微波半导体功率器件及其应用

摘要： 本文介绍了微波半导体技术主要特点、功率器件和单片集成电路的特性及其应用。 关键词：微波；高电子迁移率晶体管(HEMT)；异质结双极晶体管(HBT)；单片集成电路 中图分类号：NT385 文献标识码：A 3．3微波单片集成电路(MMIC) 微电子在提高集成度的同时，继续提高工作频率和功率，向微波、毫米波进军，出现微波、毫米波单片集成电路(MIMIC)，从而推动了在传统无线电高频领域工作的通信、雷达、导航、测控等的全部微电子化，表示通信技术进步与微电子的发展。 近年来，在微波、毫米波单片集成电路领域内，最引人注目的是美国国防部发展军事微电子电路总计划之一的MIMIC计划，此计划总的目标是开发1-100GHz频率范围内的各种单片电路，且要求其成本低、性能好、体积小、可靠性高，能批量生产。 3．3．1 功率MMIC 随着卫星通信、相控阵雷达和电子战系统的发展，对功率MMIC放大器的需求日益增长，使其已成为研究的重要领域。在18GHz以下主要是GaAsMESFET和HBT器件功率MMIC放大器。在18GHz以上，则是PM-HEMT的功率MMIC放大器。NECCorp研制成全增强型VQ为+0．25VHJFET，PAE在31．5dBm输出功率下为79．6％，输出增益G，在836MHz为11．5dB，采用E-HJFET研制成二级功率放大器，在3．5V单一电源下工作，MMIC的PAE为71．9％，输出功率为31．5dBm，在836MHz下，功率增益为24．5dB，在零偏置电压下，MMIC总的漏电流为5μA。Mitsubishi ElectronicCorp研制成用于Ka波段通信系统的MMIC--级功率放大器，在30GHz下，输出功率为1．44W，芯片尺寸为 1．94mm×2．0mm。TRW公司采用0．0508mm厚PHEMTMMIC和氧化铝微带组合器研制成3WQ波段PHEMTMMIC功率放大器模块，在45GHz下，峰值效率为25％。ITr8404FN／FP是GaAsTEK公司推出的单片微波集成电路功率放大器，在5．5-7GHz范围内，其饱和状态下的额定输出功率为6W，且具有高达16dB的线性增益，在IdB压缩点上的输出功率为4W，IP3为43dBm。在6．25GHz时的谐振响应为-35dBc，输入功率为21dBm。寄生响应小于-45 dBc。该放大器的输入输出阻抗均为50n，避免了对匹配器件的需求，并可节省电路板的尺寸，其存贮温度为-40t～+100℃。非常适合于大功率应用的场合。法国AlcatelSpacelndustries采用PHEMT的线性和非线性模型制作的二级MMIC放大器，在2dB增益压缩下输出功率为39dBm，在3．5-4．5GHz下，线性增益为27dB，PAE为42％，图4示出8WMMIC的照片。MartinCom研制成高放倍频PHEMT功率放大器，在3-6GHz下，平均功率11W，功率增益17dB，PAE为42％，峰值性能在PAE为54．5％下，达到17W。图5示出了高效MMIC功放的照片。DefenceResearchAgency研制成三级6-18GHz双沟道MMIC功率放大器，可应用于电子战。该放大器采用0．25 μmT栅，MBE生产GaAs-InGaAs-A1GaAs，n功率PHEMT工艺制作，沟道小信号增益在6-18GHz，输入失配损失>12dB，为24．1土3．4dB。在2dB增益压缩时单沟道输出功率在6-18GHz下为3．4土1．1W(脉冲)和2．4土1．1W(连续)，采用非芯片健合器，双沟道放大器输出5．1土1．3W(脉冲)，4．3±1．3W(连续)，小信号增益为24dB土3．5dB，6-18GHz。MMIC采用GaAsPHEMTFoundry工艺制作。Sanders公司研制成型号为SGPA-07006-CC~级单片微波集成电路功率放大器，频率为37-40GHz，工艺采用本公司的0．151AmGaAsPHEMT工艺。TriquintSemiconductor公司采用0．25pmPHEMT技术研制成3．48mm2，0．