毫米波功放进展与趋势

毫米波功率放大器芯片进展及趋势李军（电子科技大学航空航天学院201221250152）摘要毫米波功率放大器是卫星通信系统、多媒体无线系统、高速WLAN和高速无线个人区域网络(WPAN)中的重要器件。本文从GaAs、GaN、InP技术分别综述了近年来国内外对毫米波波段功率放大器芯片的研究情况,介绍了相关的现有产品,并展望了毫米波波段MMIC功放发展的趋势。关键字:GaAs、GaN、InP、MMIC、毫米波功率放大器AbstractMillimeter-wavepoweramplifierisanimportantdevicetosatellitecommunicationsystems,multimediawirelesssystems,high-speedWLANandhigh-speedwirelesspersonalareanetwork(WPAN).Inthispaper,notonlythematerialtechnologiesforMMICaresummarized,butalsoadetailedoverviewofrecentworldwideremarkableachievementsonmillimeter-waveMMICpoweramplifier,andintroducetherelevantexistingproductsandlookforwardtothemillimeter-wavebandMMICPAtrends.Keyword:GaAs、GaN、InP、MMIC、microwavepoweramplifier一、引言消费者对无线数据传输速度的需求看似是无止境的。这提高了点与点无线连接的工作频率也为毫米波放大器设计提供了更多的机会。载波频率与数据传输速率的关系如下图所示。随着工作频率的增长，可以使用的器件在减少，而器件和实验设备的成本却很高。对于毫米波放大器的最大应用是对于移动通信中的点与点连接。在6-40GHz范围的微波点与点连接已经是很成熟的技术。对于毫米波(30GHz)放大器，大约在38GHz的产品已经有很多了。在60GHz左右的波段很有意义。在美国这是最广泛且灵活的分配，在57GHz到64GHz频带内是可以不注册而使用的。对于60GHz波段通常使用在户外媒体点对点连接、高速WLAN和高速无线个人区域网络(WPAN)。60GHz频段最大的特点是由于氧气的吸收而有较大的大气衰减。这虽然减短了实际的传输距离，但这常常视作减少干扰和频谱在利用的好处。然而，对于高速WLAN/WPAN应用，60GHz的频段是很具吸引力的选择。在这种情况下，潜在产品量会很多，由于所需的性能(如：噪声系数、线性度、发射功率)低于点与点的连接且价格也会比较低。这些因素可以得出这样的结论：这种应用很有可能由高集成度的硅收发机所主导。对于输出低功率、小型化、低价格的MMIC放大器这会起到一定的作用。60GHz毫米波通信的研发工作正日益活跃起来。该技术面向PC、数字家电等应用，能够实现设备间数Gbps的超高速无线传输。在业内多家厂商的积极推动下，毫米波通信今后的应用将会不断扩展。英特尔公司首席工程师AlexanderMaltsev就表示：“几年后，毫米波通信无疑将会变得不可或缺。”这一技术目前面临的问题是元器件成本较高。毫米波通信现在主要用于实现家庭内的非压缩高清视频传输，如果其应用能扩展至手机及办公设备，那么，随着出货量的增加，其成本将能够大幅降低。PC、WLAN以及便携设备等行业的众多厂商都对毫米波通信寄予厚望的最大原因是该技术能够提供较宽的带宽。在60GHz频段内，全球无需许可即可免费使用的带宽可达7GHz~9GHz。在71GHz到76GHz和81GHz到86GHz的E波段也同样得到了很大的关注。爱立信2010年2月在巴塞罗那的MobileWorldCongress上，全球第一套容量达到2.5GBPS的E波段（70GHz/80GHz）微波系统得到了完美演示。