一种高效k波段多谐匹配MMIC中功率放大器的设计及热可靠性分析

摘要

设计了一种新型高效k波段MMIC中功率放大器，采用GaAs pHEMT工艺进行多谐波匹配。它的工作频率以26 GHz为中心，带宽为2 GHz。具有20 dbm1db压缩点输出功率和40%的效率。提出了一种新的基于ICEPAK的热可靠性分析方法来评价其热特性。使用QFI InfraScope测试结果™对红外成像系统与仿真结果进行了比较。该方法在±1°C的误差范围内具有良好的一致性，反映了热分析方法在精度和使用方便方面的优势。

1.介绍

GaAs单片微波集成电路(MMIC)功率放大器(PA)设计是一项前沿技术，广泛应用于通信领域[1- - - - - -3.，点对点网络[4，5]、相控阵雷达系统[6等等。小尺寸、高效率、高可靠性是GaAs MMIC PA发展的趋势[7- - - - - -10］．特别是在空间应用领域，由于有效载荷电源的严格限制和有效载荷维修的高难度，效率和可靠性成为GaAs MMIC PA设计之初必须考虑的两个重要因素。

近年来，高效GaAs MMIC中功率放大器的设计越来越受到人们的关注。[11]已经引进了4级宽带PA，采用GaAs pHEMT工艺，具有24 dBm 1 db压缩点输出功率(P-1dB)， 15%的功率增加效率(PAE)， 3.36 mm²芯片大小，频率范围从17 GHz到26 GHz。介绍了一种k波段驱动放大器和一种k波段PA12］．6级功率放大器输出功率为23 dBm, PAE为8%时输出功率为17 ~ 36 GHz, PAE为14%时输出功率为36 ~ 40 GHz。4级驱动放大器在18ghz至35ghz的PAE为11%时，输出功率为23.5 dBm;在35ghz至40ghz的PAE为8%时，输出功率为22 dBm。在[13]，作者提出了一种适用于本地多点分配系统(LMDS)的k波段宽带放大器。它的工作频率范围从24 GHz到28 GHz, 19.8 dBm P-1dB, 19.8%的关联PAE，芯片尺寸小于3.53 mm²．采用0.15的k波段高效PAμm GaAs pHEMT工艺技术由[14］．在芯片尺寸为1.5 mm的情况下，PA达到了22 dBm P-1dB和30%的相关增益²．在[15，作者演示了k波段GaAs MMIC的设计和测试，该MMIC可提供22 dBm P-1dB和21% PAE。为了提高放大器的效率，谐波匹配方法是众多研究人员采用的一项关键技术。在[16，作者介绍了一种利用输入和输出谐波端点的高效PA设计。提议的PA在其工作频带上达到了37%到49%的效率。作者在[17]设计高效的f类MMIC PAs。提出的PA在单频段5.5 GHz PA的效率为70%，5 GHz PA的效率为58%，12 GHz多频段PA的效率为51%。在[18]，作者提出了一种具有宽带谐波终端的超高效率x波段e类PA。所设计的PA在9 GHz-10 GHz频段上具有49%-65%的PAE，输出功率为19 dBm - 22 dBm。

为了验证设计的GaAs MMIC PAs的可靠性，进行了热分析。市场上已经开发了许多热模拟工具。不过，大部分申请只作一般用途[19］．Flotherm和ICEPAK是系统级热分析工具[20.- - - - - -22］．在光谱的另一端，TCAD和APDT最广泛地用于晶体管级热分析，用户必须提供关于晶体管的详细信息，直到半导体杂质的浓度[23- - - - - -26］．因此，为了估计所设计的MMIC pa的热性能，必须提出一种新的方法来精确地进行热模拟，以减少复杂性和时间消耗。在上述仿真工具中，ICEPAK是ANASYS设计的先进热分析工具，是其CFD套件的一部分。它是一种伟大的热分析工具，已广泛应用于电子学[20.- - - - - -22］．它有一个很棒的图形用户界面(GUI)和一个全面的模型库。采用合适的热模型，可作为热可靠性分析的理想工具。

