基于合成技术的毫米波太赫兹固态功放研究进展

杜佳谕，成海峰，朱翔，郭方金，王维波; DU Jiayu; CHENG Haifeng; ZHU Xiang; GUO Fangjin; WANG Weibo

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杜佳谕
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成海峰
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朱翔
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郭方金
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王维波

南京电子器件研究所，江苏南京 210016

中图分类号： TN73

最近更新：2023-11-28

DOI：10.11805/TKYDA2022245

摘要

随着下一代通信和装备向着更大带宽和更高精确度的方向发展，毫米波太赫兹频段成为微波技术研究的重点方向。发射功率是太赫兹系统中的关键指标，功率的大小直接决定了系统的作用距离。近些年来，毫米波太赫兹频段的固态功率器件取得了显著进步，推动了国内外太赫兹固态功率放大器的工程实现。本文介绍了国际上毫米波太赫兹频段功率合成技术和固态功放的研究现状，以及我国特别是南京电子器件研究所在W波段与G波段基于径向功率合成技术、矩形波导合成技术以及硅基波导合成技术的固态功放模组的最新研究进展。

关键词

W波段; G波段; 毫米波; 太赫兹; 功率合成; 固态功放

毫米波太赫兹频段相比微波频段具有频谱范围宽、信息容量大、分辨力高、抗干扰性好等优点，对于高精确度装备发展和下一代通信技术的发展具有重大意义^[

1-2]。在毫米波太赫兹系统中，发射功率是一个重要的指标，直接影响探测、成像或通信的作用距离。目前成熟的大功率固态放大器已经可以覆盖至Ka波段^{[参考文献 3-4}3-4]，而W波段以及太赫兹频段，国内固态功率放大器目前还处于刚起步阶段。

随着国内外化合物半导体技术的发展，单个功率器件的输出功率目前在W波段达到了数瓦的量级^[

5-8]，在G波段达到了数十毫瓦的量级^{[参考文献 9-10}9-10]。但单个固态器件的功率输出能力远达不到工程应用的需求，因此近些年来国内外开展了毫米波太赫兹固态功率合成技术的研究，并在W波段、G波段等典型频段实现了大功率固态功率模组。本文介绍了国外W波段和G波段固态功率合成放大器的研究现状和南京电子器件研究所在W波段与G波段功率合成技术与固态功放模组的最新研究进展。

1 国外毫米波太赫兹固态功率合成放大器研究现状

2010年前后，国外开始出现了基于GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)工艺的W波段功放芯片研究报道。随后，关于W波段的功率合成的研究报道陆续发布。2014年以后，国外出现了基于InP HBT(Heterojunction Bipolar Transistors)的G波段功放芯片的研究报道，随后美国发布了多个G波段功率合成研究成果的报道。

美国HRL(Hughes Research Laboratory)实验室2012年发布W波段GaN功率放大器芯片，实现在93.5 GHz处最大输出功率2.138 W，效率为19%；在92~96 GHz频段内，输出功率大于1.5 W，效率大于17.8%^[

11]。

美国Quinstar公司2015年发布W波段GaN功率放大器芯片。采用美国HRL公司0.1 μm GaN HEMT工艺研制的W波段功放芯片，在75~100 GHz频率范围内，输出功率大于2 W，最大输出3.1 W^[

6]。

2019年，Teledyne公司发布一款基于InP HBT的功放芯片，在115~150 GHz可获得超过125 mW的输出功率，在140 GHz处大信号增益17.5 dB，功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)为9.8%，可获得153 mW的最大输出^[

12]。

Quinstar公司还发布了多项功率合成的研究成果，2010年将12路400 mW功放芯片进行合成，频率范围为94~98 GHz，获得5 W的输出功率，合成效率为87.5%^[

13]；2016年该公司采用同样的12路径向合成结构和2路波导合成结构，将24个单片合成，获得37 W的输出功率，频率范围为75~100 GHz，合成效率达到84.5%^{[参考文献 14

