CC BY
23
УДК 621.3.049.77
DOI: 10.53815/20726759_2021_13_4_6
М.А. Дунаева, Д. А. Дёмин, А. Г. Чернокалов, И. В. Филатов
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Усилитель мощности и малошумящий усилитель Ка-диапазона для приёмопередающего модуля
Представлены малошумящий усилитель и усилитель мощности Ка-диапазона. Усилители разработаны на основе технологии GaAs рНЕМТ с длиной затвора 0,15 мкм. Площадь усилителя мощности составила 6 мм2, а периметр 10 мм. Максимальный измеренный коэффициент усиления в диапазоне от 28 до 38 ГГц составил 15 дБ. Площадь
2
ления малошумящего усилителя 17 дБ, по результатам моделирования коэффициент шума в полосе от 30 до 38 ГГц составил не более 2.4 дБ.
Ключевые слова: малошумящий усилитель, усилитель мощности, МШУ.
М.А. Dunaeva, D.A. Demin, A. G. Chernokalov, I. V. Filatov Moscow Institute of Physics and Technology
Ka band power amplifier and a low noise amplifier for a
transmitter
A Ka band MMIC power amplifier and low noise amplifier using 0.15 um gate GaAs
HEMT technology are presented. The peak gain of the power amplifier is measured across
2
perimeter.The gain of the low noise amplifier is 17 dB in the band from 30 to 38 GHz,
according to the simulation of the noise figure in the band is no more than 2.4 dB. The area
2
Key words: low noise amplifier, power amplifier, LNA, MMIC.
1. Введение
Ка-диапазон используется во многих приложениях, включая связь точка-точка, терминалы спутниковой связи, РЛС. Из-за характера этого диапазона, такого как высокое атмосферное поглощение и короткая длина волны, радары Ка-диапазона могут работать на небольших расстояниях и производить измерения сверхвысокого разрешения. Типичное применение этих радаров - управление воздушным движением. Последовательности волн в несколько наносекунд используются для определения расстояния до самолета. Более короткая длина волны и более высокий энергетический потенциал позволяют устройствам, работающим в Ка-диапазоне, иметь небольшой размер и дальность обнаружения до полутора километров. Самые высокие требования с точки зрения производительности и стоимости этих платформ предъявляются к усилителям. Хорошая эффективность добавленной мощности (РАЕ), выходная мощность (Pout) и размер усилителя мощности, небольшой коэффициент шума малошумящего усилителя, а также надежность этих микросхем напрямую влияют на эти требования. Приведенные недавние опубликованные результаты свидетельствуют об устойчивом прогрессе этих параметров в Ка-диапазоне [1-7]. В них
© Дунаева М. А., Дёмин Д. А.,Чернокалов А. Г., Филатов И. В., 2021
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2021
используется GaN, а также GaAs. В этой статье описываются конструкция и результаты измерений 3-каскадного усилителя мощности и 2-каскадного малошумящего усилителя с использованием технологии GaAs II KMT 0,15 мкм компании Win Semiconductors.
2. Обзор техпроцесса PL15-12
Перед разработчиками была поставлена задача отработать возможность расположения приемного и передающего канала на одном кристалле, при этом аддитивный коэффициент шума приемного канала должен был быть не более 5 дБ. Для реализации был выбран техпроцесс PL15-12 фирмы Win Semiconductors. PL15-12 - pi I КМ Г процесс с одиночной канавкой и длиной затвора 0,15 мкм разработан для высокочастотных малошумящих усилителей и усилителей средней мощности, работающих при напряжении до 4 В. Технология демонстрирует верхнюю граничную частоту 100 ГГц, удельную мощность 580 мВт/мм на частоте 29 ГГц, с усилением более 11,5 дБ и КПД добавленной мощности 45%. Процесс разработан с максимальным номиналом смещения стока 4 В и демонстрирует типичное напряжение пробоя 9 В с минимумом 8 В при мониторинге процесса управления. Между тем минимальный коэффициент шума может достигать 1,1 дБ на частоте 40 ГГц с соответствующим усилением 8 дБ.
