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  此款功率放大器芯片(PA)基于八单元行波单元放大器 (UA)。每个单元放大器包含一个由俩双指晶体管组成的射频共源共栅结构，每个晶体管的栅极宽度为20 µm。在输出级，一个平衡配置将两个UA与Lange耦合器相结合。在前面，第三个UA用作驱动放大器。功率放大器单片式微波集成电路(MMIC)采用35nm栅长变质高电子迁移率晶体管技术制备。从75 GHz到305GHz, PA的最小输出功率为10dBm，平均值为12.8 dBm。在200GHz时，峰值输出功率和PAE分别为14.9dBm和6.6%。这是第一个倍频程带宽的PA MMIC，在300GHz时提供10dBm的输出功率。

  在毫米波频段的上边沿提供具有高输出功率(Pout)的固态功率放大器(PAs)变得越来越重要。诸如点对点无线通信链路、高分辨率雷达系统和测量设备等应用扩展到高达300GHz的频率范围。在许多应用场景下，系统还需要较大的工作带宽。由于有限的器件增益和器件尺寸，PA设计在一定程度上是由高度并行化的响应匹配拓扑所决定的。然而，这是以有限的带宽为代价的，而倍频程带宽很难实现。基于 InP 异质结双极晶体管 (HBT) 或InGaAs高电子迁移率晶体管 (HEMT) 技术的最先进的 PA 单片微波集成电路 (MMICs) 可实现约200GHz及以上的工作频率。对于大约250GHz的频率，在182至265GHz的频率范围内，已证明的最高Pout为17.2-23.5 dBm;在300GHz左右，280至324GHz的频率可实现10.3-13.8dBm的最大Pout ;GaN技术在200GHz下的 Pout为16 dBm，但是，到目前为止，它们几乎没有超过200GHz的工作频率。硅基技术显示出8.1-9.6 dBm(200–230 GHz)的输出功率，但既不能提供III–V族技术的输出功率水平，也不能提供III–V族技术的带宽。

  在这项工作中，我们展示了宽带PA MMIC，其目标为3:1带宽，在300GHz时Pout为10 dBm。因此，所提出的PA-MMIC在输出级中包括两个平衡配置的八单元分布式单元放大器(UAs)。制造的MMIC(图1)在75到305GHz的频率范围内展示了10dBm的最小Pout，在200GHz处具有14.9dBm的峰值功率。

  图1.制作的PA MMIC的芯片照片，总尺寸为2.25 x 0.75 mm2。不带直流和射频焊盘的芯片占用面积为1.5 x 0.5 mm2。白色实线表示S参数测量的参考平面，白色虚线突出显示UAs。

  PA MMIC设计

  该单片集成电路基于Fraunhofer IAF 35nm In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As变质HEMT(mHEMT)技术。用分子束外延法在100mm的GaAs晶片上生长HEMT层，后端工艺采用三层互连金层，每层由苯并环丁烯(BCB)层隔开，背面工艺包括将晶圆减薄至50μm的厚度和衬底通孔。

  电路的主要部分设计有薄膜微带传输线 (TFMSLs)，使用第一金属 (MET1) 互连层作为接地层。MMIC的核心是UA，它基于八单元分布式放大器 (DA)。每个单元使用带有两个2 x 10μm HEMTs的射频共源共栅。器件尺寸的选择允许DA的设计达到至少300GHz的工作频率，而无需在单元输入端进行电容分压，并为高输出功率提供最大栅极宽度。图2(a)显示出了晶胞的示意图。选择两个晶体管 (TLgg) 之间的TFMSL和第二个栅极的电容以确保稳定运行和最大增益。第二个 HEMT (Vg2)) 的栅极偏置通过一个1kΩ电阻器提供，第一个栅极通过DA的栅极线偏置。为了避免共源共栅的不对称操作，栅极偏置路径中的串联电阻值相等。

  图 2.PA MMIC 示意图。(a) DA 的晶胞、(b) UA 和 (c) 整个 PA

  UA的示意图如图2(b)所示。放大器拓扑基于统一的DA，因此所有单元都是相同的。输入和输出线的特征阻抗为62Ω，长度分别为71和111μm。最后，输入和输出线分别用25Ω和60Ω电阻器端接。电阻通过大电容接地，单元的第一个晶体管(Vg1)的栅极偏置通过栅极线终端电阻馈电。漏极偏置(Vd)通过UA输出端的集成偏置三通供电。它由两个RF短路的四分之一波短截线组成，这些短截线针对频段的上部进行了优化。为了最小化射频损耗，输入和输出线以及偏置三通使用第三互连金属层。整个PA MMIC的框图如图 2(c) 所示。输出级在平衡配置中结合了两个UA。

