A Broadband 170 GHz~260 GHz Amplifier Module Based on GaN Chip
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摘要:
本文设计了一款基于氮化镓芯片的170 GHz~260 GHz固态放大器模块。该模块采用波导-共面波导过渡结构，通过在标准矩形波导中插入楔形波导膜片来实现高紧凑的低损耗过渡。仿真结果表明，该过渡在整个波导频带内回波损耗优于20 dB，插入损耗小于0.12 dB。此外还在输入输出法兰处引入扼流槽结构，以实现对模块级联可能存在的信号泄露进行抑制。实际测试结果表明，该放大器模块在170 GHz~260 GHz频率范围内的小信号增益超过7.6 dB，输出功率均大于4 mW，并且该模块在213 GHz处实现了最大12.8 mW的功率输出，PAE为8.7 %。
Abstract:In this paper, a 170 GHz~260 GHz solid-state amplifier module based on gallium nitride chip is designed. A waveguide-to-coplanar waveguide transition structure is used by the module where a wedge-shaped waveguide iris is inserted into a standard rectangular waveguide to achieve a highly compact and low-loss transition. The simulation results show that the transition has an average return loss of better than 20 dB over the entire waveguide band, with an insertion loss is less than 0.12 dB. Furthermore, a choke groove structure is introduced at the input and output flanges to suppress signal leakage that may occur during module cascading. The actual test results show that the amplifier module achieves a small-signal gain of more than 7.6 dB over the frequency range of 170 GHz~260 GHz, with output powers greater than 4 mW at all frequencies. Furthermore, the module achieves a maximum output power of 12.8 mW at 213 GHz, with a PAE of 8.7%.
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Keywords:
- gallium nitride /
- amplifier module /
- waveguide-coplanar transition /
- broadband
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0. 引言
太赫兹波是指频率在0.1 THz~10 THz范围内的电磁波，因其丰富的频率资源和独特特性而得到了广泛应用。其中，220 GHz是太赫兹频段的一个关键大气窗口，在雷达、通信、电子对抗、测量等方面具有极其关键的作用[1-2]。
放大器是微波和毫米波电路系统的主要模块之一。对于目前太赫兹频率的应用，传统的倍频器不能在较宽的频率范围内提供输出功率[3-5]，因此需要开发高频的宽带固态放大器模块来对信号进行放大，用于提高输出信号的功率。而对于传统氮化镓(GaN)芯片而言，尽管可以提供较高的输出功率，但其工作频率往往较低[6-13]。
本文设计了一款基于GaN芯片的固态放大器模块，该模块的工作频率范围为170 GHz~260 GHz。该模块采用计算机数控加工工艺进行制作，具有宽带性能好、易于级联等优点。为了降低芯片封装时的过渡损耗，本文针对波导-共面波导过渡结构进行设计，并在输入输出法兰处引入扼流槽结构，以抑制模块级联可能存在的信号泄露。最终测试结果表明，该模块在170 GHz~260 GHz频率范围内的小信号增益超过7.6 dB，输出功率均大于4 mW，并且该模块在213 GHz时实现了最大12.8 mW的功率输出，PAE为8.7 %。
1. 固态放大器模块设计
该固态放大器模块的整体设计方案如图 1所示。该模块采用标准WR 4.3波导，通过在标准矩形波导中插入一个楔形波导膜片，实现高紧凑的波导-共面波导基片的低损耗过渡(输入、输出过渡转换)，并且在放大器芯片与输入输出波导之间采用金丝键合的方式实现共面波导基片与芯片Pad的互连。此外，为了抑制模块级联时接触不良等原因导致的电磁泄漏，还在输入输出法兰处引入扼流槽结构从而促进低损耗的信号传输。最后需要特别注意直流板的供电时序，实现芯片的稳压供电。
