230GHz硅基宽带功率放大器设计

【作者】 于佳阳； 陈继新； 周培根； 李焕波； 洪伟；

【机构】 东南大学；

【摘要】 由于亚太赫兹频段具有丰富的频谱资源,针对该频段超高速率通信应用的研究逐渐成为一个重点,包括光纤通信、短距离高分辨率雷达等。而硅基工艺的快速发展,则为这些研究提供了化合物工艺以外新的低成本解决方案。而为了实现高动态范围压缩和低信噪比,超高速率通信对放大器提出了很高的要求。针对亚太赫兹的通信应用,本文设计了一个基于低损耗四路合成架构的宽带亚太赫兹功率放大器。功率合成技术主要可分为三种:1)Wilkinson功率合成,2)基于变压器的功率合成和3)零度功率合成。基于传输线的威尔金森合成结构在设计频率下端口具有良好的隔离度和匹配。然而,传输线具有较大的电长度,并且与基于变压器的网络相比,其带宽相对较窄。当工作频率偏离设计频率或存在较大寄生时,端口隔离和匹配将会恶化。基于变压器的合成网络可分为1)电流合成和2)电压合成。对于变压器结构,由于线圈间的寄生电容,共模信号和噪声可以传输到输出端。而在亚太赫兹频段,这一效应将显著增强,制约了变压器在该频段的使用。而在这一频段,Marchand巴伦的共模转换远低于变压器,从而具有更小的插入损耗。零度功率合成网络则是直接合成多条路径的电流以获得大功率。在亚太赫兹频段,T型节的合成结构具有紧凑的尺寸和较低的插入损耗。为了优化每个放大器通道的输出功率和效率,需要一个阻抗变换网络。该功放的输出合成结构由一个改进的四路零度合成网络和三导体Marchand巴伦组成,能在功率合成的同时实现宽带匹配。传统的零度合成网络采用旁路电容来进行直流馈电结,而这样的结构限制了网络带宽。文中功放使用的零度合成网络包含用于直流馈电的虚地点,更有助于输出的宽带匹配。为了进一步提高带宽,可以在输出端采用双LC谐振腔技术。但是在亚太赫兹频段,由于集总元件的低Q值带来的高插损,多谐振宽带匹配只能由分布式网络实现。文中采用的三导体Marchand巴伦将两个谐振网络吸收到耦合结构中,从而实现了双谐振宽带匹配。通过基于理想变压器的等效模型分析,可以将巴伦版图的提取参数与谐振腔参数建立联系。在输入端,不同于较常见的无源或有源功分结构,该放大器采用了一种混合功率分配方式。输入功率首先通过一个折叠无源功分器产生两对平衡的差分信号,然后经过两个并联有源功分器来达到要求的驱动功率。该混合式结构在使用相同功耗下可以获得更高的增益。基于以上改进,该亚太赫兹功率放大器实现了大带宽和高输出功率。文中三级功率放大器增益超过15 dB,3 dB带宽大于50 GHz。在210 GHz到250 GHz范围内,饱和输出功率超过10 dBm。由于使用了折叠式的输入分配器和紧凑的功率合成结构,放大器核心面积只有770μm×280μm。更多还原