5W，40GHz功率放大器MMIC在6V漏偏置条件下，二级功率放大器获得小信号增益15．6dB，在ldB增益压缩下，输出功率为26．5dBm，饱和输出功率为27．9dBm，功率附加效率为26．6％。图6示出功放照片。TRW公司采用0．11xm AlGaAs／InGaAs／GaAsT栅功率PHEMT研制成二级单片W波段功率放大器。这种MMIC功率放大器在94GHz下线性增益为8dB，最大输出功率300mW，峰值功率附加效率为10．5％，衬底厚度为0．0508mm。图7示出W波段单片功率放大器的照片。日本FujitsuQuantumLtd．研制成低成本金属陶瓷封装的K波段大功率MMIC放大器模块，并可应用于K波段高速无线系统。这种PA模块由于一个激励放大器MMIC和一个功率放大器MMIC组成。在23GHz和26GHz下总的增益为30dB，Pm为33dB。这种模块总的性能G(dB)×△f/fo为以前的二倍。TRWRFProductCenter报道了相关功率增益21．5dB的6W，24％PAEKa波段功率模块。功率模块由激励放大器、二级功率放大器芯片组成。这种MMIC放大器采用0．151xmlnGaAs／A1GaAs／GaAslmMT~术制作在0．0508mm厚的衬底上激励放大器的输出功率为27．5dBm，功率增益10．7dB，PAE为27％。输出功率放大器采用混合的方法，由二片局部匹配MMIC芯片和8路Wikinson组合器(制作在氧化铝衬底上)组成。这种MMIC功率放大器输出功率为35．4dBm(3．5W)，PAE为28％，相关增益为11．5dB。8路组合器的插入损耗为0．6dB。图8示出了激励放大器MMIC芯片。 MitsubishiElectricCorp．研制成用于GSM900／1800应用的3．2VT作芯片HBTMMIC功率放大器。这种IC的输出功率用于GSM900，Pou，为34．5dBm，PAE为5％，用于GSMl800(DCSl800)Pou：为32dBm，PAE为42％TRWElectronicandTechnologyDivision研制成0．5-16GHzCaAsHBT中功率放大器；MMIC，其中功率放大器示于图9。TRWInc采用CaAs／A1GaAsHBT研制成高可靠X波段MMIC放大器。静态收集极电流密度为20kAIcm2，芯片调节的单级平衡放大器在125T结温下MTF(median-time-failure)为4×1017小时。59HIA MMIC单级平衡放大器工作频率为5-9GHz，曲型增益为11dB，芯片尺寸为3．0mmX4．0mm。 Thomson-CSF已研制成0．5W，2-8GHZMMIC分配功率放大器。采用HBT功放放大器在大功率和高效率下工作，功率密度大于1W／mm，2-8GHz下的PAE为20％，在3GHz下，峰值效率为30％。图10示出HBTMMIC放大器照片。HittiteMircrowave已研制成HBT单片微波集成电路功率放大器，工作频率为4．4-6．0GHz。该放大器采用非全封闭基座的无引线封装，即表面贴装封装技术，以便改进RF和热特性。型号为HMC415LP3，其特性：增益为20dB，饱和输出功率为+26dBm，PAE为34％。电源电压为3V。TI公司研制成应用于S波段和C波段的单片I-IBT功率放大器。该放大器在S-C波段的增益约为18dB，最大输出功率为15W，芯片尺寸为6．6×9．1mm。图11示出15W双波段HBTMMIC功放照片。图12示出功率放大器的水平。 表11和表12分别示出功率MMIC放大器特性和毫米波MMICPA性能。 3.3.2其它MMIC 除了低噪声MMIC和功率MMIC之外，MMIC在混频器、倍频器、开关、衰减器、振荡器、移相器等领域也取得很大成绩，制出了不少高性能的单片电路，现叙述有关单片电路。 （1）变频器 TriquintSemiconductorTexaslnc．研制成宽带、小功率，+3．0VPHEMT下变频IC，并可用于卫星通信系统。下变频器全部集成在单片上，无须外匹配元件。该MMIC有300~800MHzRF-Lo带宽和185~2085MHz IP带宽。