百度学术}14]。

2022年，美国Raytheon公司提出一种W波段脉冲固态功率放大器，采用128路合成器合成128个高性能GaN功放芯片，在92~96 GHz频段内，实现在脉宽30%的脉冲输入下，输出功率大于63 W，最大功率79 W；在脉宽0.1%的脉冲输入下，最大输出功率能达到100 W^[

15]，如图1所示。

图1 Raytheon公司W波段100 W合成固态功放

Fig.1 W-band 100 W synthesized solid-state power amplifier of Raytheon

由于G波段功率器件起步较晚，国内外报道较少。2014年NG公司报道了一款G波段功率放大器，芯片采用250 nm InP HBT工艺，总的发射极面积为18 μm²。放大器在210~230 GHz频段实现增益大约5 dB，在210 GHz实现最大饱和输出功率

90 mW，PAE为10%^[

16]。同年，美国Teledyne公司采用0.25 μm InP HBT工艺，实现了在220 GHz输出功率大于200 mW的功放

芯片^[

10]。

2019年，德国斯图加特大学的Benjamin Schoch联合弗劳恩霍夫应用固体物理研究所提出一种基于35 nm InGaAs的宽带H波段功率放大器。在264 GHz处小信号增益14.7 dB；在280 GHz处输出饱和最大功率6.7 dBm^[

17]。

2020年，Teledyne公司提出一种基于250 nm InP工艺的G波段功率放大器，在160~185 GHz频率范围内，饱和输出功率大于177 mW，增益大于12.2 dB，PAE大于5.4%；最大输出功率在

170 GHz处为244 mW，增益14.1 dB，PAE为7.5%^[

18]。

2022年，Teledyne公司基于250 nm InP HBT工艺，设计了一种G波段功率放大器。在150~175 GHz频段内，输出功率为204~250 mW，增益大于17 dB，PAE为13.1%~15.7%^[

19]。

2015年，美国Raytheon公司采用70 mW功放芯片实现了32路合成的功放模组，在220 GHz输出功率大于700 mW^[

20]，如图2所示。同年，Teledyne公司与Nuvotronics公司合作，基于80 mW芯片，制作了16路合成功放模组，在216 GHz实现了820 mW的输出功率^{[参考文献 21

百度学术}21]。

图2 Raytheon公司G波段32路波导合成功放

Fig.2 G-band 32-channel waveguide composite power

amplifier of Raytheon

2 国内毫米波太赫兹固态功放芯片研究进展

2016年起，南京电子器件研究所陆续发布了多种W波段GaN功放芯片。基于自主0.1 μm GaN HEMT工艺，实现了3款功放芯片，如图3所示。3款芯片工作频率范围为92~96 GHz，最高输出功率分别为30 dBm、34 dBm、36 dBm。功率增益分别为9 dB、10 dB、11 dB。PAE分别为15%^[

22]、14%^{[参考文献 23

百度学术}23]、13%^{[参考文献 5

百度学术}5]。

图3 三款W波段GaN功放芯片

Fig.3 Three kinds of GaN power amplifier chips

2020年，杭州电子科技大学提出一种基于GaAs的W波段功率放大器，在84~100 GHz频率范围内，平均小信号增益为15 dB，平均饱和输出功率为21.5 dBm(141 mW)。在工作频率为88 GHz时，可实现22.3 dBm(170 mW)的峰值饱和输出功率^[

24]。

2021年，中国电子科技集团公司第十三研究所提出一种基于GaN HEMT的W波段单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)。测试结果表明，在漏源工作电压15 V，88~92 GHz频率范围内，该MMIC的线性增益大于15 dB，饱和输出功率大于3 W^[

25]。

南京电子器件研究所采用50 nm GaN工艺研制的G波段功放芯片，如图4所示，实现了工作频率180 GHz以上，最大输出功率突破100 mW，最高功率密度大于1.3 W/mm。