3. Схемотехника и результаты моделирования
Малошумящий усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель, вход и выход усилителя развязаны по постоянному току. Кроме того, выходной разделительный конденсатор, а также конденсатор между затвором и цепью стока служат для согласования выходного импеданса на 50 Ом. Резистор в цепи истока транзистора первого каскада обеспечивает отрицательную последовательную обратную связь по току и служит для снижения коэффициента шума, а также для согласования входа на 50-омную нагрузку. Штатное питание малошумящего усилителя составляет 1,2 В, смещение, подаваемое на затвор, -0,1 В. Моделирование усилителя с учетом межсоединений показало, что коэффициент усиления в полосе 30-38 ГГц составляет 14-20 дБ (рис. 1). Коэффициент шума усилителя 2,2-2,4 дБ (рис. 2). Ток потребления микросхемы 42 мА.
Рис. 1. Результаты моделирования малошумягце- Рис. 2. Результаты моделирования малошумящего усилителя, зависимость ¿'-параметров от ча- го усилителя, зависимость коэффициента шума стоты от частоты
Усилитель мощности - трехкаскадный усилитель, деление мощности после каждого каскада и сложение результирующей мощности на выходе производятся с помощью делителей Вилкинсона. Вход и выход усилителя согласованы на 50-омную нагрузку, развязаны по постоянному току. Также выходной разделительный конденсатор и отрезок микрополосковой линии служат для согласования выхода с 50-омной нагрузкой. Штатное питание усилителя мощности составляет 4 В, смещение, подаваемое на затвор, может варьироваться с -0,6 В
до 0 В. Моделирование с учетом межсоединений показало, что коэффициент усиления в полосе 30-38 ГГц составляет 17-25 дБ (рис. 3), коэффициент шума усилителя составил 3-4,5 дБ при смещении на затворах -0,6 В, и 4-5,5 дБ при нулевом смещении на затворах (рис. 4). Максимальная эффективность достигается при входной мощности 5 дБм и составляет 17% на частоте 34 ГГц (рис. 5). Ток потребления микросхемы 74 мА.
Рис. 3. Результаты моделирования усилителя мощности при напряжениях на затворе О В и -0,6 В, зависимость ^-параметров от частоты
Рис. 4. Результаты моделирования усилителя мощности при напряжениях на затворе 0 В и -0,6 В, зависимость коэффициента шума от частоты
Рис. 5. Зависимость РАЕ от напряжения питания, мощности входного сигнала; зависимость выходной мощности от мощности входного сигнала; моделирование проводилось на частоте 34 ГГц при смещении на затворе 0 В
4. Результаты измерений
Кристалл, содержащий малошумящий усилитель и усилитель мощности, разварен на плату поверхностным монтажом. Используя анализатор цепей, было измерено максималь-
ное усиление сигнала МШУ, на нижней границе полосы 30-38 ГГц оно было равным 13,7 дБ (рис. 8), входные возвратные потери >10 дБ и возвратные потери на выходе >9 дБ (табл. 1). Максимальное измеренное усиление малошумягцего усилителя составило 17 дБ на частоте 28 ГГц. Оптимальное напряжение питания МШУ составило 0,7 В, потребляемый ток 50 мА.
Рис. 6. Микросхема малошумящего усилителя Рис. 7. Микросхема усилителя мощности
| Tri S11 Refl LoqM RefLvl: -20 dB Res: 5 dB/Div Tr2 S1 г Trans LoqM RefLvl:-30 dB Res: 10 dB/Div
3 0 -5 -10 -15 >M1 : 34 02 G Hz -1 0.73Ё 1 dB ¿.u 10 0 -10 -20 >M1 : 34 02 G Hz -2 5.88; 2 dB
_JL_ L J
V1 1
—
-20 ► -25 -30 -35 Tr3 S21 50 40 30 20 10 -30 ► -50 -60 -70 -80 згг 20 10 0 -10 -20
Trans LoqM RefLvl: 0 dE ¡Res: 10 dB/Div Refl LoqM RefLvl: -30 dE ¡Res: 10 dB/Div
Chi " M2 >3 S ■ M 21 GHz 13 : Q 42f 30 Gl '2 dE fz 13. 7471 dB >M2 : 34 ■ ТП 02 G QHz Hz -9 -11.7 003E 747 < dB IB
>M3 : 30 GHz 13.7: ¡11 d В n п
3 / L J
tz
—^Vw iWvW
0 ► -10 -20 -30 -50 i -30 ► -50 -60 -70 -80 j
Chi TR Start 30 GHz Нор 38 СНг IFB W 1 \-i Hz Avg Measuring State CORR
Рис. 8. Измеренные ^-параметры малошумящего усилителя, частотный диапазон 30-38 ГГц
В первом цикле испытаний максимальный коэффициент усиления усилителя мощности составил около 14 дБ на частоте 29,5 ГГц, с входными возвратными потерями >7 дБ и возвратными потерями на выходе >10 дБ (табл. 2). При попытках выставить оптимальный ток потребления было замечено, что зависимость тока потребления от напряжения на затворах обладает неким гистерезисом, 521 было зафиксировано при токе 60 мА, значения ^-параметров при 74 мА снять не удалось. Во втором цикле испытаний была снята зависимость тока потребления усилителя мощности от напряжения на затворах (рис. 9). Как видно из вольт-амперной характеристики, в данном случае тоже наблюдался гистерезис, токи от 40 мА до 100 мА при напряжении на затворе около -1 В оказались недостижимы.
