基于氮化鎵二極管的高線性限幅器設(shè)計(jì)及研究

劉飛飛，史 磊，孫一航

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

0 引言

隨著電子技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)對(duì)接收鏈路的線性度要求不斷提高，而ADC前級(jí)限幅保護(hù)電路的高線性度與低泄露功率之間的矛盾凸顯出來(lái)。在ADC 的保護(hù)方面，傳統(tǒng)的自動(dòng)增益控制（AGC）電路和限幅器存在著一些限制，存在起限功率較低、漏功率較高、以及線性度不足等缺點(diǎn)[1]。

GaN 材料因其禁帶寬度大、反向擊穿電壓高和散熱性能優(yōu)越而被選用，確保了高線性限幅器的高耐功率和高可靠性。為了克服傳統(tǒng)AGC 電路和限幅器之間的矛盾，本文提出了一種基于氮化鎵（GaN）PIN 二極管的高線性限幅器，該限幅器采用薄膜混合集成工藝，在5mm×5mm×2.5mm 的一體化陶瓷表貼封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100MHz～1000MHz 的工作帶寬、40dBm 耐功率與26dBm 的輸入P-1dB 指標(biāo)，體積小巧，性能優(yōu)異。該限幅器非常適合用于在復(fù)雜的電磁環(huán)境中ADC 芯片的功率防護(hù)。

1 電路基本原理

1.1 PIN 二極管限幅原理

在射頻信號(hào)輸入功率較小時(shí)，PIN 二極管的I 層（本征層）表現(xiàn)出較高的電阻，射頻信號(hào)正常通過(guò)限幅電路。當(dāng)輸入功率增加到一定程度時(shí)，二極管內(nèi)的載流子數(shù)量增多，此時(shí)二極管開(kāi)始導(dǎo)通，限幅電路隔離度變大。當(dāng)輸入功率達(dá)到一定水平后，導(dǎo)通后的電阻值會(huì)保持在較低的水平，即使輸入功率繼續(xù)增加，限幅電路的隔離度也不會(huì)改變。圖1 為限幅器輸入輸出功率曲線。

圖1 限幅器輸入輸出功率曲線

圖2 為PIN 二極管芯片剖面及其射頻等效電路。在限幅器電路中，PIN 二極管可以使用電荷控制理論和射頻電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)來(lái)建模。在正向偏置狀態(tài)下的PIN二極管可以有效地表示為一個(gè)電流控制的可變電阻[1]。通過(guò)電阻的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度的限制，即限幅功能。

圖2 PIN 二極管剖面及其射頻等效電路

1.2 線性度分析

限幅器線性度通常可以用1dB 功率壓縮點(diǎn)表征，即隔離度達(dá)到1dB 的狀態(tài)。限幅器電路通常由PIN 二極管并聯(lián)到地構(gòu)成，此時(shí)限幅器隔離度由式（1）決定。

式中：Z0——特性阻抗；Ri——二極管正向?qū)娮琛８綦x度為1dB 時(shí)的正向?qū)娮杓s為205Ω。

參考文獻(xiàn)[2]中詳細(xì)介紹了PIN 二極管正向?qū)〞r(shí)串聯(lián)電阻Ri 的計(jì)算方法，當(dāng)限幅器施加交流信號(hào)時(shí)，PIN 二極管的正向?qū)娮栌墒剑?）決定，載流子擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算如式（3）所示。

式中：W——PIN 二極管I 層厚度；f——功率信號(hào)頻率；q——電子電荷量，等于1.602×10-19C；Dap——載流子擴(kuò)散系數(shù)；k——玻爾茲曼常數(shù)；T——絕對(duì)溫度；Irf——正向偏置電流；μ——載流子遷移率。

圖3 為PIN 二極管剖面圖及其射頻等效電路，根據(jù)圖3 電路結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)線性度指標(biāo)為給定值時(shí)，即此時(shí)的輸入功率已明確，那么流經(jīng)串聯(lián)電阻的電流Irf為恒定值。根據(jù)式（2）和式（3），只有調(diào)整I 層厚度W 或者電子遷移率，才能得到合適的導(dǎo)通電阻。

圖3 限幅器等效電路圖

1.3 移相原理

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入電壓有上限且對(duì)信號(hào)的線性度有較高要求，本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款高線性限幅器。期望該限幅器的輸入P-1達(dá)到26dBm，同時(shí)將漏功率控制在30dBm 以下。

