BT基板设计结构。多年来,高功率放大器的封装一直以金属和陶瓷封装工艺为主,GaN也不例外。但是这种方法以及对传统陶瓷封装的持续依赖并没有显着降低元件尺寸或重量。塑料封装能够降低元器件的尺寸和重量,但器件的功耗更高。本文通过将发热集中的GaAs MMIC和GaN晶体管放置在高导热率铜填充通孔阵列的顶部来解决热设计挑战,以克服塑料封装的散热缺陷,并使高功率GaN器件能够在塑料封装中以良好的性能和高可靠性运行。7.本文同时提出了一种具有超低负载电容(小于O.1pF)的新型达林顿结构ESD/EMP保护电路。GaAs和GaNMMIC对静电放电(ESD)和电磁脉冲辐射(EMP)非常敏感,随着各种先进的电子设备在现代军事武器及战时通信系统中的应用,其受到强电磁脉冲干扰的威胁也越来越大。传统的EMP保护方式如瞬态电压抑制(TVS)二极管或金属氧化物压敏电阻(MOV)等,虽然能够提供足够的EMP保护,但在RF系统中,却会引起RF系统性能的下降,这主要来自传统保护器件相关的寄生电容。具有超低负载电容(小于O.1pF)的新型达林顿结构ESD/EMP保护电路,在提供ESD/EMP保护的同时,不会降低RF电路性能。该芯片采用2μm InGaP/GaAs HBT工艺设计并制造,利于芯片的集成化,以进一步提高MMIC芯片的可靠性。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN722.75
【部分图文】：

使系统设计人员能够使用更小的储能电容器，并在增加总发射功率时保持相同数量的功??率放大器［２６＇２７］。这种新的ＧａＮ驱动能力正在产生新一代更灵活，坚固耐用的雷达系统，??这些系统针对日益苛刻的性能要求和环境条件进行了优化。图１－１对比了不同半导体技??术并显示了其相互比较情况［２８］。??１０００Ｗ?－－??１００Ｗ?－?■??Ｓｉｌｉｃｏｎ?ＧａＮ／ＳｉＣ??ＬＤＭＯＳ??ｉ?１〇Ｗ＂?ＱａＮ／Ｓｉ??１?Ｗ?．?．?ＧａＡｓ??ＳｉＱｅ???１?１?１—??１?ＧＨｚ?１０?ＧＨｚ?１００?ＧＨｚ??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??图１－１微波频率范围功率电子器件的工艺技术对比［２８］??２??

使系统设计人员能够使用更小的储能电容器，并在增加总发射功率时保持相同数量的功??率放大器［２６＇２７］。这种新的ＧａＮ驱动能力正在产生新一代更灵活，坚固耐用的雷达系统，??这些系统针对日益苛刻的性能要求和环境条件进行了优化。图１－１对比了不同半导体技??术并显示了其相互比较情况［２８］。??１０００Ｗ?－－??１００Ｗ?－?■??Ｓｉｌｉｃｏｎ?ＧａＮ／ＳｉＣ??ＬＤＭＯＳ??ｉ?１〇Ｗ＂?ＱａＮ／Ｓｉ??１?Ｗ?．?．?ＧａＡｓ??ＳｉＱｅ???１?１?１—??１?ＧＨｚ?１０?ＧＨｚ?１００?ＧＨｚ??Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??图１－１微波频率范围功率电子器件的工艺技术对比［２８］??２??

并集成到三金属互连工艺中。在３０Ｖ直流偏置条件下，ＰＡ在１．５？１７ＧＨｚ带宽上实??现了大于１０ｄＢ的小信号增益，９？１５Ｗ饱和输出功率（Ｐｓａｔ）和２０？３８％峰值功率附加??效率（ＰＡＥ）。具有偏置分量的ＧａＮｌｌＷＮＤＰＡ的照片如图１－２所示。??２０１０年，日本富士通公司Ｓａｔｏｓｈｉ?Ｍａｓｕｄａ［４Ｇ］等人利用四分之一波长短截线和单片宽??带耦合器开发了６？１８ＧＨｚ?ＭＭＩＣＮＤＰＡ。这种拓扑结构改善了１８ＧＨｚ的输出功率，并??在整个频段内获得了平坦的输出功率。如图１－３所示，ＰＡ采用０．２５ｐｍ?ＧａＮＨＥＭＴ工艺制??造，输出功率超过１０Ｗ，平均ＰＡＥ在６？１８ＧＨｚ范围内达到了?１８％。据报道，这是目前??公开的在Ｃ－Ｋｕ频段工作的任何固态ＭＭＩＣ放大器输出功率和带宽的最佳组合。??图卜３?富士通６？１８ＧＨｚＭＭＩＣＮＤＰＡ［４０］??２０１０年，ＵＭＳ?（Ｕｎｉｔｅｄ?Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ?Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）公司ＧＭｏｕｇｉｎｏｔ等人使用基于??ＳｉＣ衬底的０．２５ｐｍＧａＮ工艺制造了一颗单片三级高功率ＰＡ?（ＨＰＡ）?ＭＭＩＣ［４１］。该ＨＰＡ在??６？１８ＧＨｚ范围内提供６？１０Ｗ输出功率，最小小信号增益为１８ｄＢ。这是ＵＭＳ?０．２５阿??ＧａＮ技术的第一颗ＭＭＩＣ。??＼＼??图１－４?Ｃｒｅｅ卫星通信应用的陶瓷封装两级功率放大器［？］??２０１７年，Ｃｒｅｅ公司的商用ＧａＮ?ＨＥＭＴ?ＭＭＩＣ，?ＣＭＰＡ５５８５０２５Ｆ发布［４２＞。如图?１－４所??示
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本文编号：2844514