Рис. 9. Зависимость тока сток-исток от напряжения смещения на затворах рНЕМТ транзисторов усилителя мощности
| Tri Sil Refl LoqM RetLvl:-20 dB Res: 5 dB/Div Tr2 SI 1 Trans LoqM RefLvl:-30 dB Res: ID dB/Div
и 0 -5 -10 -15 >M1 : 34 02 G -Iz -8 .1344 dB ¿u 10 0 -10 -20 >M1 : 34 02 Q -lz -4 7.05E 6 dB
г 1
-_ _ _
-20 ► -25 -30 -35 ►ПИ S21 50 40 30 20 10 ^ -30 ► -40 -50 -60 -70 Г M
L _l
"V-v pr
— i Trans LoqM RefLvl: 0 dE 1 Res: 10 dB/Diu -DU - J Tr4 S22 Refl LoqM RefLvl:-30 dE I Res: 10 dB/Div
Ch1 " "■M"1 "r3 S ■ 21 fv Q| |- 13 : 1 Q 2 ¡0.5 ( 546 iHz 5 1С 8234 dB 10 0 -10 -20 >M2 : 34 ■ -iQ 02 (3 Q| |- Hz -4 1 0 n 0ЭЭЕ 1 dB in
M3 : 30 5 QH 6.0 >71 t В 0
3 / ._—-
3 "V, /
I- -1
0 ► -10 -20 -30 -50 L J ^ -30 ► -40 -50 -60 -70
A - j L "ou J k. -
Chi TR Start 30 GHz stop 38 GHz IFBW 1 kHz АУО сет Measuring State соя
Рис. 10. Измеренные ¿'-параметры усилителя мощности, частотный диапазон 30-38 ГГц
Т а б л и ц а 1
Измеренные параметры МШУ
Наименование параметра Ед. изм. Измеренное значение
Ток, потребляемый МШУ мА 50
511 дБ 10
522 дБ 9
521 дБ 13,7
Таблица2
Измеренные параметры усилителя мощности
Наименование параметра Ед. изм. Измеренное значение
Ток, потребляемый усилителем мощности мА 60
511 дБ -7
S22 дБ -10
S21 дБ 14
Подобный гистерезис наблюдался у ряда разработчиков усилителей мощности, например у [8]. Наличие подобного поведения зависимости тока потребления от напряжения на затворах может указывать на ударную ионизацию или наличие горячих электронов в канале устройства, когда устройство включено. Это определяет напряжение пробоя устройства в открытом состоянии, что является общепринятым ограничением для работы устройства. Сообщалось о выгорании устройств при нарушении ограничения напряжения пробоя, сопровождаемом чрезмерным током затвора, что указывает на деструктивное умножение тока в канале [9], [10]. Кроме того, напряжение горячих электронов может временно или постоянно снижать пороговое напряжение устройства [11], [12], а также объясняет безвозвратное увеличение напряжения пробоя (выход из строя), за которым следует увеличение напряжения пробоя, сопротивления стока и емкости затвор-сток [13]. Модификация компоновки устройства за счет увеличения расстояния между затвором и стоком может уменьшить ударную ионизацию, и это способно уменьшить ток затвора и увеличить напряжение пробоя [14]. С другой стороны, когда на устройство подается ВЧ-мощность, наблюдается соответствующее увеличение тока затвора, и, таким образом, ограничение тока затвора будет ограничивать максимальную выходную мощность одновременно [1517]. Ударная ионизация, определяемая напряженностью электрического поля сток-затвор, также зависит от выходных сопротивлений устройства в ВЧ-режиме. Что касается долгосрочной надежности, сообщалось, что у усилителей мощности на псевдоморфных НЕМТ (рНЕМТ) снижаются максимальный ток и выходная мощность, причем уровень ухудшения сильно коррелирует с током затвора устройства, связанным с захватом электронов в пассивирующем слое нитрида [18]. Наилучшие условия для усиления достигались при прямом прохождении на напряжении Vgg около -1 В. Удалось зафиксировать результаты измерения при токе потребления чуть более 40 мА: максимальный коэффициент усиления усилителя мощности составил около 6 дБ на частоте 30,5 ГГц, с входными возвратными потерями >8 дБ и возвратными потерями на выходе >4 дБ (рис. 10).
