用于相控阵雷达的X波段GaN PA MMIC

有源相控阵雷达需要大量的功率放大器(PA)，它必须小巧、高效和低成本。本文介绍了涵盖9至11.5GHz频段的X波段PA MMIC，可以满足这些要求。它们能以功率增加效率(PAE)为42％的29dBm输入驱动实现7W(38.5 dBm)的输出功率。该设计是使用是德科技(Keysight)的ADS 2015、以UMS(GH25)的SiC工艺、用0.25μm栅极长度的GaN实现的。裸片尺寸(die size)仅为1.5mm×2mm，这意味着可以在单个4英寸直径的晶圆上制造出大约2300个PA。

相控阵雷达使用许多并联工作的发射器，以产生高的总体传输的射频功率水平。每个发射器输出端的射频放大器必须能够以可接受的成本有效地产生所需的射频功率。这些元件必须紧密相隔(间隔通常约为波长的一半)，该要求加上潜在的巨大的总耗散功率水平，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功率级别在5W至10W范围。GaN技术可以轻松实现这种功率水平，且实现起来可以很高效。这里描述的功放被设计成使得输出级具有足够的增益以允许借助现成的COTS技术提供输入驱动。功放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设计是在UMS(GH25)的0.25μm栅极长度GaN-on-SiC工艺上实现的。设计的第一步是晶体管级模拟，以确定合适的晶体管尺寸和偏置。晶体管可以产生的RF输出功率随着总栅极周延(periphery)的增加而增加。然而，晶体管的物理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晶体管，且必须认真考虑晶体管尺寸对性能的影响。

在选择最佳晶体管尺寸时要考虑的另一个因素是晶体管模型的有效范围。商业代工厂通常拥有包含可扩展晶体管模型的工艺设计套件(PDK)。虽然这些模型可以允许任意调整栅极宽度和叉指(finger)数量，但它们基于的数据来自所选的分立尺寸晶体管。在选择用于生成模型的晶体管时，最好尝试选择不需要太多外推(extrapolation)的晶体管尺寸。

考虑到这些因素，我们为规划的设计选择了8×150μm的晶体管。GH25晶体管的推荐Vd为25V；模拟时，比较了Psat、PAE和各种静态偏置电流的可用增益。图1显示了一组负载牵引曲线(load-pull contour)。所选晶体管尺寸的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。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模拟8×150μm晶体管的负载牵引。

此次，我们开发了具有两个功率组合的8×150μm晶体管的设计。

在计入片上偏置和匹配网络损耗的条件下，仍然超过了最小目标输出功率6W(37.7dBm)的要求。

然后，我们对所选晶体管实施进一步详细的负载牵引模拟。在给定负载阻抗范围内，绘制了以4-dB 压缩向负载传送的功率对应10GHz的PAE的曲线，如图2。图2中的每条迹线表示具有变化的虚部的负载阻抗的恒定实部。该分析用于选出在设计过程中用作目标的最佳负载阻抗11.25+j21.67Ω。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荷阻抗分析，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。

设计方法是将两个所选晶体管的RF输出进行功率组合。在整个设计过程中，努力确保了晶基面积最小化。这可以从下图3(a)中再现的布局图中清楚地看出。

图3：(a)，顶部、布局图；(b)，底部，X波段GaN PA的裸片照片。

同构的片上漏极偏置网络包括在IC的顶部和底部。它保持了对称性，并允许PA从任一侧偏置。用于提供漏极偏置的传输线也用作每个晶体管的漏极处的电感匹配，以实现将最佳感性负载阻抗提供给晶体管，以及确保二次和三次谐波终端能如愿以偿地定位。

在每个晶体管输出端使用高阻抗串联线，以将PA输出端的公共50Ω负载阻抗转换为晶体管漏极所需的较低阻抗。这是为了在每个晶体管的输出呈现出负载的最佳实部。

输入匹配网络是一种低通结构，它可在PA输入端将晶体管输入端的低阻抗转换为50Ω阻抗。两个PA通道之间包含有片上平衡电阻，以确保奇模(odd-mode)稳定性。栅极和漏极都包含片上RC去耦，以确保当GaN晶体管具有非常高的可用增益水平时的低频稳定性。

实现和测量性能

图3(b)所示是一种PA晶基照片。该晶基尺寸仅为1.5mm x 2mm，这意味着单个4英寸直径的晶圆可包含大约2300个功放IC。

在25V Vd和90mA Id的偏置下，在晶片上测量了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；在11GHz时，降至12.1dB。

