一款應用于5G毫米波終端的中功率放大器

楊實 方家興

（南通至晟微電子技術有限公司 江蘇省南通市 226000）

1 介紹

目前，一些用于5G 通信的單片微波集成電路（MMIC）已經在Ka 波段得到了實現，因為Ka 波段的頻率具有短波長、千兆位數據傳輸等優點。極高的工作頻率對系統和電路設計提出了重大挑戰。與低頻情況類似，最關鍵的電路元件之一是功率放大器（PA）。在毫米波時，功率損耗、對元件公差的敏感度以及晶體管技術的物理局限性使得功率放大器的設計比低頻更具挑戰性。另外，毫米波5G 終端有低功耗、低噪聲、高線性度和低成本的要求，因此GaAs E-pHEMT 成為毫米波5G 終端合適的工藝選擇之一[1]-[6]。

毫米波封裝后的產品電特性與封裝前的MMIC 相比有很大變化，需盡量減小封裝的寄生效應，并在設計時將封裝引起的寄生考慮進去。之前已經一些研究小組報告了在高達Ka 波段的頻率下工作的封裝MMIC，基于QFN 或陶瓷封裝[7]-[10]。QFN 塑封對毫米波PA 的性能影響很大，而陶瓷封裝成本過高。本文采用多層基板嵌銅工藝再進行塑封，在保證產品毫米波性能的同時控制封裝成本。

2 放大器電路設計

圖1顯示了我們設計的中功率放大器的原理圖。為了獲得高增益，放大器采用三級級聯，以獲得超過18 dB 的增益。第一級管子尺寸為4×25um（Q1），第二級管子尺寸為4×50um（Q2），第三級管子尺寸為8×50um（Q3），以實現P-1 大于18dBm，PAE-1 大于25%。

2.1 0.15um 增強型pHEMT工藝

增強型pHEMT 提供與傳統耗盡型pHEMT 相比，有單電源供電、直流功耗低、高線性度，噪聲系數低等優點[11]。0.15μm 增強型pHEMT 器件的截至頻率fT約為85GHz，最大震蕩頻率fmax約為155GHz，最大跨導Gm 約為1000ms/mm，標稱漏極電壓Vdd 為4V[12]。采用Ti/Pt/Au T 型柵實現低輸入電阻和高可靠性。6 英寸圓片背金MMIC 工藝，配備了無源元件，包括薄膜金屬電阻、體電阻、MIM 電容器、STACK 電容、背面通孔和兩層傳輸線金屬層。綜合上述特性，可以選擇增強型pHEMT 工藝作為設計手機終端用中功率放大器的工藝[13]。

2.2 放大器設計

由于末級主要決定放大器的功率和效率等特性，因此輸出級的設計變得非常關鍵。為了達到Ka 波段的目標輸出功率和效率，選擇了8×50μm 器件作為輸出級。在漏極偏壓為3.5V，直流電流為15mA 的條件下，對器件進行了諧波負載牽引仿真，得到了輸出功率和PAE 最高的最佳阻抗。圖2（a）和（b）示出了基頻為26GHz時的功率和PAE 等值線。根據可獲得24.0dBm 的最大輸出功率和40%的最大PAE 的阻抗，選取最優阻抗Zopt=14.4+j13.7（Ω）。

圖1：中功率放大器原理圖

圖2：負載牽引等勢圓，管子尺寸8×50um，頻率26GHz

圖3：放大器輸出匹配網絡

圖4：阻抗轉換圖

眾所周知，設計功率放大器最實用的方法是從輸出級開始，然后反向工作[14]。輸出匹配網絡將50Ω 的實際負載阻抗轉換為最佳電阻，從而為負載提供最佳電阻。由于該功率放大器的最佳負載電阻小于50Ω，因此必須使用阻抗變換網絡將功率放大器阻抗轉換為最佳電阻。圖3所示為將50Ω 負載阻抗轉換為期望的14.4+j13.7（Ω）的輸出匹配網絡，以獲得最大輸出功率。輸出匹配網絡包含5 個元器件：C1、C2、TL1、TL2 和TL3。圖4顯示了這5 個元器件將50Ω 負載阻抗轉換為期望阻抗的過程，其中TL2 在參與匹配的同時起到第三級管子Q3 漏極加電的作用。同理，選取合適的元器件和網絡結構形式，完成中間級的匹配。對于第一級的輸入匹配，在柵級增加了RC 網絡，來保證穩定性。

