Ku到Ka频段超宽带分布式放大器设计文献综述

 2022-11-24 10:11

文 献 综 述

随着近年来微波技术的快速发展,微波通信、制导、卫星通信以及军事类电子对抗战和雷达等领域对放大器的需求也越来越大。特别是因为无线电通信频率资源的日益紧张,分配到各类通信系统的频率间的间距越来越小,这对接收系统前端的器件,特别是放大器,提出了更高的要求。另一方面,由于新材料、新工艺不断出现,还有半导体技术的快速发展,使得微波有源电路的研制周期缩短,而且电路集成度越来越高,体积越来越小。因此,要适应未来形势的发展需要,就必须缩短设计周期,去研制高增益、体积小的超宽带分布式放大器,这是目前国内外各个应用领域的研究热点。

分布式放大器的工作原理是利用晶体管的寄生电容构成人工传输线,从而能够突破传统放大器的增益带宽积的限制,在很宽频带内(可达多倍频乃至十倍频以上) 得到较大的平坦增益,其应用领域包括高速链接、宽带无线收发器、高分辨率雷达和成像系统等等,军用和民用市场对其需求都很大,而微波功率放大器也是分布式放大器的重要应用领域之一,并且此类电路芯片已经实现了产品化,譬如Hittite Microwave公司的HMC459、HMC464、HMC930和HMC1022等系列芯片就是采用分布式放大器实现的宽带功率放大器【1】

由于军事设备和通信系统对于超宽带功放的要求,早在20世纪60年代,美国海军就已经开始着手研究超宽带功放【2】。而GaAs等半导体材料的发展与成熟,极大推动了功放向高频、宽带、高输出、高效率的方向前进。Qorvo、ADI等公司早已推出了超宽带功放模块,且价格昂贵【3】

由于传统分布式功放的效率较低,为了提高效率,在2001年,法国利摩日大学的Duperrier等人介绍了一种非均匀分布式功率放大器的设计方法,其主要思想是利用渐变的漏极传输线来使各级晶体管具有最佳的负载阻抗,同时避免了漏极吸收电阻对于输出功率和效率的影响【4】

2011年美国加州大学圣塔芭芭拉分校的Santhakumar基于0.2umGaN工艺设计了一个带宽为2-18GHZ的功放【5】,其采用了两级分布式结构,带内增益为18-21dB,饱和输出为0.8-2W,PEA为4%-15%,芯片面积为4*2mm2。既实现了极宽的带宽,也保证了较大的增益。

虽然分布式结构可以实现极宽的带宽,但其面积较大,效率、增益较低,虽可采用多级级联来提高增益,但这会占用大量芯片的面积,利用非均匀结构虽可提高效率,但是提高了设计难度【6】。2003年,美国AMCOM公司的Ezzeddine等人提出了一种新的高压,高功率结构,其在cascode结构中共栅晶体管的栅侧增加一个接地电容,该电容可以调节漏极电压在堆叠晶体管上的分配,同时通过电阻分压来提供共栅晶体管的栅极偏置,这种堆叠结构可以承受更高的电压,因而提高了功放的输出,也提高了功放所需的最佳负载值,降低了输出匹配电路的阻抗变换比,使其具有实现宽带的潜能【7】

2012年韩国首尔国立大学的Kir团队基于0.15umGaAspHEMT工艺设计了一款1-40GHZ的输出功率可调节的功放【8】,其采用分布式结构,其中每个分布单元为三层堆叠结构,通过控制各单元最下层两个晶体管的栅压来控制输出功率,高功率模式下,带内增益大于10dB,饱和输出功率为18.3dBm-26.7dBm,对应的栅极效率为5%-40%【9】

而在国内方面,由于我国半导体产业的落后,尤其是我国化合物半导体工艺的落后,导致我国对于超宽带功放的研究相对较晚,成果较少【10】。2000年南京电子器件研究所的陈雪军团队基于于0.15umGaAspHEMT工艺设计了一款带宽为2-26GHZ的功放【11】,其采用分布式结构,带内增益6.5dB,输出大于25dBm。2011年南京电子器件研究所的余旭明等人0.25umGaN工艺设计了一款带宽为6-18GHZ的功放,其采用三级电抗匹配结构,带内增益为25dB左右,输出约为6-10W【12】。2015年,中国科学院微电子所的陆宇等人基于CREE公司的GaN晶体管,采用宽带匹配的方式,并在晶体管漏极与栅极间引入RC负反馈结构设计了一个功放,其工作带宽为30MHZ-2600MHZ【13】

参考文献:

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