主动式相位阵列雷达需要大量的功率放大器（PA），它必须小巧、高效和低成本。本文介绍涵盖9~11.5GHz频段且能满足这些需求的X波段PA单芯片微波集成电路（MMIC）。
X波段GaN PA MMIC能以42%的功率附加效率（PAE），从29dBm驱动7W（38.5 dBm）的输出功率。该设计使用是德科技（Keysight Technologies）的ADS 2015，在UMS（GH25）的碳化硅（SiC）工艺上实现0.25μm闸极长度的氮化镓（GaN）。该GaN裸芯片的尺寸仅1.5mm x 2mm，意味着可以在单个4寸直径的晶圆上制造出大约2300个功率放大器。
相位阵列雷达使用许多并联操作的发射器，以产生较高的总传输射频（RF）功率水准。在每个发射器输出端的RF放大器必须能够以可接受的成本有效地产生所需的RF功率。这些元件必须紧密相隔（间隔通常约为波长的一半），而这个要求加上潜在巨大的总耗散功率水准，可能对雷达设计团队构成巨大挑战。PA通常是功耗的关键因素，因此，具有高效率的PA非常值得期待。
每个发射元件所需的典型RF功率级大约在5W～10W范围。GaN技术可以轻松实现这一功率水准，实现起来也可以很高效。这里所描述的放大器被设计成可让输出级具有足够的增益以允许借由现成可用的技术提供输入驱动。该放大器的目标性能要求（见表1）。
表1：PA的目标性能要求
设计和布局
该PA设计采用UMS（GH25）的0.25μm闸极长度GaN-on-SiC工艺。设计的第一步是电晶体级模拟，以确定合适的电晶体尺寸和偏置。电晶体可以产生的RF输出功率随着总闸极周边的增加而增加。然而，电晶体的实体尺寸在电气方面变得越来越重要，由于分布寄生效应的影响，大信号和小信号的性能都将开始降低。因此，微波频率PA通常利用多个功率组合电晶体，但必须谨慎考虑电晶体尺寸对性能的影响。
在选择最佳电晶体尺寸时要考虑的另一个因素是电晶体模型的有效范围。商业代工厂通常拥有包含可扩展电晶体模型的工艺设计套件（PDK）。虽然这些模型可能允许任意调整闸极宽度和叉指（finger）数量，但这都是根据来自各种不同尺寸电晶体选择的资料。在选择用于产生模型的电晶体时，最好尝试选择不需要太多外插（extrapolation）的电晶体尺寸。
考虑到这些因素，我们为规划的设计选择了8 x 150μm的电晶体。针对GH25电晶体推荐使用的Vd为25V；在进行模拟时比较Psat、PAE和各种静态偏置电流的可用增益。图1显示一组负载牵引曲线。所选电晶体尺寸的Psat（@4dB压缩）约为36.5dBm（4.4W），并且仅随静态偏置的变化而小幅改变。静态偏置电流的降低改善了PAE，但小信号增益也降低了。该设计采用的静态偏置电流（Id）为45mA（37.5mA/mm）；在设计过程中还检视了较高的90mA（75mA/mm）偏置电流的性能，以评估更高的偏置电流可能带来的性能优势。
图1：使用ADS 2015在8×150μm的电晶体上进行负载牵引模拟
此次，我们开发了具有两个功率组合的8 x 150μm电晶体的设计。
在考虑晶片上偏置和匹配网络损耗的条件下，该设计仍然超过了最小目标输出功率6W（37.7dBm）的要求。
然后，我们对所选电晶体实施更详细的负载牵引模拟。在指定负载阻抗的范围内，绘制了以4dB压缩向负载传送的功率对应10GHz的PAE的曲线，如图2。图2中每条轨迹线表示负载阻抗的恒定实际部份以及具有变化的虚拟部份。该分析用于选出在设计过程中用于作为目标的11.25+j21.67Ω最佳负载阻抗。在进行详细的电路设计时，也进行了二次谐波和三次谐波的最佳负载阻抗分析，并在电路设计时予以考虑。
图2：各种基本负载阻抗的模拟PAE和Pout
该设计途径是将两个所选电晶体的RF输出进行功率组合。在整个设计过程中，重点在于确保了芯片面积最小化。这可以从下图3(a)中再现的布局图中清楚地看出。
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图3：X波段GaN PA裸芯片的(a)顶部、佈局轨迹；以及(b)底部
在IC的顶部和底部包括了同质的芯片上漏极偏置网络。这保持了对称性，并让PA得以从任一侧偏置。用于提供漏极偏置的传输线也用于为每个电晶体漏极处的电感匹配，以便将最佳电感负载阻抗提供给电晶体，以及确保二次和三次谐波终端能如愿以偿地定位。
在每个电晶体输出端使用高阻抗串联线，将PA输出端的共同50Ω负载阻抗转换为电晶体漏极所需的较低阻抗。这是为了在每个电晶体的输出呈现出负载的最佳实体部份。
输入匹配网络是一种低通结构，可在PA输入端将电晶体输入端的低阻抗转换为50Ω阻抗。两个PA通道之间包含芯片上平衡电阻，以确保奇模（odd-mode）阻抗的稳定性。闸极和漏极都包含芯片上RC去耦，以确保当GaN电晶体具有极高可用增益水准时的低频稳定性。
具体实现和测量性能
图3(b)显示PA裸芯片照片。该裸芯片尺寸仅为1.5mm x 2mm，这意味着单个4寸直径的晶圆可包含大约2300个功率放大器IC。
在25V Vd和90mA Id的偏置下，在芯片上测量了40个放大器的s参数，并绘制曲线。在9GHz时测得的小信号增益为14dB，而在11GHz时降至12.1dB。
图4显示建模和测试较小信号的性能比较。测得的结果以虚线表示，建模(模拟)的性能则是实线。可以看出，相较于建模的结果，测试所得的性能频率略有上移，但仍保有一致性。
图4：比较在25V、90mA偏置条件下建模和测试的S参数值
同时为较大的信号性能测量其RF-on-Wafer（RFOW）值。这是在25μs脉冲宽度、10%工作週期的脉冲操作下测得的。在25V、90mA的静态偏置下，针对5dBm、19dBm、29dBm和32dBm的RF输入功率进行了测量，测量结果绘制于图5(a)。输入功率为29dBm，RF输出功率约为38.5dBm或7W。
图5：在25V、90mA静态偏置时，针对5dBm(红色)、19dBm(蓝色)、29dBm(绿色)和32dBm(橙色)的输入功率进行测量，分别测得(a) RFOW的测量输出功率(上图)，以及(b)RFOW的测量PAE(均为10%工作周期、25μs PW)
PAE的相应曲线如图5(b)所示。在29dBm的输入驱动下，PAE在9～11.5GHz范围时约为42%。
在9.7GHz频率时，模拟和测量所得的功率传输特性绘绘制图6，显示具有非常好的一致性。
图6：在9.7GHz频率时，建模和测试所得的功率传输特性
结论
本文介绍了9～11.5GHz GaN PA MMIC的设计、实现和测试性能的细节。该放大器使用UMS PDK在ADS 2015平台上进行设计，并以UMS的GH25 GaN MMIC工艺实现。在设计时考虑了主动式相位阵列雷达，并在25V、90mA的静态偏置时，从29dBm、42% PAE的输入驱动中产生38.5dBm(7W)的RF输出功率。
延伸阅读：
《雷达传感器市场-2016版》