图4 G波段GaN功率放大器MMIC

Fig.4 G-band power amplifier MMIC

2021年，清华大学设计了基于低损耗槽线功率梳理技术的高效宽带毫米波集成功率放大器，在161 GHz时可实现30.7 dB的峰值功率增益、40 GHz的3dB小信号增益带宽、18.1 dBm的最大饱和输出功率和12.4%的峰值PAE^[

26]。

3 国内毫米波太赫兹功率合成技术研究进展

本节将主要介绍南京电子器件研究所在毫米波太赫兹频段固态功率合成技术及合成功放模组的一些最近研究进展，针对径向功率合成技术、矩形波导合成技术以及硅基波导功率合成技术进行介绍。

3.1 基于径向结构的功率合成技术

径向合成技术由于其一次性合成的特点，是一种常见的功率合成结构。传统的径向合成结构通常采用同轴结构激励，随着工作频率提高，同轴结构加工难度越来越高。南京电子器件研究所在毫米波太赫兹频段提出了几种结构简洁、易于加工的径向功率合成结构。

1) W波段TE₀₁模式圆波导径向合成

圆波导TE₀₁模的磁力线径向指向圆波导中心，当矩形波导由圆波导的侧壁进入时，能激励起圆波导的TE₀₁模式。围绕圆波导的侧壁插入多个矩形波导激励，可实现多路径向功分合路结构。南京电子器件研究所基于该原理，设计了一种W波段16路径向合成器。该合成器的公共端由圆波导TE₀₁模激励，16个支路为矩形波导TE₀₁模，相邻支路之间呈22.5°均匀布局，并设计了一种TE₀₁模式圆波导-矩形波导新型模式转换器。将该转换器与合成器连接，完成了矩形波导-矩形波导的径向合成结构，如图5(a)所示。该合成器的直径仅为42 mm，结构尺寸非常紧凑。测试结果如图5(b)所示，在85~105 GHz频带内，回波损耗优于10 dB，插损小于1.5 dB。因此，单边的插损为0.75 dB。将合成损耗进行对数转换，可得到单边带合成效率为84%。除去模式转换器的损耗，该结构合成器的效率为92%^[

27]。

图5 16路TE₀₁模径向合成器

Fig.5 16-channel TE₀₁ mode radial power combiner

2) W波段TM₀₁模式圆波导径向合成

南京电子器件研究所设计了一种TM₀₁模径向合成器，将圆波导置于径向波导中心，通过一个圆柱形台阶结构，激励出TEM模并实现阻抗匹配，使信号在径向波导内传播，并在波导外圈均匀地围绕8个矩形波导实现8路合成。同时设计了一种TM₀₁圆波导—矩形波导的模式转换器，将该模式转换器与8路径向合成器连接，完成标准波导-标准波导的径向合成结构。对该8路合成结构进行实测，实物如图6(a)所示，合成器的实测结果如图6(b)~(c)所示，在90~101 GHz的工作频带内，回波损耗优于13 dB，带内平均插损为2 dB。因此单边的插损为1 dB，计算可得合成效率为80%。

图6 8路TM₀₁径向合成器

Fig.6 8-channel TM₀₁mode radial power combiner

3) G波段全波导径向合成

在G波段，南京电子器件研究所设计了一种4路波导高效合成器。该合成器由5个矩形波导直接组成，1个输出波导，4路输入波导呈径向分布。通过结构正中心的圆柱凸台，一次性实现了4个支路的阻抗匹配。4路径向波导合成器实物如图7(a)所示。该模块的外形尺寸仅为21 mm×21 mm×12 mm，非常紧凑。相比采用矩形波导T型结的4路合成器，4个独立的合成支路实际的传输距离很短，从公共端P1到单个支路的传输长度仅为16 mm；损耗很低，在180~250 GHz的工作频带内，插入损耗值优于-1.2 dB，平均值为-0.73 dB，折算成合成效率为88%，测试结果如图7(b)所示。

