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Microwave Office Application Note 简介 无线系统组件 包括砷化镓 (GaA)准同晶高电子迁移率晶体管 (phemt) 二倍增频器 四倍 频器以及功率放大器 (PA) 是 E-band 应用中的重要组件 其可在较宽的带宽范围内实现 最佳输出功率和功率附加效率 (PAE) 可在欧洲电信标准学会(ETSI) 的整个 E-band 范围内 71-76 和 81-86GHz 提供 15dBm 或更大 RF 功率的电路对无线电系统极为有用 可 用于诸如二倍增频器 三倍频器及四倍频器等倍增器 这些装置可为高正交振幅调制(QAM) 无线电系统的高线性上/下变频混频器提供本地震荡功率 及为低 QAM 系统提供直接传 输 高输出功率 超过20dBm 或 100mW 是线性E-band 系统 PA 的理想特征 研究 和设计群体正努力实现为 E-band 系统设计的天线提供 1W 的最终目标 对于任何PA PAE 以及饱和输出功率都是无线电设计者极感兴趣的参数 为实现所需的性 能 设计团队选择高功率PP10 WIN 工艺 因为它具有高 ft 和高功率能力 这就给团队带 来了巨大的挑战 因为团队之前并没有将各个场效晶体管(FET) 的生产前测量与生产FET 的 过程相关联的经验 更不用说电路性能 Microwave Office 软件显示 E-band 功率放大器设计的示意 3D 视图 EM 模拟和 图 布局 3D S 参数结果 毫米波无线系统的全 ETSI E-band 电路设计

该 应 用 注 释 将 重 点 描 述 Q- 到 E-band 二 倍 增 频 器 以 及 K- 到 E-band 四 倍 频 器 电 路 的 设 计 ( 包 括 中 等 E-band 功 率 放 大 器 ) 如 何 增 加 增 益 和 输 出 功 率 二 倍 增 频 器 在 整 个 ETSI E-band 范 围 内 提 供 15dBm 四 倍 频 器 设 计 可 在 更 窄 的 带 宽 范 围 内 提 供 更 高 的 功 率, 可 用 于 在 两 个 E-band 之 间 具 有 LO 的 无 线 电 系 统 四 倍 频 器 可 提 供 最 高 19.2dBm 的 输 出 功 率 放 大 器 在 两 个 ETSI E-band 上 产 生 超 过 200mW (23dBm) 的 输 出, 最 大 功 率 为 24.2dBm (265mW) 电 路 设 计 拓 扑 二 倍 增 频 器 四 倍 频 器 以 及 功 率 放 大 器 的 设 计 都 通 过 AWR 的 Microwave Office 高 频 设 计 软 件, 采 用 提 取 自 小 型 测 试 晶 体 管 的 多 偏 置 S 参 数 测 量 结 果 的 模 型 进 行 模 拟 电 路 采 用 WIN Semiconductor 的 0.10µm GaAs phemt 工 艺 (PP10) 构 造, 该 工 艺 具 有 135GHz 的 ft 725mS/mm 的 跨 导 以 及 9V 的 击 穿 电 压 二 倍 增 频 器 ( 图 1a) 是 一 个 两 阶 Q-band 放 大 器, 它 可 驱 动 由 FET 组 成 的 单 端 倍 频 元 件 偏 置 闭 合 至 夹 止, 从 而 驱 动 一 个 四 阶 E-band 中 等 功 率 放 大 器 四 倍 频 器 ( 图 1b) 包 括 一 个 额 外 的 K-band 前 置 放 大 器 和 一 个 K- 至 -Q 倍 频 元 件 两 个 电 路 的 输 出 装 置 均 为 4 50µm 晶 体 管 功 率 放 大 器 ( 图 1c) 采 用 四 阶 平 衡 拓 扑, 在 每 条 臂 上 都 有 一 个 最 终 晶 体 管, 是 一 个 6 50µm 装 置, 专 为 优 化 增 益 通 道 温 度 以 及 输 出 功 率 之 间 的 平 衡 而 定 制 二 倍 增 频 器 单 片 微 波 集 成 电 路 (MMIC) 为 2750µm 1250µm, 可 满 足 该 晶 圆 其 他 电 路 的 划 片 要 求 功 率 放 大 器 布 局 同 样 受 邻 近 电 路 的 大 小 影 响, 可 在 生 产 版 本 中 进 行 缩 减 所 有 电 路 采 用 三 步 流 程 进 行 设 计 : 第 一 步 : 使 用 基 于 示 意 图 的 设 计 确 定 与 目 标 规 格 相 符 的 性 能 在 第 一 轮 进 行 初 步 线 性 设 计, 粗 略 考 虑 非 线 性 表 现 第 二 步 : 对 各 个 子 电 路 进 行 