UKDefenceEvaluationResearchAgency研制成用于卫星通信接收机的多功能MMIC，工作频率43．5~45．3GHz。该电路采用0．25μmPHEMTGaAs InGaAs-A1GaAs生产线工艺在GECMarconi Materials TechnologyLtd．制作。多功能MMIC在一块芯片上集成一个低噪声放大器、下变频器、本机振荡器、倍频器和缓冲放大器，其芯片尺寸为3．0 ×3．8mm2。噪声系数为4．3dB，本机振荡器在0dBm时的变频增益为8dB。 (2)倍频器、混频器 M／A-COMInc．采用GaAsHBTMMIC技术研制成模拟频率倍频器。在基频至14GHz，平均0-3dB变频增益和10dB衰减。图13示出HBTMMIC倍频器照片。表13列出混频器的研究水平。 TheUniversityOfLeeds研制成新型77GHzMMIC自振荡混频器。混频器采用单个PHEMT同时做到混频和倍频。这种混频器在77GHz下测得变频损耗为12dB，70-85GHz的平均所测变频损耗为15dB。 (3)滤波器 France'UniversityOfLimoges采用低频递归方案和全MMIC研制成新型微波滤波器。采用这种方法实现的滤波电路可应用于窄带滤波。中心频率为7GHz。 (4)收／发MMIC 德国FraunhoferlnstituteforAppliedSolideStatePhysics(1AF)采用双栅PHEMT研制成应用于FMCW雷达系统的小型共面收／发MMIC。该芯片有二级中功率放大器，一个单端阻性混频器，一个环行波导耦合器组成，依赖于0．15，lmGaAsPHEMT技术，在77GHz下，输出功率为10dBm，变频损耗为1．5dB，整个芯片尺寸仅为1．75× 1．75mm2。图14示出收／发MMIC的照片。Japan Telecommunications Business Group，Oki Electriclndustry Ltd．采用GaAsMESFET技术研制成用于1．9GHz PHS无线电通信的单芯片的RF收发机MMIC。MMIC特性，RF收发机包括一个SPDT开关，一个二级LNA，一个下变频器，一个双平衡混频器，一个AGC放大器和一个自偏置控制电路。芯片尺寸为9．3mm2。封装在带有热沉的48pinTQFP中。图15示出其方块。 NEC公司已经研制成小型高精度Ka波段4bit的单片移相器。电器结构为转换驱动式，可串接22．5°、45°、90°、180°各移相单元。作为线路转换器件，采用由欧姆电极共有技术(UEST)制作的非谐振式超小型FET开关。该开关的器件为0．15μm栅的A1GaAs／InGaAsHFET，尺寸为0．17mm×0．7mm，在0～40GHz下，插入小于1．5dB，隔离度在25dB以上。整个单片移相器尺寸为2．2mm× 2．5mm。在33-36GHz较宽的频率下，获得了相对移相误差低于70rms，插损偏差为1．2dBrms的移相特性。 日本三菱电机研制成工作于40GHz波段的MMICVCO。该器件为了控制谐振，采用了加载薄膜电阻的单披长微带谐振器，形成90°，反相式调谐电路的MMICVCO。串联谐振电路的变容管使用GaAs衬底上的肖特基结，获得了谐振范围493MHz，偏离1MHz相位噪声--84dBC／Hz的良好特性。有源器件采用栅宽Wg=100pm，栅长Lg=0．15，Am的A1GaAs／In GaAsPHEMT，它不仅作为反通道漏接地使用，还作为输出的反射短截线。因此在40GHz下获得足够的反射增益。 德国Siemens公司研制成用于毫米波传感器应用，特别是汽车雷达系统应用的单片单元(set)。它由高集成收发芯片，一个压控振荡器，一个谐振混频器和中功率放大器组成，这种MMIC的工作频率范围为76-77GHz，并用GaAsPHEMT制作。 FuiitsuQuantumDevicesLimied采用倒装技术和0．15μmInGaAs／GaAs HEMT工艺研制用于毫米波汽车雷达的76GHzMMIC芯片单元。