介绍了一种基于多谐波匹配的新型高效k波段中功率放大器。它实现了20 dBm的P-1dB和高达40%的PAE，芯片尺寸为2.64 mm²．为了验证热可靠性，利用ICEPAK开发了一个有效的热模型来一次性模拟整个GaAs MMIC PA，与使用QFI InfroScope的热成像测试相比，其精度小于±1°C的温差。

2.PA电路设计

提议的PA是使用0.15制作的μm GaAs pHEMT技术。该技术的典型参数见表1．

设计的电路由三个阶段组成，如图所示1．第一阶段是2 × 20μm pHEMT结构;这个阶段的主要目的是为整个电路提供高线性增益。第二阶段是2 × 50μm pHEMT结构;它为第三级的输入提供足够的功率，以驱动第三级进入饱和区。第三阶段是4 × 65μm pHEMT结构，是向电路输出输出所需功率的主要部分。然而，第三阶段是关键阶段，与输出功率和效率的设计放大器。因此，接下来的介绍只集中在第三阶段。

对于第三阶段，总功率输入输出满足下式: 其中总直流功率定义为与和为第三级场效应晶体管的漏源极电压和电流;和为其栅极电压和电流。和为加热耗散的功率和输出端口的总功率。耗散功率和总输出功率可进一步写成(2),““表示谐波的数目，”是电压和电流之间的角度差th谐波 因此，在理想情况下，当功率耗散时和谐波频率功率均为零，则PA的总输出功率等于基频功率;pHEMT的效率达到其最大值100%。pHEMT的PAE定义如下:

如(3.)，当谐波频率功率最小时，输出总功率最大;它进一步导致耗散功率的最小化。pHEMT的最终PAE是最大化的。然而，在大多数情况下，只有第二和第三次谐波是重要的和考虑。考虑到这一点，pHEMT的源拉仿真如图所示2．横轴是二次谐波的相位;纵轴是三次谐波的相位。图中显示了pHEMT在不同谐波相位网格下的PAE。如图所示，PAE的变化对三次谐波相位变化不敏感，只有一个轻微的不连续，大约在250度和270度之间。PAE对二次谐波的相位变化非常敏感;在205°~ 225°相扫时达到最大值41.7%。这一结果呼应了早先作出的假设，即高次谐波对最终谐波功率不重要。这也表明，在场效应晶体管的输入输出匹配网络设计中，只有二次谐波值得一提。

数字3.演示了场效应晶体管的逐匹配网络的电路原理图设计。它由两条四分之一波长的分路传输线组成和对于二次谐波频率，消除了第二和第三级输出的谐波影响。

传输线和电容对TLb-C1和TLd-C2，用于输入输出匹配;它们也有调谐谐波频率相位的用途，特别是C1和C2。TLb和TLd的长度可以根据两级之间的互连和芯片尺寸的要求进行安排。所制备的pHEMT MMIC功率放大器的照片如图所示4芯片尺寸为2.2 mm × 1.2 mm。

利用网络分析仪对所设计的PA进行了测试。VD = 5v, VG =−0.9 V。功率放大器的典型频率响应如图所示5并给出了仿真结果。在其工作频段内，线性增益(S21)大于25.5 dB，输入反射优于15 dB。

输出功率和PAE如图所示6．如图所示，P-1dB为20 dBm，对应的PAE在25 GHz到27 GHz的整个工作频段为40%。然而，实测的PAE值略好于仿真结果。另一方面，P-1dB比模拟的要小一些。原因可能是由于工艺技术的变化和测试系统的不确定性。

3.热分析

为了评价所设计PA的热特性，首先在ICEPAK中建立了热模型。在这里，整个模型包括两个部分:一个是设计的PA，另一个是安装PA的散热片。每一层的示意图如图所示7．