其特性为：系统容量：用单一的无线单元传输全双工的以太业务容量：1-2.5GBPS。系统频率：具有宽信道带宽的全新频段E频段（70GHz/80GHz）。传输站距：短于3公里的传输技术（对降雨敏感）。系统应用：大容量城区内短距离传输。尽管E波段有很大的吸引力，但是只有当仪器设备的价格下降到可以接受的范围才会大范围的应用。W波段功率放大器是超宽带无线通信、汽车雷达和电子战系统中的核心部件。国外研究机构已经有大量基于GaAs和InP材料HEMT、HBT器件的W波段功率放大器MMIC的报道。国内的相关研究和应用则处于初级阶段。二、基于GaAs技术的功率放大器2.1、GaAs材料和器件发展现状目前，以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体高频器件及电路技术已经进入了成熟期，已被大量应用于高频通信领域，尤其是移动通信和光纤通信领域，到2009年其市场规模已经达到了45亿美元。随着GaAsIC制造成本的大幅度下降，它们在功率放大器、低噪声放大器和射频开关电路在移动通信RF前端占据了主要地位，手机与移动基站的芯片是GaAsIC最大的市场，约占其市场份额的45%左右；随着DWDM驱动光纤通信容量的增加，GaAsIC在SONET芯片方面的需求大幅度增加，其市场份额大约为22%。国际上生产民用GaAs器件及电路的代表性企业有美国的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德国的西门子；台湾的稳懋、宏捷、全球联合通讯以及尚达等。他们生产的主要产品是移动通信射频电路（如GaAs手机功率放大器和低噪声放大器电路等）以及光纤通信发射和接收电路（如GaAs激光驱动器、接收器、复用器及解复用器、时钟恢复电路等）、微波功率晶体管及功率放大器等各种系列的产品。我国2004年后，GaAs材料和器件进入高速发展期，国内成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司为代表多家GaAs单晶和外延材料公司，开始小批量材料供应，并取得一定的市场份额。中科院微电子所通过自主创新率先在国内建立了4英寸GaAs工艺线，并成功地研制出10Gb/s激光调制器芯片等系列电路。传统的器件研制单位中电集团13所和55所通过技术引进完成2英寸到4英寸工艺突破，初步解决Ku波段以下的器件和电路的国产化问题，其中8-12GHzT/R组件套片已成功地应用大型系统中，但在成品率、一致性、性价比等方面尚存在一定的差距，在民品市场中尚缺乏竞争力。Ka波段以上的GaAs器件和电路尚没有产品推出，严重地制约了我国信息化建设。2.2、基于GaAs技术毫米波波段MMIC功率放大器芯片发展及现状2.2.1、MMIC功率放大器芯片发展1976年,由Pengelly和TUrner利用GaAs衬底的半绝缘性质,成功研制了X波段的GaAsMESFET单片低噪声放大器,标志了MMIC的实现。从GaAsMESFET放大器的出现开始,毫米波三极管放大器以及放大器单片集成电路得到了迅速发展,相应的新材料、新工艺、新器件和新的设计技术层出不穷,并仍在不断取得进展,为集成化的毫米波收发前端和各功能组件的研制和批量生产奠定了坚实的基础,极大地推动了毫米波系统的研究和应用。由于最早诞生的微波三端功率器件是GaAs,所以早期的MMIC功率放大器电路研究都是采用这种有源器件。但是随着器件工艺的不断发展,pHEMT等HFET(异质结结构场效应管)器件在效率和增益等性能方面超越了MESFET器件。近年来,有不少关于两类器件性能对比的研究报道,例如在1996年,TI公司的RonYarough等人[1]就对采用这两种工艺设计的功率放大器进行了研究。他们先是采用0.25umAlGaAs/InGaAspHEMT工艺,设计了一个三级功放电路。在26.5-28GHz频段上,经测试至少有1W的连续波输出功率,20dB的增益,平均PAE(功率附加效益)是35%,最高PAE值是37%。