Статья подготовлена в рамках соглашения АО «Российские космические системы» с Минобрнауки России от 31.05.2018 №074-11-2018-014. Соглашение заключено на основании Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных учреждений и организаций» для реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства в рамках подпрограммы «Институциональное развитие научно-исследовательского сектора» государственной программы Российской Федерации «Развитие науки и технологий на 2013-2020 годы».
Литература
1. Colomb F. [et al.}. 2 and 4 watt Ka-Band GaAs PHEMT power amplifier MMICs // IEEE Int. Microwave Symp. Dig. 2003. P. 843-846.
2. Campbell С. [et al.}. Design and Performance of a High Efficiency Ka Band Power Amplifier MMIC // Compound Semiconductor Integrated Circuits Symp., CSICS. IEEE. 2010. P. 1-4.
3. Campbell C. [et al.}. High Efficiency Ka-band Power Amplifier MMICs Fabricated with a 0.15um GaN on SiC 11 KMT process 11 IEEE Int. Microwave Symp. Dig. 2012.
4. Boutros K.S. [et al.}. 5W GaN MMIC for Millimeter-Wave Applications // Compound Semiconductor IC Symp. Dig. 2006. P. 93-95.
5. Micovic M. [et al.}. GaN MMIC Technology for Microwave and Millimeter-wave Applications // Compound Semiconductor IC Symp. Dig. 2005. P. 173-176.
6. Campbell C. [et al.}. High Efficiency Ka-Band Gallium Nitride Power Amplifier MMICs // IEEE International Coriference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems. 2013.
7. Salah D. [et al.}. I High Power and High Efficiency Ka Band Power Amplifier // IEEE MTT-S International Microwave Symposium. 2015.
8. Nai-Chung Kuo [et al.}. DC/RF Hysteresis in Microwave pHEMT Amplifier Induced by Gate Current^Diagnosis and Elimination // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011. P. 2919-2930.
9. Somerville M.H. [et al.}. A new gate current extraction technique for measurement of on-state breakdown voltage in HEMT's // IEEE Electron Device Lett. 1998. V. 19, N 1. P. 405-407.
10. Somerville M.H. [et al.}. On-state breakdown in power HEMT's: Measurements and modeling // IEEE Trans. Electron Devices. 1999. V. 46, N 6. P. 1087-1093.
11. Meneghesso G. [et al.}. Trapped charge modulation: A new cause of instability in AlGaAs/In-GaAs pseudomorphic HEMT's 11 IEEE Electron Device Lett. 1996. V. 17, N 7. P. 232-234.
12. Borgarino M. [et al.}. Hot electron degradation of the DC and RF characteristic of AlGaAs/In-GaAs / GaAs PHEMT's 11 IEEE Trans. Electron Devices. 1998. V. 45, N 2. P. 366-372.
13. Menozzi R. [et al.}. Breakdown walkout in psedomorphic HEMT's // IEEE Trans. Electron Devices. 1996. V. 43, N 4. P. 543-546.
14. Chiu H.-C. [et al.}. On-state and off-state breakdown voltages in GaAs PHEMTs with various field-plate and gate-recess extension structures // IEEE Electron Device Lett. 2010. V. 31, N 3. P. 186-188.
