0.45 W PAE E-Band 18%功率放大器在100 nm InGaAs pHEMT技术

文摘

本文描述了一个完全集成功率放大器(PA)在100 nm InGaAs E-band pHEMT过程的点对点通信。设备大小和偏置条件优化在毫米波频率提高整体性能。完整的PA包含两个单元不是和每个单元PA有四个阶段提高增益的同时确保稳定直流操作频率。一个4路零度组合器(在单位PA)和双向λ/ 2组合器是用来提高输出功率。占据5毫米²,提出了PA达到0.45 W的输出功率17.9% PAE 74 GHz。

1。介绍

越来越需要E-band技术未来的5 g网络基础设施,如无线回程。在无线回程系统,高度定向天线是在发射机和接收机双方以补偿路径损耗(1,2]。例如,FCC部分101规则(3)需要一个最低43 dBi天线增益,以确保E-band无线电设备传输“铅笔”来减轻干扰分析和空间协调的链接。然而,multi-Gbps链接超过multikilometer距离,watt-level功率放大器(PA)必须确保全球天气可用性99.99% (1,2]。输出功率()的要求分配新任务的完全集成功率放大器(PAs)在毫米波频率(mm-Wave)。

尽管MOS晶体管的不断增长的速度提供了新的机会mm-Wave设计师,击穿电压限制了输出功率低E-band CMOS不是约0.1 W (2,4,5]。工作(6演示了一个E-band锗硅27.3 dBm ,但它可能遭受额外的损失由于输出的位置在包装垫的中心死。因此,watt-level E-band不是仍在复合半导体的域。在E-band GaN不是[7]提供超过1 W由于高击穿电压,输入不是[6)实现PAE高达40%的高 。然而,砷化镓技术(8- - - - - -10)具有相对低成本、高产量,和容易铸造访问,E-band应用程序提供一个有吸引力的替代。

在本文中,我们报告一个完全集成E-band PA 100海里InGaAs pHEMT技术。电路优化应用于有源设备,单位PA,布局平面布置图,和权力结合结构提高增益,输出功率、效率和稳定性。拟议的5毫米²PA演示了一个测量功率增益为20.6 dB, PAE 26.5 dBm的输出功率为17.9%。部分2关于晶体管偏压电路优化细节,放大级,和权力结合的结构。部分3显示测量结果中给出的结论部分4。

2。设计考虑和电路实现

功率放大器原型设计在商业100海里InGaAs pHEMT过程( = 130/200 GHz) 8 V的击穿电压和饱和输出功率密度约为600兆瓦/毫米4 V的电源电压正常。晶片厚度是50μm。在这个工作中,巴勒斯坦权力机构模拟此后在广告执行基于模型在所有的被动设备具有广告势头。

2.1。晶体管设计:最佳偏置

在这部作品中,晶体管的偏置电压优化基于以下PA品质因数(FOM),给出的 获得, ,和代表权力下的功率增益匹配,3 dB压缩输出功率(),和PAE(),分别。图1显示了模拟功率增益, , ,和计算与不同的栅电压()和漏极电压()在75 GHz。在设计,设备大小50µ米×4(即。,50µm手指宽度,四个手指)选择平衡功率增益和输出功率。理想的无损的输入和输出匹配电路是哑音为每个偏压条件公平的比较。从图1,很明显,巴勒斯坦权力机构增加了获得2 V的电源电压和它显示增强的4 V的输出功率。爸爸经营的大部分 ,有限的功率增益PAE有着直接的影响。作为一个结果,峰在2 V和−0.45 V尽管巴勒斯坦权力机构达到2 dB在4 V。这样的问题变得更加严重的后包括匹配电路的损失。在这个设计中,我们选择了基于偏置点的FOM等于功率增益的总和, ,和 。图1 (d)显示的FOM山峰3 V和−0.35 V,给功率增益, ,和为7.8 dB, 19.5 dBm,和31.6%,分别为75 GHz。

除此之外,一个重要特征为50×4µm晶体管在这种偏置获得匹配和功率匹配的配置是可以几乎同时实现,大大降低了设计工作。注意,尽管25×4µm晶体管显示了相对较高的最大的小信号增益,它可能是不稳定E-band并显示3 dB低超过50µ米一个相同的电源结合网络复杂化要求。