布 局, 使 用 AWR EXTRACT 流 程 和 AWR s AXIEM 3D 平 DO NOT COPY 面 电 磁 (EM) 模 拟 器 提 供 更 准 确 的 块 级 设 计 第 三 步 : 整 个 芯 片 级 别 金 属 涂 敷 的 关 键 部 分 通 过 EXTRACT 流 程 执 行, 并 与 块 级 模 拟 和 总 体 目 标 性 能 比 较 在 进 行 试 产 前, 使 用 AWR 软 件 对 设 计 进 行 最 终 验 证 ( 包 括 设 计 规 则 检 查 (DRC) 以 及 布 局 与 示 意 图 核 对 (LVS)) 图 1:(a) 二 倍 增 频 器 (b) 四 倍 频 器 以 及 (c) 功 率 放 大 器 的 照 片 测 量 技 术 使 用 50GHz 信 号 源 提 供 足 够 的 输 入 功 率, 使 二 倍 增 频 器 和 四 倍 频 器 达 到 饱 和 它 们 都 使 用 宽 带 50-75GHz 和 75-110GHz 功 率 传 感 器 来 进 行 测 量 输 出 组 件 包 括 共 轴 RF 探 头 波 导 管 过 渡 以 及 WR-10 波 导 管 衰 减 器 和 功 率 传 感 器 输 出 组 件 的 损 耗 是 通 过 110GHz Anritsu VectorStar 网 络 分 析 仪 进 行 测 量 的

泄 漏 到 功 率 计 头 的 基 本 漏 损 量 予 以 忽 略, 因 为 用 于 衰 减 器 和 功 率 传 感 器 的 75GHz 波 导 管 的 截 止 频 率 为 60GHz 二 倍 增 频 器 的 三 次 及 更 高 次 谐 波 量 可 以 忽 略, 因 为 输 出 放 大 器 处 于 比 输 入 频 率 高 出 1-1/2 倍 的 频 率 时 缺 乏 增 益 二 倍 增 频 器 用 作 驱 动 器, 以 提 供 足 够 的 功 率 测 试 处 于 饱 和 状 态 的 功 率 放 大 器 二 倍 增 频 器 和 功 率 放 大 器 在 金 属 块 上 用 环 氧 树 脂 并 排 胶 合, 并 通 过 接 合 线 进 行 RF 连 接 使 用 AWR 的 3D FEM EM 模 拟 器 Analyst 对 每 个 测 量 频 率 的 接 合 线 损 耗 进 行 建 模 该 测 试 使 用 的 特 定 二 倍 增 频 器 分 别 进 行 测 量, 测 得 的 输 出 功 率 在 经 过 接 合 线 损 耗 修 正 后, 用 于 计 算 PAE 测 量 结 果 二 倍 增 频 器 :Q- 至 -E-band 二 倍 增 频 器 的 测 量 和 模 拟 结 果 如 图 2 所 示 在 4V 电 压 供 应 条 件 下, 二 倍 增 频 器 可 提 供 频 率 为 70 至 88GHz 时 超 过 15dBm 的 输 出 功 率 在 同 一 频 带,PAE 超 过 4% 并 未 测 量 基 本 拒 绝 情 况, 因 为 Q-band 信 号 已 下 降 至 低 于 当 前 测 量 设 置 所 用 的 波 导 管 截 止 频 率 图 2: 二 倍 增 频 器 的 饱 和 输 出 功 率 与 PAE 针 对 输 出 频 率 (Pin = 0dBm, VGS = 0.3V, VDS = 4.0V) 的 测 量 ( 实 线 ) 及 模 拟 ( 虚 线 ) 结 果 图 3: 四 倍 频 器 的 饱 和 输 出 功 率 与 PAE 针 对 输 出 频 率 (Pin = 0dBm, VGS = 0.3V, VDS = 4.0V) 的 测 量 ( 实 线 ) 及 模 拟 ( 虚 线 ) 结 果 四 倍 频 器 :K- 至 -E-band 四 倍 频 器 测 得 的 输 出 功 率 和 PAE 结 果 (4V 电 压 供 应 时 ) 以 及 模 拟 的 性 能 如 图 3 所 示 四 倍 频 器 在 85 GHz 时 可 提 供 最 大 输 出 功 率 19.2dBm, 在 76 至 89GHz 频 率 范 围 内 可 提 供 超 过 18dBm 的 输 出 功 率 在 同 一 频 带, 四 倍 频 器 的 PAE 超 过 6%