建模和测试所得的小信号性能的比较绘制在图4中。测得的结果是虚线，建模(模拟)的性能是实线。可以看出，与建模结果相比，测试所得的性能频率略有上移，但吻合得相当好。

图4：比较在25V，90mA偏置条件下建模和测试的S参数值。

也测量了RF-on-Wafer(RFOW)的大信号性能。这是在25μs脉冲宽度、10％占空比的脉动操控下测得的。在静态偏置25V、90mA时，对5dBm、19dBm，29dBm和32dBm的RF输入功率进行了测量，测量结果绘制在图5(a)中。输入功率为29dBm，射频输出功率约为38.5dBm或7W。

图5：(a)顶部，RFOW测得的输出功率，和(b)RFOW测得的PAE(均为10％占空比、25μs PW)，输入功率分别为5dBm(红色)、19dBm(蓝色)、29dBm(绿色 )和32 dBm(橙色)，静态偏置为25V、90mA。

PAE(功率增加效率)的相应曲线如图5(b)所示。在29dBm的输入驱动下，在9到11.5GHz范围，PAE约为42％。

在9.7GHz频率，模拟和测试得到的功率传输特性绘制在图6中，表明具有非常好的一致性。

图6：9.7GHz频率，建模和测试所得的功率传输特性。

Meas: 测量值

Model: 模型

结论

已经介绍了9至11.5GHz GaN PA MMIC的设计、实现和测试性能的细节。该功放使用UMS PDK 在ADS 2015上进行设计、用UMS的GH25 GaN MMIC工艺实现。设计时考虑了有源相控阵雷达，在静态偏置为25V和90mA时、以29dBm、PAE为42％的输入驱动、实现了38.5dBm(7W)的RF输出功率。表2总结了测得的GaN PA性能。

表2：GaN PA MMIC的性能总结。

典型吸油烟机电路的识图方法，一看就懂

普通双电动机吸油烟机电路

图4-16所示是一种典型的普通双电机吸油烟机电路。该电路的核心元器件是电动机M1、M2，运转电容C1、C2，辅助元器件是琴键开关(组合开关)S，熔丝管FU1～FU3，指示灯EL。

图4-16 普通双电机吸油烟机电路

按下琴键开关S内的照明灯按键，照明灯EL的供电回路被接通，EL开始发光;按下左风道键或右风道键，接通左风道风机M1或右风道风机M2的供电回路，在运转电容C1或C2的配合下M1或M2开始运转，进行排污;当按下双风道按键时，M1和M2同时转动进行抽油烟;当按下停止键后，各按键自动复位，照明灯熄灭，电动机停转，整机停止工作，进入关机状态。

FU1是普通熔丝管，当电动机或运转电容发生短路引起大电流时，FU1过电流熔断，实现过电流保护。

FU2、FU3是温度型熔丝管。当M1、M2或其运转电容异常使它的表面温度升高并达到85℃时，FU3或FU2熔断，切断电动机供电线路，以免扩大故障，实现过热保护。

普通单电动机型吸油烟机电路

下面以方邦CXW-160-136型吸油烟机电路为例，介绍普通单电机型吸油烟机电路的识图方法。该电路的核心元器件是可变速电动机、启动电容，辅助元器件是照明灯、功能开关，如图4-17所示。

图4-17 方邦CXW-160-136型吸油烟机电路

1.吸油烟电路

在油烟较少时，按下慢速按键，市电电压通过慢速键的触点为电动机的慢速供电端子供电，电动机在启动电容(运行电容)的配合下低速运转，将油烟排到室外。当油烟较多时按下快速按键，市电电压通过快速键的触点为电动机的快速供电端子供电，电动机在启动电容的配合下高速运转，将油烟快速排到室外。风扇电动机运转时，按一下电动机开关键，电动机开关键断开，电动机失去供电而停转。

2.照明灯电路

按下照明开关键，照明灯的供电回路被接通，照明灯获得供电后被点亮。

3.过热保护电路

电动机内置了热保护器。当电动机或运行电容发生短路产生大电流，使电动机表面的温度升高，被热保护器识别后动作，它的触点断开，实现过热保护功能。

电脑控制型抽油烟机电路

下面以华帝CXW-200-204E型吸油烟机电路为例，介绍电脑控制型吸油烟机电路的识图方法。该电路由电源电路、微处理器电路、风扇电机及其供电电路、照明灯及其供电电路构成，如图4-18所示。