2.2。单位PA设计:增益、力量和稳定

使用最优设备配置规模和偏见,完全集成单元PA设计,如图2,设备参数的细节也进行了总结。单位PA由四个阶段实现超过20 dB功率增益,从而放松输入功率的要求。提供足够的驱动功率和为了不饱和输出级前,三个驱动阶段的总晶体管宽度是两个逐步按比例缩小的一个因素。一个4路零度传输线(T-line)组合器(11是用来总结的四个50µm×4设备在PA输出阶段。威尔金森合路器,零度合路器相比大大降低了芯片面积和插入损耗而改变100Ω每个50最佳负载阻抗的负载µm×4设备。端口隔离并不是一个主要的限制是所有组合器的输入没有相位差。350年µ米λ/ 4 T-lines作为射频扼流圈饲料供应和T-lines灰色()是用于分发的供应网络放大器阶段较低的一边。这两个和(见图2)可以帮助减少内部循环的增益,从而消除潜在的振荡。电容器提供了一个简短的操作频率的范围。广泛的新兴市场一直在执行完整的被动电路模拟考虑所有被动组件之间的相互耦合。模拟和单位PA = 24.9 dBm和22%,分别。注意,在 ,巴勒斯坦权力机构输出级压缩大约3 dB在三个司机阶段压缩2 dB。的力量驱动阶段和输出级都是非常有限的,这样的设计方法可以确保巴勒斯坦权力机构输出级可以驱动为饱和而三个司机阶段消耗相对较低的直流电源(12]。

随着晶体管在低频率更高的功率增益,那里的稳定性成为一个大问题。模拟预测,单位PA是潜在的不稳定在25 GHz。解决这个问题,介绍了在每个阶段结束循环,从而显著降低功率增益较低频率的λ/ 4 dc-feeding T-lines显示相对低阻抗显示了高阻抗。因此,单位从直流PA是无条件稳定的操作频率和带内性能不退化。

2.3。权力增强:半波T-Line合路器

为了进一步提高输出功率,完整的结合两个单元不使用λ/ 2 T-line力量组合器,如图3。特性阻抗(70Ω)选择平衡插入损耗和带宽。在这种情况下,比起威尔金森和零度组合器(11),λ/ 2 T-line组合器紧凑,易于实现和相对广阔的带宽。更重要的是,它不是敏感过程变化而覆盖距离只要700µ不是m输出之间的两个单元。包括输出GSG垫,插入损耗的λ/ 2 T-line组合器在75 GHz 0.68 - -0.71 dB±20%的变化 。补偿180°相位差λ/ 2 T-line功率分配器用于输入。

3所示。测量结果

巴勒斯坦权力机构的原型是在100 nm InGaAs pHEMT过程中制作的。芯片显微图如图4。包括射频和直流垫,5毫米的芯片面积²。执行测量高频探针台。输入和输出射频垫是由GSG调查访问而直流垫线焊电路板。爸爸是3 V的电源电压。

图5显示的是测量的参数。巴勒斯坦权力机构达到峰值20.8 dB的74 GHz 7.5 GHz的3 dB带宽。由于最优晶体管上浆和偏置,确保同时获得匹配和功率匹配,比−10 dB从71.5到78.5 GHz。比−10 dB从71年到77 GHz而小于从60到90 GHz−48分贝。测量频率的PA是无条件稳定的。此外,输出光谱是仔细检查从直流到90 GHz,没有振荡出现在宾夕法尼亚州的输出。的大信号行为PA 74 GHz如图6。巴勒斯坦权力机构实现测量 , ,和分别为23.8,25.5和26.5 dBm。是17.9%。从71年到79年GHz,测量输出功率大于25 dBm(见图5)。测量和模拟结果有很好的一致性。2 dB获得差异可以归因于变异和多个阶段之间的相互耦合的过程。回来的不准确的造型通过可以作为广告势头的另一个问题是2.5D电磁(EM)模拟器。

表1比较了PA原型E-band不是最先进的砷化镓,输入,汞灯,CMOS。尽管使用不同的技术,可以看出,高输出功率会导致相对较低的效率由于电源结合网络的损失。工作(6在250 nm输入 400/700 GHz显示了一个令人印象深刻的PAE。感谢提出的设计技术,这PA达到高输出功率和效率高在100 nm InGaAs pHEMT,竞争在E-band与先前技术。

4所示。结论

已经实施一个E-band PA 100海里InGaAs pHEMT的过程。提高单级放大器的性能,设备大小和偏置条件精确调整。一个4路零度组合器和双向联络λ/ 2组合器是用来提高输出功率。一直注意PA稳定以确保没有振荡出现直流操作频率。5毫米²PA达到0.45 W的输出功率为17.9%,PAE股权74 GHz。为未来的工作,改进才能减少输出组合器的插入损耗,从而进一步提高输出功率和效率。高效16路功率组合器也可以调查到输出功率的两倍。E-band,砷化镓PA优于CMOS PA对于输出功率达到低成本,高收益,并且很容易铸造访问相比输入和氮化镓不是。因此,砷化镓PA提供有吸引力的解决方案为未来在E-band长途的点对点通信。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作在一定程度上是由中国国家自然科学基金(没有。61674035),江苏省自然科学基金(没有。BK20160690),中央大学基础研究基金。

引用

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