radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-5-83-93radioelectronics-1076Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSМонолитные интегральные схемы широкополосных усилителей мощности Ka-диапазона на основе GaAs pHEMTKa-band GaAs pHEMT Wideband Power Amplifier MMICshttps://orcid.org/0000-0002-6792-1096ЕфимовА. С.EfimovAlexander S.

Ефимов Александр Сергеевич – кандидат технических наук (2024), ведущий инженер,

ул. Вокзальная, д. 2а, Фрязино, 141190.

Alexander S. Efimov, Cand. Sci. (Eng.) (2024), Lead Engineer,

2A, Vokzalnaya St., Fryazino 141190.

asefimov@istokmw.ruЕмельяновА. М.EmelianovArtem M.

Емельянов Артем Михайлович – инженер по специальности "Бытовая радиоэлектронная аппаратура" (2007, Ивановская государственная текстильная академия), ведущий инженер-технолог,

ул. Вокзальная, д. 2а, Фрязино, 141190.

Artem M. Emelianov, Engineer Specializing in Household Electronic Equipment (2007, Ivanovo State Textile Academy), Leading Process Engineer,

2A, Vokzalnaya St., Fryazino 141190.

amemelianov@istokmw.ruКривоноговаЕ. А.KrivonogovaEvgeniya A.

Кривоногова Евгения Александровна – магистр по направлению "Химия" (2017, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева), инженер-технолог 1-й категории,

ул. Вокзальная, д. 2а, Фрязино, 141190.

Evgeniya A. Krivonogova, Master of Chemical Sciences (2017, National Research Mordovia State University), Process Integration Engineer,

2A, Vokzalnaya St., Fryazino 141190.

eakrivonogova@istokmw.ruЗинкинС. Д.ZinkinSergey D.

Зинкин Сергей Дмитриевич – инженер по специальности "Микроэлектроника и твердотельная электроника" (2013, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева), инженер-технолог 1-й категории,

ул. Вокзальная, д. 2а, Фрязино, 141190.

Sergey D. Zinkin, Engineer Specializing in Microelectronics and Solid State Electronics (2013, National Research Mordovia State University), Process Integration Engineer,

2A, Vokzalnaya St., Fryazino 141190.

zinkin.sd@phystech.eduhttps://orcid.org/0000-0001-5889-4703ГрушаА. В.GrushaAlexander V.

Груша Александр Васильевич – инженер по специальности "Радиоэлектронные системы и комплексы" (2014, Севастопольский государственный университет), ведущий инженер АО «НПП "Исток" им. Шокина»,

ул. Вокзальная, д. 2а, Фрязино, 141190.

 

Alexander V. Grusha, Engineer Specializing in "Radio-electronic systems and complexes" (2014, Sevastopol State University), Lead Engineer,

2A, Vokzalnaya St., Fryazino 141190.

avgrusha@istokmw.ruАО «НПП "Исток" им. Шокина»РоссияJSC «RPC "Istok" named after Shokin»Russian Federation2025011220252858393Copyright © Ефимов А.С., Емельянов А.М., Кривоногова Е.А., Зинкин С.Д., Груша А.В., 20252025Ефимов А.С., Емельянов А.М., Кривоногова Е.А., Зинкин С.Д., Груша А.В.Efimov A.S., Emelianov A.M., Krivonogova E.A., Zinkin S.D., Grusha A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1076Введение

Введение. Монолитные интегральные схемы (МИС) усилителей мощности Kа-диапазона – неотъемлемая составляющая множества систем радиоэлектронной аппаратуры. Сферы применения включают радиолокацию, 5G-связь, измерительное оборудование. Разработка МИС усилителей Ka-диапазона и повышение их электрических характеристик является актуальной задачей.

Цель работы

Цель работы. Разработка двух типов МИС широкополосных усилителей мощности Ka-диапазона на основе технологического процесса GaAs pHEMT с длиной затвора 0.13 мкм.

Материалы и методы

Материалы и методы. В качестве базовой ячейки построения усилителей выбран транзистор 8 × 50 мкм. Первый тип усилителя включает 3 каскада, общая периферия затвора выходного каскада составляет 0.8 мм. Второй тип усилителя реализован в виде параллельного включения усилителя первого типа, реализуя синфазное деление и суммирование мощности по входу и выходу соответственно. Два типа МИС спроектированы на базе реализованного в АО «НПП "Исток" им. Шокина» технологического процесса GaAs pHEMT с длиной затвора 0.13 мкм. Проведены зондовые измерения S-параметров и выходной мощности как на уровне пластины, так и МИС в сборке. Режим питания непрерывный.

Результаты

Результаты. Выходная мощность насыщения МИС первого типа превышает 25.5 дБм при КПД более 19 % в диапазоне частот 26…38 ГГц, а МИС второго типа – более 28.4 дБм. Коэффициент усиления превышает

17

17.5 и 17 дБ для МИС усилителя первого и второго типов соответственно.

Заключение

Заключение. Изложены результаты разработки двух типов монолитных интегральных схем широкополосных усилителей мощности Ка-диапазона частот. Схемы реализованы на базе технологического процесса GaAs pHEMT с длиной затвора 0.13 мкм. Представленные МИС по совокупности выходных параметров обеспечивают мировой уровень достижений в разработке МИС усилителей Ka-диапазона.