然后再将此用pHEMT技术设计的电路,不修改电路结构,直接用0.2um离子植入式(ion-implanted)MESFET工艺流程制造出来,在同样的频段上测得的连续波输出功率至少为1W,18dB的增益,平均PAE值是24%,最高PAE值是27%。对比两种电路芯片的测试结果,可以发现这两种放大器在26.5-28GHz频段都可以得到至少lW的输出功率,虽然考虑到商业应用时,0.2um离子植入式MESFET工艺较0.25umpHEMT的成本要小,但前者会损失2dB的增益值和9-13%的PAE值。在获得相同的输出功率的情况下,MESFET工艺在效率和增益上都略逊于pHEMT。2.2.2、MMIC功率放大器芯片国外进展及现状微波功率器件要求有尽可能大的输出功率,而随着工艺的发展与电路设计技术的提高,在毫米波波段内输出功率能达到lW以上的报道也不断出现。在1997年,TRW公司的D.L.Ingeam等人[2]介绍了一个用于收发机中的输出功率达到6W的功放模块。它采用0.25umAlGaAs/InGaAsHEMT工艺进行加工。电路分为两个部分:前级驱动模块和后级输出模块。前者采用两级电路结构,在34.5GHz取得ldB压缩点输出功率为27dBm,PAE值为27%,增益为10.7dB,电路的尺寸为4.0xl.5mm2;后者是由两个功率放大器单元电路并联构成的,单个功率放大器单元电路在在34.5GHz取得ldB压缩点输出功率为35.4dBm,PAE值为28%,增益为11.5dB,电路的尺寸是4.8x3.1mm2。后级输出模块在输人端采用插人损耗为0.4dB四路功率分配器,输出端则采用了插入损耗为0.6dB的八路Wilkinson功率合成器。经测试,整个电路模块在35.4GHz取得的ldB压缩点输出功率为37.8dBm,PAE为24%,增益为21.5dB。但是需要指出的是,虽然输出功率达到6W,可是由于电路分成了两个独立的模块,在将电路商业化应用时,从减小电路模块的尺寸和降低芯片成本方面考虑,电路仍需要改进。GaAsMHEMT是在沟道层与GaAs衬底之间生长一个相对较厚的InAlAs层,其In的组分从某个值x渐变至0,从而使晶格的失配得以缓解。使用渐变组分缓冲层后,沟道层中In的组分x在30%～60%内几乎可以任意选择,以极大的自由度使器件性能优化MHEMT可认为是GaAs衬底上的InPHEMT技术,其在低噪声方面表现出与InPHEMT相近的性能,是以GaAs相对低成本获得InP的绝对高性能,从而可使GaAs站稳毫米波的低端,进而形成抢占毫米波高端领地的竞争态势。2003年美国Raytheon公司采用GaAsMHEMT工艺研制成功95GHz功率放大器[3],2005年W波段MHEMT功率放大器的输出功率达到267mW[4]。在70～110GHz中,大尺寸GaAsHEMT放大器的最高输出功率是200～400mW[5]。当前，NorthropGrumman公司在E波段和W波段功率放大器芯片产品如下所示[8]：2.2.3、MMIC功率放大器芯片国内进展及现状国内虽然在pHEMTMMIC方面起步较晚,但是近年来,一些从事毫米波电路与系统的高校和研究所在毫米波波段GaAspHEMT的研究取得了一定的进展。2001年,南京电子器件研究所的陈新宇等人.采用自行研发的0.2umGaAspHEMT器件工艺,制作了单级的功率放大器[6]。电路在34GHz处可以取得100mW的输出功率,功率增益为14dB。2006年,中科院上海微系统与信息技术研究所的顾建忠等人[7]报道了一个采用0.25umGaAspHEMT工艺设计的放大器芯片[8]。电路采用一路功放驱动两路功放,两路功放再驱动四路功放的三级结构。芯片的面积为2.6x3mm2,在31.5-32.5GHz频段内,小信号增益为17.4dB,饱和输出功率为0.5W。石家庄十三所实现了分别实现了频段为26-31GHz，输出功率为36dBm，增益为16dB,PAE为22%，以及频段为34-36GHz