15. Gaquiere C. [et al.}. Correlation between gate current and RF power performances of millimeter HEMT's. 11 Proc. Eur. Microw. Integr. Circuit Conf. 1996. P. 33-36.
16. Constantin N. [et al.}. Comprehensive experimental investigation of gate current limitation effects on powsr GaAs FETs RF performances // IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig. 1995. P. 717-720.
17. Constantin N. [et al.}. GaAs FET's gate current behavior and its effects on RF performance and realiabilitv in SSPA's // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1999. V. 42 P. 2918-2925.
18. Chou Y.-C. [et al.}. The effect of RF-driven gate current on DC/RF performance in GaAs pHEMT MMIC power amplifiers 11 IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2005. V. 53. P. 33983405.
References
1. Colomb F., et al, 2 and 4 watt Ka-Band GaAs PHEMT power amplifier MMICs. IEEE Int. Microwave Svmp. Dig. 2003. P. 843-846.
2. Campbell C., et al., Design and Performance of a High Efficiency Ka Band Power Amplifier MMIC. Compound Semiconductor Integrated Circuits Svmp., CSICS. IEEE. 2010. P. 1-4.
3. Campbell C., et al, High Efficiency Ka-band Power Amplifier MMICs Fabricated with a 0.15um GaN on SiC HEMT process. IEEE Int. Microwave Svmp. Dig. 2012.
4. Boutros K.S., et al., 5W GaN MMIC for Millimeter-Wave Applications. Compound Semiconductor IC Svmp. Dig. 2006. P. 93-95.
5. Micovic M., et al., GaN MMIC Technology for Microwave and Millimeter-wave Applications. Compound Semiconductor IC Svmp. Dig. 2005. P. 173-176.
6. Campbell C., et al., High Efficiency Ka-Band Gallium Nitride Power Amplifier MMICs. IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems. 2013.
7. Salah D., et al, I High Power and High Efficiency Ka Band Power Amplifier. IEEE MTT-S International Microwave Symposium. 2015.
8. Nai-Chung Kuo, et al., DC/RF Hysteresis in Microwave pHEMT Amplifier Induced by Gate Current^Diagnosis and Elimination. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011. P. 2919-2930.
9. Somerville M.H., et al., A new gate current extraction technique for measurement of on-state breakdown voltage in HEMT's. IEEE Electron Device Lett. 1998. V. 19, N 1. P. 405-407.
10. Somerville M.H., et al, On-state breakdown in power HEMT's: Measurements and modeling. IEEE Trans. Electron Devices. 1999. V. 46, N 6. P. 1087-1093.
11. Meneghesso G., et al, Trapped charge modulation: A new cause of instability in AlGaAs/In-GaAs pseudomorphic HEMT's. IEEE Electron Device Lett. 1996. V. 17, N 7. P. 232-234.
12. Borgarino M., et al, Hot electron degradation of the DC and RF characteristic of AlGaAs/In-GaAs/GaAs PHEMT's. IEEE Trans. Electron Devices. 1998. V. 45, N 2. P. 366372.
13. Menozzi R., et al, Breakdown walkout in psedomorphic HEMT's. IEEE Trans. Electron Devices. 1996. V. 43, N 4. P. 543-546.
14. Chiu H.-C., et al, On-state and off-state breakdown voltages in GaAs PHEMTs with various field-plate and gate-recess extension structures. IEEE Electron Device Lett. 2010. V. 31, N 3. P. 186-188.
15. Gaquiere C., et al, Correlation between gate current and RF power performances of millimeter HEMT's. Proc. Eur. Microw. Integr. Circuit Conf. 1996. P. 33-36.
16. Constantin N., et al, Comprehensive experimental investigation of gate current limitation effects on power GaAs FETs RF performances. IEEE MTT-S Int. Microw. Svmp. Dig. 1995. P. 717-720.
17. Constantin N., et al, GaAs FET's gate current behavior and its effects on RF performance and realiabilitv in SSPA's. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1999. V. 42 P. 2918-2925.
18. Chou Y.-C., et al, The effect of RF-driven gate current on DC/RF performance in GctÂs pHEMT MMIC power amplifiers. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2005. V. 53. P. 33983405.
Поступим в редакцию 04-11.2021
