该图显示了两种单片微波集成电路(MMIC)放大器芯片优化,在90到130 GHz的频率范围内,覆盖了几乎所有F波段(90 - 140 GHz)。这些放大器专为天文无线电望远镜中的本地振荡器单元而设计,例如Atacama大毫米阵列(ALMA)。它们也可以随时适用于电子测试设备,汽车雷达系统和在90到130 GHz之间运行的通信系统。

这些MMIC放大器芯片在90至130 GHz的频率范围内操作。顶部显示的芯片的最终阶段包含双向动力组合器;底部所示芯片的最终阶段包含四通功率组合器。

已经发表了很多关于MMIC功率放大器芯片和模块在Wband (75 - 110ghz)的低频工作的文章。这种芯片通常提供50 ~ 300mw的输出功率每0.6 ~ 1.2 mm的晶体管上的栅极边缘,并包含GaAs或InP高电子迁移率晶体管(HEMTs)或InP异质结双极晶体管。这种芯片上的射频互连主要是用微带传输线进行的,这对于大型八路功率组合网络来说特别方便。对于更高的频率,使用接地共面波导传输线可能更有利,以避免微带电路中为晶体管提供接地所需的附加源电感。目前的90-130 GHz MMIC放大器是利用共面波导电路来提高w频段以外功率放大器的工作频率的产物,同时也增加了在芯片上功率组合的晶体管数量(因此,最大输出功率)。

设计工作在w频段以上的MMIC功率放大器的挑战之一是晶体管的选择。尽管InP双异质结双极晶体管开始获得发展,但栅长度不大于0.12 μm的InP hemt是目前最成熟的技术。第二个挑战是在更高频率匹配网络的限制下,将尽可能多的大外围晶体管进行功率组合。最好的w波段功率放大器使用八路功率合成器,总栅极外围为1.2 mm。由于功率组合场效应晶体管(fet)涉及在fet之间放置源过孔,随着波长的减小,功率组合结构的紧凑性变得更加困难。受设计规则、制造工艺和传输线电路元件载流能力限制的一个结果是,匹配网络的共面波导阻抗范围大约限制在23到65 Ω之间。

目前设计的两种MMIC放大器芯片就是考虑到这些挑战和限制。这些芯片上的晶体管是由HRL实验室的分子束外延生长的0.11 μm栅长AlInAs/GaInAs/InP HEMT器件。这些晶体管表现出典型的直流跨导为1050 mS/mm,击穿电压为4 V。晶体管包括四个栅指,每个栅指宽37 μm,使其总外周为148 μm。该电路在50 μm厚InP衬底上采用接地共面波导传输线形成。顶接平面和背面金属之间的过孔用来抑制不需要的衬底波导模式。图中上部所示的芯片包含三个阶段。最后一级包含两个功率组合hemt,因此输出级的总栅极边缘约为300 μm。图中下方所示的芯片包含三个阶段。该芯片的最后一个阶段包含一个四路功率合成器的输出;因此,该芯片输出级的总栅周约为600 μm。 The amplifier chips were mounted in waveguide modules. When tested, these amplifier modules exhibited gains of 15 to 20 dB and output powers from 20 to 45 mW — the highest output powers thus far obtained from any solid-state amplifier modules above 110 GHz.

这项工作由Lorene Samoska,David Pukala和Caltech的Alejandro Peralta为NASA的喷射推进实验室完成;Eric Bryerton,Matt Morgan和T.国家射频天文学天文台的博伊德;和明虎的HRL Laboratories,LLC,Ming Hu和Adele Schmitz。


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MMIC放大器为90至130 GHz

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本文首先出现在2007年10月期问题NASA技金宝搏官网术简介杂志。

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