圖5：多層基板3D 電磁場模型

圖6：中功率放大器多層基板封裝照片

圖7：中功率放大器EVB 照片

圖8：輸出P-1、PAE-1 vs.頻率Vds=3.5V，Idq=26mA，參考端面為DUT

圖9：輸出功率、PAE、增益vs.信號源輸出功率，Vds=3.5V，Idq=26mA，參考面為DUT

圖10：S 參數測試結果，Vds=3.5V，Idq=26mA，參考面為DUT

2.3 封裝和3D電磁場仿真

本文采用多層基板嵌銅工藝再進行塑封，在保證產品毫米波性能的同時控制封裝成本。封裝采用的基板為4 層，內部包含放大器芯片和100pF 的對地芯片電容，實現電源濾波功能，盡量靠近芯片的柵極和漏極，芯片的壓點通過鍵合線、基板的2、3 層和過孔與封裝引腳互連。芯片底部為整體嵌銅工藝以保證良好的接地特性，受嵌銅工藝面積比例的限制，嵌入銅塊尺寸不能過大，否則容易造成基板翹曲，芯片電容的接地采用了傳統的通孔接地。

封裝的準確電學特性對封裝放大器的設計至關重要。為了提取多層基板和塑封的寄生現象，利用ADS 的3D FEM 三維電磁仿真器對多層封裝的整體結構進行了仿真，包括引線和塑封料，仿真設置如圖5所示。將這些寄生參數與放大器共同設計，以確保在毫米波頻段進行阻抗匹配。圖6所示為所提出的多層基板封裝放大器的照片。

3 測試結果

將多層基板封裝好的放大器連接到EVB 上，以便于測量評估。該封裝產品的EVB 采用Rogers RO4350B 制作，其中第1 層為射頻走線、第2 層為射頻地，1、2 層厚度為10mil，第3 層直流走線，第4 層為整體的地，射頻輸入輸出微帶線采用CPWG 結構，接頭采用Gwave 的50GHz 接頭，整體評估板如圖7所示。EVB 上采用低成本多層電容器（1nF 和10μF）進行直流去耦。

三級放大器的漏極和柵極在EVB 上分別通過0Ohm 連接在一起，這樣只需要一個正壓的漏極電源和一個正壓柵極電源。該放大器需要Vds=3.5V，Idq=26mA。本文報道的所有功率測量都是在連續波條件下進行的。采用Keysight N5183A 信號源和Keysight N1912A 功率計進行測量，輸出功率和附加效率特性曲線如圖8和圖9所示。測試結果顯示在25Gz～27GH，P-1 大于18dBm，PAE-1大于25%。

小信號S 參數測量使用Keysight N5244A 矢網，其結果如圖10所示。25GHz～27GHz 小信號增益大于18dB，輸入回波損耗小于-5dB，輸出回波損耗小于-10dB。

4 結論

本文報道了一款應用于5G 毫米波終端的低功耗中功率放大器。這個封裝尺寸是4.0mm×3.5mm，成功設計并實現了封裝級匹配網絡，以恢復芯片級性能。封裝后的放大器，在25GHz～27GHz 頻率范圍內，小信號增益（Gain）大于18 dB，輸出功率1dB 壓縮點（P-1）大于18 dBm，1dB 壓縮點的效率（PAE-1）大于25%，直流功耗45.5mW，很適合5G 毫米波手機終端的應用。