Introduction

Introduction. Ka-band power amplifier MMICs are essential components of many electronic systems. Their application area covers radar, 5G communication, and test equipment. The design of a reliable power amplifier with high-performance characteristics is a challenging task.

Aim

Aim. Design of two types millimeter-wave wideband power amplifier (PA) MMICs by using 0.13 µm GaAs pseudomorphic high-electron mobility transistor (pHEMT) technology process.

Materials and methods

Materials and methods. A cell unit measuring 8 × 50 μm was used in the design of both amplifiers. The first PA MMIC included three stages, with the overall gate periphery of the third stage being 0.8 mm. The second PA MMIC was realized as a parallel combining of the first PA structure, using Wilkinson combiners. The two types of MMICs were fabricated through 0.13 μm GaAs pHEMT technology, realized at the Istok NPP. RF testing was carried out both on wafer and in assembly to measure S parameters and power characteristics under CW test conditions and different ambient temperature.

Results

Results. The first PA MMIC demonstrates a saturated output power of more than 25.5 dBm with an associated PAE above 19 % in the 26…38 GHz frequency band. The saturated output power of the second PA MMIC exceeds 28.4 dBm with more than 19 % PAE over the 26…38 GHz band. The circuits show a gain of 17.5 and 17 dB for the first and second PA MMICs, respectively.

Conclusion

Conclusion. Two types of millimeter-wave wideband PA MMICs were fabricated using 0.13 μm GaAs pHEMT technology. The designed PA MMICs represent devices with a wideband small-signal and power performance, which makes them suitable for wideband wireless communication, radar, and test equipment applications.

