Монолитные интегральные схемы широкополосных усилителей мощности Ka-диапазона на основе GaAs pHEMT

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

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. 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

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

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.

1. A 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.2020.2989792

2. Huang 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/APMC55665.2022.10000027

3. A 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.2019.8702092

4. Nguyen 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.2016.2574831

5. Millimeter-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.2024.3356010

6. Разработка 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: 10.21293/1818-0442-2022-25-4-37-47

7. Systematic 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.2011.2155667

8. Freitag 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.1992.187971

9. Пат. 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.

10. Техническое описание MM3054. URL: https://millermmic.com/product/amplifiers/powerAmpl ifiers/MM3054 (дата обращения 20.01.2025).

11. Техническое описание QPA2225D. URL: https://www.qorvo.com/products/p/QPA2225D (дата обращения 21.01.2025).

12. Техническое описание MAAP-011341-DIE. URL: https://www.macom.com/products/product-detail/MAAP-011341-DIE (дата обращения 21.01.2025).

13. Техническое описание ADPA7002. URL: https://www.analog.com/en/products/adpa7002.html (дата обращения 21.01.2025).

14. 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: 10.1088/1742-6596/1145/1/012004

15. Техническое описание MP560. URL: https://www.micran.ru/upload/iblock/e6a/mtossh2ndfvj 80b04ujq2wiskw9etml2/MP560_V01.0004.pdf (дата обращения 31.01.2025).