功 率 放 大 器 :E-band 为 功 率 放 大 器 测 得 的 S 参 数 如 图 4 所 示 为 准 确 测 量 该 封 装 对 PA 的 影 响, 使 用 3D EM 模 拟 器 研 究 接 合 线 的 影 响, 然 后 将 它 们 整 合 到 Microwave Office 模 拟 然 后, 利 用 Analyst EM 分 析 软 件 对 全 芯 片 进 行 EXTRACT 操 作 结 果 ( 如 图 5 所 示 ) 与 测 量 数 据 进 行 比 较 但 是, 事 实 上, 在 晶 圆 本 身 发 现 了 偏 差, 工 艺 所 用 晶 圆 的 标 称 厚 度 为 50µm, 但 接 受 测 量 的 晶 圆 更 接 近 工 艺 适 用 范 围 的 边 缘, 这 是 造 成 性 能 变 化 的 主 要 因 素 图 4: 功 率 放 大 器 在 VDS = 4V 时 的 S 参 数 ( 测 量 值 ) 图 5: 利 用 Analyst EM 3D FEM 模 拟 ( 实 线 ) 和 测 得 数 据 ( 虚 线 ) 的 E-band 功 率 放 大 器 MMIC 此 外, 为 功 率 放 大 器 测 得 的 饱 和 输 出 功 率 和 PAE 按 照 VDS = 3 至 5V 的 频 率 函 数 在 图 6 绘 制 在 更 高 的 漏 极 电 位, 饱 和 输 出 功 率 达 到 24.2dBm (265mW), 在 71 至 86GHz 频 率 范 围 内 达 到 23dBm (0.2W) 对 于 4V 漏 极 电 位,PAE 在 71 至 86GHz 的 整 个 频 带 范 围 内 超 过 8% 图 6: 功 率 放 大 器 的 饱 和 输 出 功 率 (Psat)(VDS = 3 4 和 5V) 以 及 针 对 频 率 的 测 得 PAE (VDS = 4V), 仅 Psat 和 PAE (VDS = 4V) 的 测 得 数 据 ( 实 线 ) 和 模 拟 结 果 ( 虚 线 ) 结 论 上 文 已 展 示 E-BAND 应 用 的 二 倍 增 频 器 四 倍 频 器 以 及 功 率 放 大 器 的 电 路 设 计 二 倍 增 频 器 在 宽 带 条 件 下 测 得 的 输 出 功 率 超 过 15DBM, 四 倍 频 器 测 得 的 最 大 输 出 功 率 为 19.2DBM 功 率 放 大 器 测 得 的 最 大 输 出 功 率 为 24.2DBM (265MW), 在 ETSI E-BAND 规 格 的 整 个 15GHZ 带 宽 范 围 内, 输 出 功 率 超 过 23DBM (200MW) 它 能 在 ETSI E-BAND 范 围 内 实 现 超 过 8% 的 PAE 测 量 值

对 于 任 何 半 导 体 系 统, 这 是 符 合 ETSI E-BAND 规 格 频 率 范 围 为 71 至 86GHZ 的 功 率 放 大 器 能 够 实 现 的 最 高 饱 和 输 出 功 率 和 PAE 测 量 值 与 模 拟 结 果 之 间 显 示 出 良 好 的 一 致 性 在 单 个 功 能 强 大 的 工 具 套 装 中 整 合 准 确 的 电 路 建 模 和 一 体 化 设 计 流 程, 这 为 经 验 丰 富 世 界 一 流 的 设 计 团 队 提 供 了 确 保 一 次 性 成 功 的 平 台 该 设 计 代 表 了 行 业 技 术 的 巨 大 发 展, 有 望 以 E-BAND 系 统 的 单 芯 片 解 决 方 案 提 供 1W 的 功 率 附 录 : 额 外 的 讨 论 此 处 所 述 的 功 率 放 大 器 可 从 600µm 的 输 出 外 围 产 生 24.2dBm 的 峰 值 输 出 ( 对 应 440mW/mm 的 功 率 密 度 ) 对 于 640µm 输 出 外 围,0.1µm GaAs phemt 放 大 器 的 功 率 密 度 超 过 219mW/mm 对 于 小 型 100µm 输 出 外 围, 功 率 密 度 与 415mW/mm 相 当 这 意 味 着, 在 这 里 使 用 的 晶 体 管 组 合 不 会 产 生 较 大 的 功 率 损 耗 这 些 GaAs 功 率 密 度 少 于 更 为 昂 贵 的 碳 化 硅 (SiC) 工 艺 氮 化 镓 (GaN) 元 件 对 应 的 数 值 (1400 至 1667mW/ mm) 功 率 放 大 器 在 漏 极 偏 置 供 应 线 路 中 配 置 电 阻 器, 作 为 在 低 频 时 提 供 额 外 稳 定 性 裕 量 的 保 守 手 段 这 将 功 率 放 大 器 最 后 一 阶 的 漏 极 效 率 从 固 有 的 约 35% 降 低 至 约 27% 这 些 漏 极 供 应 线 路 电 阻 器 将 PAE 减 少 约 2 个 百 分 点 如 图 6 所 示, 在 饱 和 输 出 功 率 和 PAE 方 面, 功 率 放 大 器 的 模 拟 性 能 与 测 量 数 据 之 间 具 有 较 好 的 一 致 性 此 外, 根 据 图 2 和 图 3 显 示, 二 倍 增 频 器 和 四 倍 频 器 的 模 拟 性 能 与 测 量 数 据 之 间 也 具 有 较 好 的 一 致 性 考 虑 