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毫米波单片集成功率放大电路设计

作　者: 韩江安
导　师: 徐军
学　校: 电子科技大学
专　业: 无线电物理
关键词: MMIC 功放单片 pHEMT
分类号: TN721
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

毫米波功率放大器是军用射频电子系统的关键部件。本课题致力于此种功放单片的研究和设计,开发高功率输出的宽带集成放大电路。芯片上的有源器件选择GaAs pHEMT工艺,对应的器件仿真模型由芯片加工厂提供,设计环节包括：确定电路基本形式、pHEMT管芯的散热效果评估、电路原理图设计优化、版图电磁场仿真和版图布局等环节。论文首先对现有的MMIC技术特点、发展状况、工艺特点、设计方法等进行了深入的研究,比较了目前各种MMIC工艺的优缺点,根据设计指标选定了特征栅长为0.25μm的GaAs pHEMT耗尽型功率管作为芯片上的有源器件。然后对设计方案进行了前期验证工作以确保其可靠性,并运用有限元法估算了工作状态下,末级和驱动级的pHEMT功率管的栅极下沟道温度分布情况。芯片内部的电路拓扑采用四级放大,末级八路功率合成的形式,设计过程参考微波电路设计思想,设置每个pHEMT管工作于A类放大状态,先分别设计了馈电电路、单级匹配电路、功率分配器和功率合成器的电路原理图,然后将各部分级联优化,并进行了电路版图的电磁场仿真调整,最后依据电磁仿真调整后的电路尺寸布局了芯片加工版图,芯片面积为3.2mm×3.5mm。仿真结果显示,当输入信号功率为17dBm时,在30GHz-40GHz的频带范围内放大器的功率增益大于14.5dB,在30GHz-39 GHz的频带范围输出功率大于32.5dBm,功率附加效率约为10%。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-16
  1.1 微波毫米波单片集成电路特点  8-10
  1.2 世界MMIC发展动态  10-13
  1.3 国内MMIC发展情况  13
  1.4 课题的内容和目标  13-16
第二章芯片工艺和器件模型  16-30
  2.1 微波晶体管和场效应管  16
  2.2 芯片工艺类型和器件模型  16-24
    2.2.1 双极型晶体管  16-19
    2.2.2 场效应管  19-24
  2.3 无源器件集成  24-28
    2.3.1 电感集成  24-25
    2.3.2 电容集成  25-26
    2.3.3 电阻集成  26-27
    2.3.4 微带线  27
    2.3.5 通孔  27-28
  2.4 芯片工艺介绍  28-30
第三章 MMIC功放的设计原理  30-38
  3.1 线性和非线性放大器  30-32
  3.2 功率放大器的主要参数和指标  32-35
    3.2.1 效率  32-33
    3.2.2 增益  33-34
    3.2.3 放大器稳定性  34
    3.2.4 输入输出电压驻波系数  34
    3.2.5 1dB功率压缩点  34-35
    3.2.6 饱和输出功率  35
  3.3 微波放大器的类型  35-37
  3.4 无源匹配元件  37-38
第四章放大器方案前期验证  38-51
  4.1 放大器总体设计流程和方案  38-41
  4.2 直流工作点选择  41-44
  4.3 场效应管热效应分析  44-51
第五章放大器电路和版图设计  51-63
  5.1 电路拓扑设计  51-59
  5.2 电磁仿真和版图验证  59-63
第六章总结  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
攻硕期间取得的研究成果  68

毫米波单片集成功率放大电路设计

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