图7 G波段4路径向波导合成器

Fig.7 G-band 4-channel radial power combiner

3.2 基于矩形波导的合成技术

矩形波导T型结是波导二进制合成中经典的结构，广泛用于功率合成模组中。南京电子器件研究所基于该结构的功率合成器，设计出W波段、G波段的固态功率放大器模块。

1) W波段15 W以及100 W固态功率放大器

南京电子器件研究所基于双面布局的小型化T型结合成结构，设计了一种8路合成的W波段合成器。每一路连接2 W的功放模块，最终完成了92~95 GHz输出15 W的固态功放模组，如图8(a)所示。该模块的外形尺寸为66 mm×66 mm×24 mm，内部结构非常紧凑。测试结果如图8(b)所示，在92~96 GHz的工作频带内，输出功率达到41.2 dBm以上，电源PAE达到12.5%以上；在93 GHz处，获得了峰值输出功率42.5 dBm，效率14.8%。

图8 W波段15 W小型化功放模块

Fig.8 W-band 15 W miniaturized power amplifier module

南京电子器件研究所进一步通过64路矩形波导T型结合成结构，实现了W波段100 W输出的固态功率放大器模组，该模块外形尺寸为185 mm×115 mm×110 mm，如图9(a)所示。测试结果如图9(b)所示，实际测得输出功率大于50.15 dBm(103.5 W)，PAE大于10.5%^[

28]。该模块为国内目前能查询到的功率最大的W波段固态功放模块。

图9 W波段100 W小型化功放模块

Fig.9 W-band 100 W miniaturized power amplifier module

2) G波段1 W固态功率放大器

南京电子器件研究所采用16路波导T型结合成结构和自主研发的GaN功放芯片，研制了G波段瓦级合成功放模块，如图10(a)所示。测试结果如图10(b)所示，该功放在漏压+10 V的条件下，最终获得输出功率的最高点频率为189 GHz，输出功率达到了1.03 W；在216 GHz、237 GHz等频率，输出功率都超过了700 mW^[

29]。该模块为国内目前能查询到的功率最大的G波段固态功放模块。

图10 G波段1 W固态功率放大器

Fig.10 G-band 1 W power amplifier module

3.3 硅基波导功率合成技术

前文提到的合成器采用的加工方法都是传统的机械加工工艺，随着频率的进一步升高，这种工艺传输损耗将越来越大。同时传统的金属机械加工方式通常采用螺钉固定，在高频段，螺钉的尺寸已远大于波导口的尺寸，将大大增加额外的波导传输尺寸，造成额外的传输损耗。为解决这一问题，提出了基于硅微机械加工技术的波导电路结构^[

30]。

硅微机械加工技术即采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术，通过刻蚀、掩膜、镀金、键合等工艺实现波导腔。采用这种工艺制作的波导结构，具有极好的加工精确度和极高的光洁度，且不再需要额外尺寸用于固定，因此也具有较好的合成效率。

1) 基于MEMS工艺的硅基波导合成技术

南京电子器件研究所采用了自主8 in MEMS工艺平台，制作了一款H-T硅基波导合成器。该合成器的尺寸为12 mm×9.5 mm×1.45 mm，如图11(a)所示；两端口相位一致性测试结果如图11(b)所示，S₁₁、S₂₁实测结果与仿真结果对比如图11(c)~(d)所示，在90~100 GHz的频率范围内，该硅基合成器(含测试夹具)的回波损耗仿真结果优于15 dB，测试结果优于12 dB；插入损耗仿真结果优于-3.1 dB，测试结果优于-3.4 dB；带内插入损耗平均值为-3.2 dB。测试结果显示该合成器的幅度一致性在±0.15 dB以内，相位一致性在±2°以内，展现出很好的平衡性，由此可预计该合成器的合成效率高于95.5%^[