  第三个UA用作PA输入端的驱动器。平衡输出级与两个Lange耦合器相结合，这两个耦合器针对频带的上部进行了优化。MET1 接地平面在Lange耦合器区域中打开。耦合条在MET1中实现。输出级中朝向UAs的输入和输出线的dc阻断电容器被集成到为Lange耦合器打开MET1接地层的区域中。这提供了三个优点-首先，连接Lange耦合器内部的传输线无论如何都是需要的，因此，提供了以较少额外损耗集成串联电容器的可能性。第二，由于开放的MET1平面，耦合器内部和MET1接地板边缘之间的传输线较宽，相当于50Ω TFMSL，因此对于相同长度，可以实现更大的电容，从而降低射频损耗。第三，减少了占用芯片面积，使功率放大器更加紧凑。由于Lange耦合器已经包含两个串联阻塞电容器，因此在驱动器UA的输出端不需要直流阻塞。在MMIC的输入端，采用了共面波导中的电容器。对于带有Lange耦合器的集成电容器，这使得电容器的下电极更宽，并且使得相同长度的电容更大。

  图3.测量(实线)和模拟(虚线)的S参数，从0.01到335GHz。将S参数校准到图1中白线所示的基准面。用1.8 V的电源电压和500 mA/mm的电流对放大器进行偏置。

  测量结果

  在不同的晶圆上测量了单片集成电路。为了更好地与模拟结果进行比较，将S参数校准到图1中用白线表示的晶圆上基准面。对于大信号测量，设置校准到射频探头尖端。对于所有测量，第一UA的栅极电压都受到控制，以便获得一定的漏极电流。两个输出UA与第一个UA共享相同的栅极电压。射频共源共栅上部晶体管的栅极对两个晶体管的对称漏源极电压进行偏置。表 I 总结了所提供的 PA MMIC 的小信号和大信号性能的测量结果。

  S参数用Anritsu VectorStar矢量网络分析仪(最高220 GHz)和Keysight PNA-X(带VDI WR3.4波导扩展，220至335 GHz)测量。校准是通过使用专用晶圆上标准的多线直通反射线 (mTRL) 算法完成的。测得的S参数如图3所示，电源电压为1.8 V，漏极电流为500 mA/mm。PA MMIC在65至305GHz 范围内表现出超过17.5 dB的小信号增益，并且在该频段的主要部分具有优于10 dB的输入和输出回波损耗。

  PA 的大信号性能在75至110、110至140、140至215和225至325GHz的频率范围内进行测量。前两个设置分别使用Keysight信号发生器和倍频器作为信号源，以及Keysight WR10和ELVA-1 WR6.5功率传感器。输入功率由电动波导衰减器控制。后一种设置基于带有VDI WR5.1和WR3.4波导扩展器的Keysight PNA-X。对波导扩展器进行了修改，以确保在给定功率水平下线性运行。

  图4.在(闭合符号)95GHz、(半闭合符号)140GHz和(开放符号)240GHz的工作频率下，测量了作为输入功率函数的单音连续波(CW)大信号性能。放大器的偏置电压为1.8V，静态电流为500mA/mm。

  图5.240GHz下测得的饱和输出功率随偏压变化的等高线图。黑色圆圈表示实际测量的偏置点。

  图7提供了工作频率超过200GHz的最先进宽带PA MMIC的概览。比较突出了这项工作对覆盖带宽为75–305 GHz和输出功率超过10dBm 的宽带PA MMIC的显着改进。在200 GHz下获得14.9 dBm的峰值输出功率。这展示了第一个倍频程带宽PA MMIC，在300 GHz的工作频率下具有10dBm的输出功率。所提出的PA MMIC是在Fraunhofer IAF 35nm栅极长度InGaAs mHEMT技术中制造的。MMIC在输出级采用八单元统一DA拓扑和基于Lange耦合器的功率组合。因此，本文的工作揭示了在高达300GHz的宽带系统中反应匹配PAs的一个有吸引力的替代方案，并展示了DAs在宽带应用中的优势。