微波高功率固态放大器技术综述

摘要微波集成电路在民用和军用电子中起到至关重要的作用。在微波集成电路领域，高功率的功率放大器为发射机提供足够的信号功率输送到自由空间中，是其不可缺少的关键部件。基于学术研究和商用产品线情况，综述了微波功率放大器芯片的发展情况。首先讨论了各种微波毫米波功率放大器的制造技术，按照半导体器件可以归类为砷化镓、氮化镓、互补金属氧化物半导体和锗化硅等；接着讨论了微波芯片功放的设计技术用以满足高功率、宽带和高效率的指标要求；最后总结了各类微波固态功率放大器的工艺和设计技术，为芯片设计人员提供了全面的设计参考。关键词微波；毫米波；功率放大器；集成电路；固态电路；功率合成

中圖分类号TN722.75

文献标志码A

收稿日期20161203

资助项目国家自然科学基金（61471092）

作者简介

韩江安，男，博士后，主要研究方向为毫米波集成电路与系统。jiangan-han@sutd.edu.sg

马凯学（通信作者），男，教授，博士生导师，2016年国家杰出青年科学基金获得者，主要研究方向为毫米波集成电路与系统。 makaixue@uestc.edu.cn

1新加坡科技与设计大学，新加坡，487372

2电子科技大学物理电子学院，成都，610054

0 引言

微波集成电路技术是无线系统小型化的关键技术。在毫米波集成电路中，高性能且设计紧凑的功率放大器芯片电路是市场迫切需求的产品。总的来说，微波功率放大器的芯片性能很大程度上取决于制造工艺，而每种工艺对功率放大器有着不同的特点或优势。对于工作频率不高于100 GHz的芯片而言，砷化镓和氮化镓材料具有功率方面的优势[12]。如果频率作为器件的首要考虑，那么选用磷化铟器件制作的功率放大器其频率可以高到500 GHz以上[3]。当然，对于工业制造来说，产品的成本也是功率放大器设计以及量产的重要因素，特别是对于消费电子产品类，互补金属氧化物半导体（CMOS）利于片上系统集成，因此具有成本优势。从应用场景来看，毫米波芯片工作于不同的频率有着不同的要求，比如在Ka波段的26.5～40 GHz，目前主要用于卫星和中长距点对点通信，大功率是这个波段功率放大器的首要指标，因而氮化镓和砷化镓的功率放大器芯片是首选。对于60 GHz而言，由于电磁波在该频率的衰减很大，主要潜在应用于短距离的高速通信并面向消费电子市场，因而成本较低的CMOS半导体和锗化硅器件是未来该频段芯片设计的首选[4]。在本篇综述中，首先将比较毫米波固态电路芯片制造的基础工艺；然后针对不同的设计指标，介绍了相应的解决方案，包括设计构架和功率半导体芯片的设计思路；最后比较了各种功率放大器的工艺特点和设计方法，希望能为该领域的研发工作提供直观的设计参考。

1 微波芯片制造技术

1.1 砷化镓

当前砷化镓工艺包含两大类器件工艺：赝调制掺杂异质结场效应晶体管（pHEMT）和应变高电子迁移率晶体管（mHEMT）。其中pHEMT的商用程度要高于mHEMT器件。在商用领域，比较知名的公司有Qorvo、Mimixbroad、M/ACOM和Excelics等，其中大部分的固态功率放大器工作在6 GHz到120 GHz附近。比如Qorvo公司的TGA4706FC芯片可在76～83 GHz的频率范围提供超过15 dB的增益和14 dBm的饱和输出功率。基于70 nm的pHEMT器件，砷化镓毫米波固态功率放大器已经可以工作在100 GHz的频率以上[5]。非消费电子用途的主流的砷化镓功率放大器产品定位于6～40 GHz之间，以

学报（自然科学版），2017，9（1）：814Journal of Nanjing University of Information Science and Technology（Natural Science Edition），2017，9（1）：814

韩江安，等.微波高功率固态放大器技术综述.

HAN Jiangan，et al.

A review of microwave high power solid state power amplifier.

X波段雷达和Ku、Ka波段的卫星通信为目标市场。如果不采用分布式功率放大器结构，其带宽通常在10 GHz之内[67]。由于衡量微波固态功率放大器的重要指标之一是饱和输出功率，Qorvo公司的商用芯片TGA4916可在29～31 GHz的频率范围输出达到38 dBm。在17～30 GHz频段，现有的pHEMT功率放大器的功率附加效率（PAE）集中在25%～45%之间[812]。

应变高电子迁移率晶体管（mHEMT）的研发初衷是为了解决磷化铟和砷化镓衬底的不匹配问题，其基本方法是在砷化镓衬底中添加一层铟。这种工艺器件具有较高的晶体管截止频率和较低的噪声，已报道的用mHEMT制作的毫米波功率放大器频率在200 GHz以上[1314]。而在低于40 GHz的频率，mHEMT的功率放大器较少被报道，相较于pHEMT制备的功率放大器并不具备竞争优势，只有少量用于实验的低噪声放大器可供参考[15]。

1.2 氮化镓

氮化镓器件具有高的电子迁移率和高的击穿电压，是高效率大功率放大器设计的首选，其工作频带范围可以从直流到接近100 GHz。在0.1 和0.15 μm特征栅长的器件问世后，多个工作频率超过70 GHz的氮化镓功率放大器已被验证[1619]。在低于30 GHz的频率，毫米波功率放大器芯片已在功率、效率和带宽方面表现出非常出众的性能。比如ACTELTHALES IIIV实验室研制的氮化镓功率放大器，输出功率达到43 W的同时保持了52%的功率附加效率[20]。而由Mitsubishi Electric 公司研制的功率放大器可在14～16 GHz频带范围输出60 W的功率和45%的功率附加效率[21]。应用分布式放大电路拓扑，氮化镓功率放大器同时展现了其宽带和高功率的优势[2223]。由于pHEMT器件的商业应用已成熟多年并且优化，使得氮化镓功率放大器在30 GHz以上还处于与砷化镓竞争的态势。在两种器件表现出相似的输出功率时，其内部技术实现路径却稍显差异[2427]。由于氮化镓器件的高功率特性，使得用该种器件设计的功率放大电路可以用较少的晶体管进行末级合成，就能匹敌用更多砷化镓器件实现的指标。但是由于氮化镓的器件本身体积较大，需要占用较大的芯片面积，因此制作多级电路的时候往往增益不如砷化镓pHEMT晶体管的功率放大器。