1.电源电路

电源电路的核心元器件是变压器T、整流管VD1～VD4、稳压器IC2、电容C5～C7。

将电源插头插入市电插座后，220V市电电压一路经继电器K1～K3为风扇电机、照明灯(图中未画出)供电;另一路通过电源变压器T降压输出11V左右的(与市电高低有关)交流电压。该电压经VD1～VD4构成的桥式整流器进行整流，通过C6滤波产生12V直流电压。12V电压不仅为K1～K3的线圈供电，而且通过三端稳压器78L05稳压产生5V直流电压。5V电压通过C4、C5、C7滤波后，为微处理器IC2(HA48R05A-1)、蜂鸣器供电。

RV是压敏电阻。市电电压正常时RV相当于开路，不影响电路的工作;一旦市电电压升高，它的峰值电压超过 470V 后 RV 击穿，使空气开关跳闸或熔断器熔断，以免电源电路等元器件过压损坏，实现市电过压保护。

2.微处理器电路

微处理器电路核心元器件是微处理器IC2(HA48R05A-1)、晶振B，辅助元器件是蜂鸣器、操作键等。

(1)微处理器工作条件

供电和复位：5V电压经电容C7、C5滤波后加到微处理器IC2的供电端 12 脚为它供电。同时，5V电压还作为复位信号加到IC2的 11 脚，使它内部的存储器、寄存器等电路复位后开始工作。

图4-18 华帝CXW-200-204E型吸油烟机电路

时钟振荡：IC2得到供电后，它内部的振荡器与 13、 14 脚外接的晶振B通过振荡产生4.19MHz的时钟信号，该信号经分频后协调各部位的工作，并作为IC2输出各种控制信号的基准脉冲源。

(2)按键及显示

微处理器IC2的①～④、⑨脚外接操作键和指示灯电路，按压操作键时，IC2的①～④、⑨脚输入控制信号，被它识别后，就可以控制该机进入用户需要的工作状态。

(3)蜂鸣器控制

微处理器IC2的⑥是蜂鸣器驱动信号输出端。每次进行操作时，它的⑥脚就会输出蜂鸣器驱动信号。该信号通过R12限流，再经VT1倒相放大，驱动蜂鸣器HA鸣叫，提醒用户吸油烟机已收到操作信号，并且此次控制有效。

3.照明灯电路

照明灯电路的核心元器件是照明灯(图中未画出)、微处理器IC2、照明灯操作键、继电器K2。

按照明灯控制键被IC2识别后，它从 16 脚输出的高电平控制电压经R13限流，再经激励管VT3倒相放大，为继电器K2的线圈供电，使K2内的触点闭合，接通照明灯的供电回路，使其发光。

VD6是保护VT2而设置的钳位二极管。在VT2截止瞬间，将K2的线圈产生的尖峰电压泄放到12V电源，以免VT2过压损坏，实现过压保护。

4.电机电路

该机电机电路的核心元件是微处理器 IC2、继电器 K1、K3 及其驱动电路、电机(采用的是电容运行电机，在图中未画出)，辅助器件是电机风速操作键，电机风速操作键具有互锁功能。

按高风速操作键被IC2识别后，它的 17 脚输出低电平控制信号， 15 脚输出高电平控制信号。 17 脚为低电平时VT2截止，继电器K1不能为电机的低速端子供电。而 15 脚输出的高电平控制电压通过R14限流，使VT4导通，为继电器K3的线圈提供导通电流，使它内部的触点闭合，为电机的高速端子供电，电机在运行电容的配合下高速运转。

按低风速操作键被IC2识别后，它的 17 脚输出高电平控制信号， 15 脚输出低电平控制信号。 15 脚为低电平时VT4截止，继电器K3不能为电机的高速端子供电。而 17 脚输出的高电平控制电压通过R11限流，使VT2导通，为继电器K1的线圈提供导通电流，使它内部的触点闭合，为电机的低速端子供电，电机在运行电容的配合下低速运转。

二极管VD5、VD7是钳位二极管，它的作用是在VT2、VT4截止瞬间，将K1、K3的线圈产生的最高电压钳位到12.5V，以免VT2、VT4过压损坏。

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