最上面的三层代表MMIC PA电路，其中包括布局图、砷化镓外延层和金。布置模式为主热源，包括所有有源电路、传输线和直流偏置线。布局图案的材料为全金，导热系数为313w /m·K。然后，使用焊料粘合剂层将MMIC安装到钼铜基板的顶部。最后，将PA和基板固定在测试平台上。用一层热润滑脂保证基板与散热片之间的接触。该模型不仅仿真建模结构简单，而且可以推广到不同GaAs pHEMT的功率放大器设计中。

从两个方面进行了仿真。数字8显示了在没有任何其他信息的情况下只模拟三个phemt的情况。最高温度约为107.69°C。

数字9给出了所设计放大器等效电路的仿真结果。温度最高的区域是第三级pHEMT，温度为97.85°C，负责将所需功率输送到电路的输出。与前一节有10°C的差异。这是由于一些热量已经从pHEMT外围消散，如连接pHEMT的传输线和连接到背面金属的通道。

采用QFI热成像系统InfraScope对设计的PA进行了热测试，以评估其在全运行状态下的热特性(V,mA)，评估所提出的仿真方法。如图所示10时，第三级pHEMT的热像温度最高，约为97.86℃，与模拟结果略有偏差。这表明所提出的热分析方法能够准确地预测热特性。

4.讨论

如本节所述2设计的PA在整个操作频带内实现了40%的PAE，至少20 dBm P-1dB。表中给出了k波段介质pa与我们工作的效率比较2．从效率的角度来看，我们提出的PA达到了最高的效率。

利用ICEPAK软件，采用与功率放大电路整体等效的热模型进行热分析。仿真结果与热成像测试结果对比表明，本文方法能够提供不超过±1°C的精度估计。GUI(参见图11)允许用户更容易和快速地建立等效的仿真模型。还证明了不需要知道MMIC外延层的详细信息和所有杂质浓度。的热可靠性设计,它可以精确模型的相对操作温度设计MMIC通过了解pHEMT的结构并提供信息,如金属在晶体管的面积和通过的数量在MMIC设计是必要的,尤其是在高功率密度的情况下设计。它还具有由于芯片制造和测试而降低设计成本和通过减少设计迭代而减少设计周期的优点。

它还表明，由于在这些范围内出现最高的功率密度，热分析可以与PA的电路设计一起进行，并绘制出最大pHEMT单元的粗略图。对整个电路进行精细仿真几乎是提高设计效率的必然阶段。

针对该方案，将其应用于星载相控阵雷达。整个雷达系统最棘手的可靠性问题之一是其PA，特别是提出的PA的热可靠性。在输出功率相同的情况下，输出效率越高，pHEMT的耗散功率越低，器件寿命越长。因此，热设计是PA设计中的重要设计因素之一。在本文中，PA的工作温度范围设计为−40°C至85°C。最终热测试结果表明常温下法偏条件下的PAE值为97.86℃，相同条件下PAE值不小于40%。据此定义了一种广泛使用的器件结温模型为［27]的近似结温为32.86°C至157.86°C，远低于正常的GaAs pHEMT结温。这保证了所提议的设备在正常工作条件下有更少的机会出现热可靠性问题。本文达到了分析的目的。

5.结论

本文介绍了一种多谐波匹配的k波段放大器的设计。最终实现的MMIC尺寸为2.64 mm²， 20 dBm P-1dB，伴生PAE高达40%。提出了一种验证热可靠性的热分析方法。通过在ICEPAK中引入所提出的等效热模型，在峰值温度差小于±1°C的情况下，设计的MMIC PA获得了准确的热特性。

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

致谢

国家自然科学基金资助项目(no . 61401395);浙江省教育厅科研基金资助项目(no . Y201533913)。关键词:边坡，边坡稳定性，边坡稳定性

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