這種限幅器很難通過(guò)單級(jí)實(shí)現(xiàn)，需增加限幅器級(jí)數(shù)，并將級(jí)間間隔控制到λ/4 電長(zhǎng)度來(lái)降低漏功率。線性限幅器工作原理如圖4 所示，頻率高時(shí)使用微帶線調(diào)整級(jí)間電長(zhǎng)度，頻率低時(shí)可以采用集總元件移相[3]。

圖4 線性限幅器工作原理

由集總元件電感電容組成的移向網(wǎng)絡(luò)中，電容量和電感量用式（4）和式（5）得出[4]。

式中：ω——角頻率；Z0——特性阻抗。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 限幅器設(shè)計(jì)

增加PIN 二極管的I 層厚度，可以增加限幅器的串聯(lián)電阻，提高線性度。但同時(shí)會(huì)降低其響應(yīng)速度并提高漏功率的尖峰泄露。另一方面過(guò)厚的I 層厚度會(huì)增加PIN 二極管的導(dǎo)通電阻，使限幅器的耗散功率變大[5]。

本設(shè)計(jì)采用GaN 工藝設(shè)計(jì)制造PIN 二極管。GaN材料具有較低的電子遷移率，其制成的PIN 二極管在流經(jīng)相同電流時(shí)，具有更大的導(dǎo)通電阻。此種方法可以提高線性度，滿足P-1要求。表1 為常見(jiàn)的PIN 二極管材料的特性對(duì)比。

表1 常見(jiàn)的PIN 二極管材料的特性對(duì)比

在本論文中，采用了雙級(jí)限幅結(jié)構(gòu)，并在兩級(jí)之間插入T 型移相網(wǎng)絡(luò)。為了平衡產(chǎn)品的高頻與低頻性能，并考慮整體帶寬，選擇了1000MHz 作為移相網(wǎng)絡(luò)的中心頻率。

由式（4）和式（5）計(jì)算得：

2.2 軟件仿真

使用電磁仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，其中PIN 二極管模型使用A.G.M.Strollo 提出的模型[6]，并將I 層厚度、器件參數(shù)等帶入模型。移相網(wǎng)絡(luò)中電感模型選擇貴州順絡(luò)迅達(dá)QEC0402 系列8nH，電容采用MIS3.2pF 電容，設(shè)置1000MHzQ 值為50。線性限幅器仿真電路如圖5 所示。

圖5 線性限幅器仿真電路

限幅電路小信號(hào)及大信號(hào)特征仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 小信號(hào)及大信號(hào)特性仿真結(jié)果

3 電路測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的高線性限幅器采用混合集成電路工藝制作，為保證其高可靠性，采用一體化陶瓷管殼進(jìn)行電路封裝，最終實(shí)物如圖7 所示，產(chǎn)品尺寸僅為5mm×5mm×2.5mm。小信號(hào)及大信號(hào)特性實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8 所示，其中大小信號(hào)采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試，小信號(hào)測(cè)試時(shí)，輸入功率為-20dBm；大信號(hào)輸入1dB 功率測(cè)試時(shí)，輸入功率從15dBm 掃描至30dBm，間隔0.5dBm；大信號(hào)漏功率測(cè)試時(shí)，輸入功率為40dBm，掃頻間隔150MHz。

圖7 線性限幅器實(shí)物

圖8 小信號(hào)及大信號(hào)特性實(shí)測(cè)結(jié)果

由實(shí)測(cè)結(jié)果看出，輸出P-1＞26dBm，漏功率＜30dBm。

4 結(jié)論

本文成功設(shè)計(jì)了一款基于氮化鎵（GaN）PIN 二極管和薄膜混合集成工藝的高線性限幅器，有效解決了傳統(tǒng)自動(dòng)增益控制（AGC）電路和限幅器在大信號(hào)環(huán)境下的性能指標(biāo)不足問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試，該限幅器在100MHz至1000MHz 的寬頻帶內(nèi)插入損耗小于0.6dB，輸入P-1dB大于26dBm，最大可以承受連續(xù)波功率10W。本研究實(shí)現(xiàn)了線性限幅器技術(shù)的重大突破，為現(xiàn)代無(wú)線電系統(tǒng)提供了一種高效、可靠的微波防護(hù)方案。