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  此款功率放大器芯片(PA)基于八單元行波單元放大器 (UA)。每個(gè)單元放大器包含一個(gè)由倆雙指晶體管組成的射頻共源共柵結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶體管的柵極寬度為20 μm。在輸出級，一個(gè)平衡配置將兩個(gè)UA與Lange耦合器相結(jié)合。在前面，第三個(gè)UA用作驅(qū)動放大器。功率放大器單片式微波集成電路(MMIC)采用35nm柵長變質(zhì)高電子遷移率晶體管技術(shù)制備。從75 GHz到305GHz, PA的最小輸出功率為10dBm，平均值為12.8 dBm。在200GHz時(shí)，峰值輸出功率和PAE分別為14.9dBm和6.6%。這是第一個(gè)倍頻程帶寬的PA MMIC，在300GHz時(shí)提供10dBm的輸出功率。

  在毫米波頻段的上邊沿提供具有高輸出功率(Pout)的固態(tài)功率放大器(PAs)變得越來越重要。諸如點(diǎn)對點(diǎn)無線通信鏈路、高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)和測量設(shè)備等應(yīng)用擴(kuò)展到高達(dá)300GHz的頻率范圍。在許多應(yīng)用場景下，系統(tǒng)還需要較大的工作帶寬。由于有限的器件增益和器件尺寸，PA設(shè)計(jì)在一定程度上是由高度并行化的響應(yīng)匹配拓?fù)渌鶝Q定的。然而，這是以有限的帶寬為代價(jià)的，而倍頻程帶寬很難實(shí)現(xiàn)。基于 InP 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管 (HBT) 或InGaAs高電子遷移率晶體管 (HEMT) 技術(shù)的最先進(jìn)的 PA 單片微波集成電路 (MMICs) 可實(shí)現(xiàn)約200GHz及以上的工作頻率。對于大約250GHz的頻率，在182至265GHz的頻率范圍內(nèi)，已證明的最高Pout為17.2-23.5 dBm;在300GHz左右，280至324GHz的頻率可實(shí)現(xiàn)10.3-13.8dBm的最大Pout ;GaN技術(shù)在200GHz下的 Pout為16 dBm，但是，到目前為止，它們幾乎沒有超過200GHz的工作頻率。硅基技術(shù)顯示出8.1-9.6 dBm(200–230 GHz)的輸出功率，但既不能提供III–V族技術(shù)的輸出功率水平，也不能提供III–V族技術(shù)的帶寬。

  在這項(xiàng)工作中，我們展示了寬帶PA MMIC，其目標(biāo)為3:1帶寬，在300GHz時(shí)Pout為10 dBm。因此，所提出的PA-MMIC在輸出級中包括兩個(gè)平衡配置的八單元分布式單元放大器(UAs)。制造的MMIC(圖1)在75到305GHz的頻率范圍內(nèi)展示了10dBm的最小Pout，在200GHz處具有14.9dBm的峰值功率。

  圖1.制作的PA MMIC的芯片照片，總尺寸為2.25 x 0.75 mm2。不帶直流和射頻焊盤的芯片占用面積為1.5 x 0.5 mm2。白色實(shí)線表示S參數(shù)測量的參考平面，白色虛線突出顯示UAs。

  PA MMIC設(shè)計(jì)

  該單片集成電路基于Fraunhofer IAF 35nm In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As變質(zhì)HEMT(mHEMT)技術(shù)。用分子束外延法在100mm的GaAs晶片上生長HEMT層，后端工藝采用三層互連金層，每層由苯并環(huán)丁烯(BCB)層隔開，背面工藝包括將晶圓減薄至50μm的厚度和襯底通孔。

  電路的主要部分設(shè)計(jì)有薄膜微帶傳輸線 (TFMSLs)，使用第一金屬 (MET1) 互連層作為接地層。MMIC的核心是UA，它基于八單元分布式放大器 (DA)。每個(gè)單元使用帶有兩個(gè)2 x 10μm HEMTs的射頻共源共柵。器件尺寸的選擇允許DA的設(shè)計(jì)達(dá)到至少300GHz的工作頻率，而無需在單元輸入端進(jìn)行電容分壓，并為高輸出功率提供最大柵極寬度。圖2(a)顯示出了晶胞的示意圖。選擇兩個(gè)晶體管 (TLgg) 之間的TFMSL和第二個(gè)柵極的電容以確保穩(wěn)定運(yùn)行和最大增益。第二個(gè) HEMT (Vg2)) 的柵極偏置通過一個(gè)1kΩ電阻器提供，第一個(gè)柵極通過DA的柵極線偏置。為了避免共源共柵的不對稱操作，柵極偏置路徑中的串聯(lián)電阻值相等。

  圖 2.PA MMIC 示意圖。(a) DA 的晶胞、(b) UA 和 (c) 整個(gè) PA

  UA的示意圖如圖2(b)所示。放大器拓?fù)浠诮y(tǒng)一的DA，因此所有單元都是相同的。輸入和輸出線的特征阻抗為62Ω，長度分別為71和111μm。最后，輸入和輸出線分別用25Ω和60Ω電阻器端接。電阻通過大電容接地，單元的第一個(gè)晶體管(Vg1)的柵極偏置通過柵極線終端電阻饋電。漏極偏置(Vd)通過UA輸出端的集成偏置三通供電。它由兩個(gè)RF短路的四分之一波短截線組成，這些短截線針對頻段的上部進(jìn)行了優(yōu)化。為了最小化射頻損耗，輸入和輸出線以及偏置三通使用第三互連金屬層。整個(gè)PA MMIC的框圖如圖 2(c) 所示。輸出級在平衡配置中結(jié)合了兩個(gè)UA。