到 模 拟 使 用 的 模 型 是 以 同 时 适 用 于 宽 频 范 围 以 及 高 度 动 态 范 围 的 单 个 模 型 为 基 础 的, 它 不 仅 能 容 纳 高 度 线 性 表 现, 还 能 容 纳 高 度 非 线 性 表 现, 模 拟 与 测 量 数 据 之 间 的 一 致 性 就 更 为 突 出 了 特 别 地, 对 于 四 倍 频 器, 这 包 括 : 处 于 A 级 线 性 和 饱 和 模 式 的 K-band HEMT 以 低 漏 极 电 位 在 夹 止 附 近 操 作 的 K- 至 -Q 倍 频 HEMT 处 于 A 级 线 性 和 饱 和 模 式 的 Q-band HEMT 以 低 漏 极 电 位 在 夹 止 附 近 操 作 的 Q- 至 -E 倍 频 HEMT 处 于 A 级 线 性 和 饱 和 模 式 的 E-band HEMT 因 此, 四 倍 频 器 电 路 呈 现 的 这 种 一 致 性 不 仅 本 身 合 理, 而 且 非 常 有 利 [ 注 : 对 数 输 出 功 率 模 拟 的 细 微 差 别 会 导 致 采 用 线 性 度 量 的 PAE 的 巨 大 差 别, 二 倍 增 频 器 也 与 之 类 似 ]

图 7 显 示 功 率 放 大 器 在 E-band 和 W-band 电 路 测 得 的 输 出 功 率 以 及 比 较 数 据 ( 输 出 功 率 为 100mW (20dBm) 或 以 上 ) 图 7: 此 处 显 示 的 PA 的 输 出 功 率 ( 实 线 ) 与 已 发 布 数 据 的 对 比 蓝 线 和 圆 圈 是 GaAs phemt, 黑 色 三 角 是 变 质 HEMT (mhemt), 绿 色 菱 形 是 磷 化 铟 (InP), 红 线 和 方 形 是 GaN 此 处 显 示 的 功 率 放 大 器 具 有 3dB 功 率 带 宽, 测 量 设 置 限 制 为 18GHz (23%), 与 之 对 比 的 是,GaN 放 大 器 的 数 值 是 13GHz 测 得 的 输 出 功 率 也 与 其 他 半 导 体 系 统 顺 利 地 进 行 了 对 比 虽 然 功 率 带 宽 是 非 常 有 用 的 测 量 指 标, 但 它 无 法 显 示 产 生 相 关 RF 功 率 所 需 的 直 流 功 率 最 后, 图 8 对 所 报 告 的 匹 配 PAE 数 据 进 行 了 对 比 AWR 要 向 以 下 人 士 致 谢, 感 谢 他 们 对 本 应 用 注 释 作 出 的 贡 献 : 澳 洲 悉 尼 麦 考 瑞 大 学 CORE 教 授 Michael Heimlich 博 士 ; 共 同 撰 稿 人 : 来 自 麦 考 瑞 大 学 工 程 系 的 Anthony E. Parker 来 自 澳 洲 MA/COM Tech. Solutions 悉 尼 设 计 图 8: 此 处 显 示 的 PA 的 PAE( 实 线 ) 与 已 发 布 数 据 的 对 比 蓝 线 和 圆 圈 是 GaAs phemt, 黑 色 三 角 是 mhemt, 绿 色 菱 形 是 InP, 红 线 和 方 形 是 GaN 中 心 的 Melissa C. Rodriguez Jabra Tarazi Anna Dadello Emmanuelle R.O. Convert MacCrae G. McCulloch Simon J. Mahon Steve Hwang Rodney G. Mould Anthony P. Fattorini Alan C. Young 和 James T. Harvey, 以 及 来 自 台 湾 WIN Semiconductor 的 Wen-Kai Wang Michael Heimlich 博 士 mike@awrcorp.com Copyright 2013 AWR Corporation. All rights reserved. AWR, Microwave Office and AXIEM are registered trademarks and the AWR logo, EXTRACT and Analyst are trademarks of AWR Corporation. Other product and company names listed are trademarks or trade names of their respective companies. AN-ETSI-CN-2013.8.27 AWR Corporation www.awrcorp.com info@awrcorp.com +1 (310) 726-3000