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射频功放器件是无线基站的核心器件,功能是放大无线射频信号,使之能完成良好的无线网络覆盖。目前,人类面临环境危机和能源挑战,营中的能源消耗已迫在眉睫。各大基站供应商都相应推出了高效绿色基站计划,因而从工作原理、设计方法、和实现工艺等方面系统地研究基于GaAs HBT、LDMOS和GaN工艺的高性能功率放大器(Power Amplifer:PA)变得十分重要。该博士论文的主要研究工作和创新点如下:(1)在不同人体模型(HBM)描述的ESD电压作用下,分别为手机不同频段选择不同输入薄膜电阻(TFR),通过测试功率放大器(PA)裸片的性能参数随ESD电压的变化特性,发现其性能降级和电、热击穿规律;提出并验证了在GaAs HBT PA输入端引入合适的薄膜电阻,能有效地抑制PA芯片的ESD冲击实验。(2)借助有限元法(FEM)算法和热红外扫描仪(IR),得到了GaAs HBT PA芯片表面的温度分布;进一步设计、制作并测试了改进的GaAs HBT PA芯片,有效地改进其输出功率随时间变化(PVT)的性能。(3)研究了基于LDMOSFET工艺的基站PA在HPM作用下的失效机理,并分析与器件可靠性相关的参数;经鲁棒性测试后,准确判断键合线热可靠性和芯片失效特征;通过红外扫描测试得到了芯片和键合线表面的温度分布,得到不同键合线阵列的温度分布特性,并且,提出了键合线结构的改进设计方法。(4)充分考虑到功率放大器加上铝屏蔽盖后射频性能发生变化的特性,首先,用自动化测试台对于不同高度(H)和宽度(W)的屏蔽盖情形时进行测试,得到了S参数和PA样品的输入、输出响应;在改进的电路模型中,研究了输入接地线校正因子和环路损耗,使得模型仿真和测试结果吻合;进一步提出对包含多条接地线的内部阻抗匹配网络优化方法来有效改进S_参数的方法;并且提出了提高印刷电路板(PCB)上LDMOSFET PA射频性能的电磁防护设计方法;详细地研究了LDMOSFET PA和PCB之间的相互影响;精确地确定了腔内最敏感反馈路径,并在LDMOSFET输入(栅极)和输出(漏极)键合线间引入金属隔离墙,有效地抑制了反馈效应;通过改进输入键合线设计,获得了性能更好的小型化PA模块。(5)研究了宽频带反馈式GaN PA的基本原理,给出了在100MHz到3.5GHz频段内实现10dB增益的单极宽频带放大器设计方法;通过应用负反馈调节方法,取得VSWR输入和增益平坦度的平衡,实现了AlGaN/GaN PA超宽带性能;进一步应用GaN HEMT低输出电容特性,设计了反向Class-F AlGaN/GaN HEMT超高效率PA,通过仿真与测试结果对比,验证了设计的准确性;输出功率高于10W,增益高于20dB,增益平坦度为±0.6dB,效率超过74%。(6)研究了高功率电磁脉冲对AlGaN/GaN HEMT的影响,实验研究了不同脉冲宽度作用下它们的损毁特征,通过芯片切片截面分析,精确显示了芯片的损毁部位和程度,为其进一步电磁防护设计提供指导。在上述研究中,分别基于LDMOS、GaAs HBT和AlGaN/GaN工艺进行模块设计,制作了多系列PA样品,取得了测试、仿真与理论分析吻合的结果。