монолитная интегральная схемаGaAspHEMTмиллиметровый диапазон длин волнKa-диапазонусилитель мощностиMMICGaAspHEMTmillimeter waveKa-bandpower amplifierReferencesA Review of Technologies and Design Techniques of Millimeter-Wave Power Amplifiers / V. Camarchia, R. Quaglia, A. Piacibello, D. P. Nguyen, H. Wang, A.-V. Pham // IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2020. Vol. 68, № 7. P. 2957–2983. doi: 10.1109/TMTT.2020.2989792Camarchia V., Quaglia R., Piacibello A., Nguyen D. P., Wang H., Pham A.-V. A Review of Technologies and Design Techniques of Millimeter-Wave Power Amplifiers. IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2020, vol. 68, no. 7, pp. 2957–2983. doi: 10.1109/TMTT.2020.2989792Huang B.-W., Fu Z.-H., Lin K.-Y. A MillimeterWave Ultra-Wide Band Power Amplifier in 0.15-μm GaAs pHEMT for 5G Communication // Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), Yokohama, Japan, 29 Nov.–02 Dec. 2022. IEEE, 2022. P. 97–99. doi: 10.23919/APMC55665.2022.10000027Huang B.-W., Fu Z.-H., Lin K.-Y. A MillimeterWave Ultra-Wide Band Power Amplifier in 0.15-μm GaAs pHEMT for 5G Communication. Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC), Yokohama, Japan, 29 Nov.–02 Dec. 2022. IEEE, 2022, pp. 97–99. doi: 10.23919/APMC55665.2022.10000027A Wideband High Efficiency Ka-Band MMIC Power Amplifier for 5G Wireless Communications / D. P. Nguyen, X.-T. Tran, N. L. K. Nguyen, P. T. Nguyen, A.-V. Pham // IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS), Sapporo, Japan, 26–29 May 2019. IEEE, 2019. P. 1–5. doi: 10.1109/ISCAS.2019.8702092Nguyen D. P., Tran X.-T., Nguyen N. L. K., Nguyen P. T., Pham A.-V. A Wideband High Efficiency KaBand MMIC Power Amplifier for 5G Wireless Communications. IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS), Sapporo, Japan, 26–29 May 2019. IEEE, 2019, pp. 1–5. doi: 10.1109/ISCAS.2019.8702092Nguyen D. P., Pham A.-V. An Ultra Compact Watt-Level Ka-Band Stacked-FET Power Amplifier // IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2016. Vol. 26, № 7. P. 516–518. doi: 10.1109/LMWC.2016.2574831Nguyen D. P., Pham A.-V. An Ultra Compact Watt-Level Ka-Band Stacked-FET Power Amplifier. IEEE Microwave and Wireless Components Let. 2016, vol. 26, no. 7, pp. 516–518. doi: 10.1109/LMWC.2016.2574831Millimeter-Wave GaAs Ultra-Wideband Medium Power Amplifier and Broadband High-Power Power Amplifier for 5G/6G Applications / Z.-H. Fu, M.-X. Li, T.-G. Ma, C.-S. Wu, K.-Y. Lin // IEEE J. on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems. 2024. Vol. 14, № 1. P. 111–121. doi: 10.1109/JETCAS.2024.3356010Fu Z.-H., Li M.-X., Ma T.-G., Wu C.-S., Lin K.-Y. Millimeter-Wave GaAs Ultra-Wideband Medium Power Amplifier and Broadband High-Power Power Amplifier for 5G/6G Applications. IEEE J. on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems. 2024, vol. 14, no. 1, pp. 111–121. doi: 10.1109/JETCAS.2024.3356010Разработка масштабируемой малосигнальной модели 0.1 мкм GaAs-pHEMT-транзистора для усилительных применений / И. М. Добуш, К. В. Дудинов, Д. Д. Зыков, А. С. Сальников, А. А. Попов, А. М. Емельянов, Д. С. Брагин, Д. Р. Хайров // Докл. ТУСУР. 2022. Т. 25, № 4. С. 37–47. doi: 10.21293/1818-0442-2022-25-4-37-47Dobush I. M., Dudinov K. V., Zykov D. D., Salnikov A. S., Popov A. A., Emelyanov A. M., Bragin D. S., Khayrov D. R. Development of a Scalable Small-Signal 0.1 μm GaAs-pHEMT-Model for Amplifier Applications. Doklady TUSUR. 2022, vol. 25, no. 4, pp. 37–47. (In Russ.) doi: 10.21293/1818-0442-2022-25-4-37-47Systematic Approach to the Stabilization of Multitransistor Circuits / N. Ayllon, J.-M. Collantes, A. Anakabe, I. Lizarraga, G. Soubercaze-Pun, S. Forestier // IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2011. Vol. 59, № 8. P. 2073–2082. doi: 10.1109/TMTT.2011.2155667Ayllon N., Collantes J.-M., Anakabe A., Lizarraga I., Soubercaze-Pun G., Forestier S. Systematic Approach to the Stabilization of Multitransistor Circuits. IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2011, vol. 59, no. 8, pp. 2073–2082. doi: 10.1109/TMTT.2011.2155667Freitag R. G. A unified analysis of MMIC power amplifier stability // IEEE MTT-S Microwave Symp. Digest, Albuquerque, USA, 01–05 June 1992. IEEE, 1992. P. 297–300. doi: 10.1109/MWSYM.1992.187971Freitag R. G. A Unified Analysis of MMIC Power Amplifier Stability. IEEE MTT-S Microwave Symp. Digest, Albuquerque, USA, 01–05 June 1992. IEEE, 1992, pp. 297–300. doi: 10.1109/MWSYM.1992.187971Пат. RU 2814895 С1 H03F 3/00. Мозаичный гибридно-монолитный многокаскадный усилитель мощности СВЧ / К. В. Дудинов, А. М. Темнов, А. С. Ефимов. Опубл. 06.03.2024. Бюл. № 7.Dudinov K. V., Temnov A. M., Efimov A. S. Mozaichnyj gibridno-monolitnyj mnogokaskadnyj usilitel' moshhnosti SVCh [Mosaic Hybrid-Monolithic Multistage Microwave Power Amplifier]. Pat. RF, no. 2814895, 2024. (In Russ.)Техническое описание MM3054. URL: https://millermmic.com/product/amplifiers/powerAmpl ifiers/MM3054 (дата обращения 20.01.2025).MM3054 datasheet. Available at: https://millermmic.com/product/amplifiers/powerAmpl ifiers/MM3054 (accessed 20.01.2025)Техническое описание QPA2225D. URL: https://www.qorvo.com/products/p/QPA2225D (дата обращения 21.01.2025).QPA2225D datasheet. Available at: https://www.qorvo.com/products/p/QPA2225D (accessed 21.01.2025)Техническое описание MAAP-011341-DIE. URL: https://www.macom.com/products/product-detail/MAAP-011341-DIE (дата обращения 21.01.2025).MAAP-011341-DIE datasheet. Available at: https://www.macom.com/products/product-detail/MAAP011341-DIE (accessed 21.01.2025)Техническое описание ADPA7002. URL: https://www.analog.com/en/products/adpa7002.html (дата обращения 21.01.2025).ADPA7002 datasheet. Available at: https://www.analog.com/en/products/adpa7002.html (accessed 21.01.2025)Erofeev E. V., Shishkin D. A., Fedin I. V. Development of microwave monolithic integrated circuit of power amplifier 26–30 GHz band for information and communication systems of new generation (5G) // J. of Physics: Conf. Ser. 2019. № 1145. Art. № 012004. doi: 10.1088/1742-6596/1145/1/012004Erofeev E. V., Shishkin D. A., Fedin I. V. Development of Microwave Monolithic Integrated Circuit of Power Amplifier 26–30 GHz Band for Information and Communication Systems of New Generation (5G). J. of Physics: Conf. Ser. 2019, no. 1145, art. no. 012004. doi: 10.1088/1742-6596/1145/1/012004Техническое описание MP560. URL: https://www.micran.ru/upload/iblock/e6a/mtossh2ndfvj 80b04ujq2wiskw9etml2/MP560_V01.0004.pdf (дата обращения 31.01.2025).MP560 datasheet. Available at: https://www.micran.ru/upload/iblock/e6a/mtossh2ndfvj80b04ujq2wiskw9etml2/MP560_V01.0004.pdf (accessed 31.01.2025)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.