  第三個(gè)UA用作PA輸入端的驅(qū)動器。平衡輸出級與兩個(gè)Lange耦合器相結(jié)合，這兩個(gè)耦合器針對頻帶的上部進(jìn)行了優(yōu)化。MET1 接地平面在Lange耦合器區(qū)域中打開。耦合條在MET1中實(shí)現(xiàn)。輸出級中朝向UAs的輸入和輸出線的dc阻斷電容器被集成到為Lange耦合器打開MET1接地層的區(qū)域中。這提供了三個(gè)優(yōu)點(diǎn)-首先，連接Lange耦合器內(nèi)部的傳輸線無論如何都是需要的，因此，提供了以較少額外損耗集成串聯(lián)電容器的可能性。第二，由于開放的MET1平面，耦合器內(nèi)部和MET1接地板邊緣之間的傳輸線較寬，相當(dāng)于50Ω TFMSL，因此對于相同長度，可以實(shí)現(xiàn)更大的電容，從而降低射頻損耗。第三，減少了占用芯片面積，使功率放大器更加緊湊。由于Lange耦合器已經(jīng)包含兩個(gè)串聯(lián)阻塞電容器，因此在驅(qū)動器UA的輸出端不需要直流阻塞。在MMIC的輸入端，采用了共面波導(dǎo)中的電容器。對于帶有Lange耦合器的集成電容器，這使得電容器的下電極更寬，并且使得相同長度的電容更大。

  圖3.測量(實(shí)線)和模擬(虛線)的S參數(shù)，從0.01到335GHz。將S參數(shù)校準(zhǔn)到圖1中白線所示的基準(zhǔn)面。用1.8 V的電源電壓和500 mA/mm的電流對放大器進(jìn)行偏置。

  測量結(jié)果

  在不同的晶圓上測量了單片集成電路。為了更好地與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，將S參數(shù)校準(zhǔn)到圖1中用白線表示的晶圓上基準(zhǔn)面。對于大信號測量，設(shè)置校準(zhǔn)到射頻探頭尖端。對于所有測量，第一UA的柵極電壓都受到控制，以便獲得一定的漏極電流。兩個(gè)輸出UA與第一個(gè)UA共享相同的柵極電壓。射頻共源共柵上部晶體管的柵極對兩個(gè)晶體管的對稱漏源極電壓進(jìn)行偏置。表 I 總結(jié)了所提供的 PA MMIC 的小信號和大信號性能的測量結(jié)果。

  S參數(shù)用Anritsu VectorStar矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(最高220 GHz)和Keysight PNA-X(帶VDI WR3.4波導(dǎo)擴(kuò)展，220至335 GHz)測量。校準(zhǔn)是通過使用專用晶圓上標(biāo)準(zhǔn)的多線直通反射線 (mTRL) 算法完成的。測得的S參數(shù)如圖3所示，電源電壓為1.8 V，漏極電流為500 mA/mm。PA MMIC在65至305GHz 范圍內(nèi)表現(xiàn)出超過17.5 dB的小信號增益，并且在該頻段的主要部分具有優(yōu)于10 dB的輸入和輸出回波損耗。

  PA 的大信號性能在75至110、110至140、140至215和225至325GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量。前兩個(gè)設(shè)置分別使用Keysight信號發(fā)生器和倍頻器作為信號源，以及Keysight WR10和ELVA-1 WR6.5功率傳感器。輸入功率由電動波導(dǎo)衰減器控制。后一種設(shè)置基于帶有VDI WR5.1和WR3.4波導(dǎo)擴(kuò)展器的Keysight PNA-X。對波導(dǎo)擴(kuò)展器進(jìn)行了修改，以確保在給定功率水平下線性運(yùn)行。

  圖4.在(閉合符號)95GHz、(半閉合符號)140GHz和(開放符號)240GHz的工作頻率下，測量了作為輸入功率函數(shù)的單音連續(xù)波(CW)大信號性能。放大器的偏置電壓為1.8V，靜態(tài)電流為500mA/mm。

  圖5.240GHz下測得的飽和輸出功率隨偏壓變化的等高線圖。黑色圓圈表示實(shí)際測量的偏置點(diǎn)。

  圖7提供了工作頻率超過200GHz的最先進(jìn)寬帶PA MMIC的概覽。比較突出了這項(xiàng)工作對覆蓋帶寬為75–305 GHz和輸出功率超過10dBm 的寬帶PA MMIC的顯著改進(jìn)。在200 GHz下獲得14.9 dBm的峰值輸出功率。這展示了第一個(gè)倍頻程帶寬PA MMIC，在300 GHz的工作頻率下具有10dBm的輸出功率。所提出的PA MMIC是在Fraunhofer IAF 35nm柵極長度InGaAs mHEMT技術(shù)中制造的。MMIC在輸出級采用八單元統(tǒng)一DA拓?fù)浜突贚ange耦合器的功率組合。因此，本文的工作揭示了在高達(dá)300GHz的寬帶系統(tǒng)中反應(yīng)匹配PAs的一個(gè)有吸引力的替代方案，并展示了DAs在寬帶應(yīng)用中的優(yōu)勢。