1.1 宽带波导-共面波导过渡结构设计
传统过渡通常使用E面探针[14]、偶极子天线[15]、准八木天线[16]等结构，然而E面探针要求输入/输出波导方向与芯片是垂直的，这无疑增加了波导损耗以及模块尺寸。偶极子天线、准八木天线等结构常用作无引线键合的芯片过渡，但是这些结构的耦合效率低，很难实现宽带的过渡，因此并不适用于宽带模块的封装过渡。
为了解决上述问题，本文设计了一个170 GHz~260 GHz频段的高紧凑波导-共面波导过渡[17]，其结构如图 2所示，目的是为了将标准矩形波导输入的电磁波从TE10模转换为共面波导的TEM模。该过渡在标准矩形波导与E面探针的基础上，引入了一个增高波导和楔形波导膜片。楔形波导膜片结构，不仅实现了从输入波导到探头的阻抗匹配，而且有效抑制了存在的寄生模式。此外，从图 2(b)的平面电场分布可以看出，通过插入楔形波导膜片，使得从矩形波导馈入的电磁波在增高波导中旋转了90°，促进了TE10模到TEM模的转换。
考虑到工作频率，探针基片采用50 μm厚的石英基片。对该模型进行仿真优化后的结果如图 3所示，在170 GHz~260 GHz频率范围内回波损耗优于20 dB，插入损耗小于0.12 dB。
1.2 扼流槽结构设计
在1.1节中，楔形波导膜片的引入实现了低损耗、宽带的过渡效果。但过高的频率给高精度的模块加工带来较大挑战，尤其是在模块与模块级联时，非理想的波导接触常会导致电磁信号的泄露。
因此，本文在输入输出法兰盘处引入了扼流槽结构[18-19]，如图 4所示。扼流槽结构由两个矩形槽和两个半环形槽构成，当不同模块进行级联时，考虑到模块之间的非理想接触以及加工误差等因素，存在空气间隙(假设为10 μm)，因此扼流槽的引入有利于实现低损耗的信号传输。
1.3 馈电电路设计
为了保证放大器芯片的稳定工作，需要合理设计直流稳压电路从而为芯片提供稳定的电压偏置，最终所设计的直流稳压供电电路的原理图如图 5所示。
对于栅压供电，首先使用LM1117稳压芯片输出3.3 V电压，再通过正压转负压芯片MAX660得到-3.3 V电压，最后通过电阻分压得到-0.5 V电压。对于漏压供电，使用LM1084-ADJ稳压芯片，通过调节电阻获得8 V电压。
此外，对于GaN HEMT器件，供电时要考虑到时序的设计，因此需要先加栅压，后加漏压；断电时需要先断漏压，后断栅压。因此使用三极管和MOS管来实现对供电的时序控制：加电时，当MAX660输出-3.3 V电压后，三极管的基极和发射极产生压差，集电极和发射极导通，从而使得MOS管的源极和栅极产生压差，源极和漏极导通，实现对时序的控制，电路的时序测试结果如图 6所示。
2. 放大器模块封装与测试
装配后的放大器模块如图 7所示，该模块由上下两部分腔体组成，其中腔体材料为紫铜，并在表面作镀金处理。此外，为了保证芯片的良好散热，在上腔体切割出散热齿来增大与空气的接触面积。而下腔体则包括直流腔和芯片腔，直流腔位于下腔体底部，用于放置直流稳压时序电路，该电路的输入接口则设计在下腔体侧边，并采用穿心电容连接。芯片腔位于下腔体的顶部，包含有输入、输出波导过渡结构以及放大器芯片，芯片则采用金丝键合的方式与基片连接在一起。
对装配好的放大器模块采用矢量网络分析仪和170 GHz~260 GHz扩频头进行小信号测试，小信号测试链路如图 8所示。首先对矢量网络分析仪进行TRL校准后，将衰减器连接入链路，利用矢网将衰减器校准至-30 dB(目的是为了防止模块自激损坏矢网)。
最终测试得到模块的小信号增益曲线如图 9所示(已经扣除衰减器的损耗)。从测试结果可以看出，该模块在整个波导带宽内实现了大于7.6 dB的增益，但从图中可以看出，该模块在低频时小信号增益平坦度较差且在高频处增益较低，这是由于芯片本身的特性导致的。
大信号测试链路如图 10所示，其中170 GHz~ 220 GHz和220 GHz~260 GHz分别采用二倍频和三倍频作为驱动，前级均级联信号源AgilentE83732B、W波段三级功放模块，最后使用功率计对该模块的大信号进行测试(输出功率和输出P1 dB压缩点)，测试结果分别如图 11和图 12所示。
从输出功率测试曲线可以看出，该模块在170 GHz~ 260 GHz的频率范围内能输出4 mW以上的功率，其中在198 GHz~225 GHz内输出功率大于8 mW。此外还在213 GHz频点处对输出P1 dB压缩点进行测试得到输出P1 dB压缩点为0 dBm。最后计算得到该模块的附加效率PAE如图 13所示，该模块在213 GHz频点处实现了高达8.7 %的附加功率效率。因为目前关于该频段固态放大器模块的报道较少，因此表 1对170 GHz~260 GHz频段放大器(包括在片测试单片)的特性进行了对比，从表中可以看出，本文所设计的固态放大器模块具有较高的工作带宽以及良好的功率附加效率。
表 1 不同形式开关矩阵的优缺点比较3. 结论
本文设计了一款170 GHz~260 GHz的固态放大器模块，分别对波导-共面波导过渡、输入/输出端口级联、直流供电进行了设计。最终测试结果表明，该模块在170 GHz~260 GHz频率范围内的小信号增益超过7.6 dB，输出功率均大于4 mW，并且，该模块在213 GHz时实现了最大的功率输出12.8 mW，PAE为8.7 %。
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