31]。

图11 H-T硅基波导合成器

Fig.11 Silica-based 4-channel power combiner

2) 基于硅基波导的功率合成放大器模组

基于上述H-T硅基波导合成器，结合南京电子器件研究所W波段GaN功放芯片，研制了一个两路合成的功放模块。图12(a)为该两路硅基合成功放模块的实物照片。该模块的尺寸为31 mm×15 mm×7 mm，相比传统的波导合成模块，体积更小。测试结果如图12(b)所示，在92~96 GHz频率范围内，输出功率高于3.72 W，PAE高于12.9%；在94 GHz处获得最高峰值功率4.25 W，PAE为14.7%，典型合成效率大于92%^[

31]。

图12 2路硅基合成功放模块

Fig.12 Silica-based 2-channel amplifier module

在上述研究基础上，南京电子器件研究所采用1个硅基3 dB电桥和2个硅基H-T波导合成器级联的结构制作了一个4路合成器，并实现一款4路合成的固态功放模块，如图13(a)所示。在连续波条件下的测试结果如图13(b)所示，该4路硅基功放模块在92~96 GHz的频率范围内，输出功率典型值为8 W；在96 GHz处功率最低为7.03 W，PAE为13.0%；在94 GHz处达到最大功率8.05 W，PAE达到15.05%，平均合成效率88%^[

32]。

图13 4路硅基合成功放模块

Fig.13 Silica-based 4-channel power amplifier module

结合上述硅基波导功率合成技术和径向功率合成技术的研究成果，南京电子器件研究所采用自主8 in MEMS工艺平台，研制了W波段硅基径向功率合成器。以TM₀₁模作为传输主模实现8路合成，同时研制了TM₀₁模式转换器，实现圆波导TM₀₁模到矩形波导TE₁₀模式的转换。通过集成南京电子器件研究所最新研制的W波段4 W GaN功放芯片^[

5]，最终实现了8路硅基径向合成功放，如图14(a)所示。测试结果如图14(b)所示，在94~98 GHz频段内，输出功率大于24.7 W，PAE大于11%；在96 GHz处峰值输出功率为31 W，PAE为13.2%，平均合成效率约为83%。硅基径向合路器相比矩形波导合路器具有更高的合成效率，且体积更小。硅基径向合成功放模块小型化、轻量化的特点，更适合未来无线通信对于毫米波太赫兹频段大功率放大器的小型化需求^{[参考文献 33

百度学术}33]。

图14 硅基径向合成功放模块

Fig.14 Silica-based radial power amplifier module

4 结语

本文总结了近年来国内外，特别是南京电子器件研究所，在W波段和G波段基于功率合成的功率放大器的研究成果。南京电子器件研究所立足自主GaN芯片，以实现基于高效功率合成的大功率小型化固态功率放大器为目标，对W波段和G波段固态功率合成的相关理论和工程技术展开深入研究。研制了圆波导径向功率合成器、基于矩形波导合成的太赫兹功放模块以及基于微机械加工工艺的硅基波导合成功放，实现的W波段100 W固态功放模块、G波段1 W固态功放模块等指标具备较高的先进性。研制的圆波导W波段径向合成器相比于Quinstar公司提出的径向合成器^[

15]，具有更高的合成效率。基于矩形波导W波段100 W固态功放模块相比于2022年Raytheon公司提出的100 W固态功放模块^{[参考文献 16

百度学术}16]，尺寸相当；在同样脉冲占空比的条件下，南京电子器件研究所的功放模块可以获得更大的输出功率，并具有更高的电源效率。基于微机械加工工艺的W波段硅基波导合成功放，相比于国内外所有报导的W波段基于矩形波导合成功放，具有更小的尺寸和更高的合成效率。基于微机械加工工艺的硅基径向合成功放，相比于Quinstar公司提出的径向合成功放^{[参考文献 15

百度学术}15]，功率指标相当，但尺寸减小了75%。G波段1 W固态功放相比于Teledyne公司提出的G波段合成功放^{[参考文献 23

百度学术}23]，具有更高的输出功率，首次突破G波段1 W的功率输出，取得了显著成果。

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