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微波工程期中報告,論文研討:魏吉鴻,“微波積體化功率放大器設計及研製”，中央大學電機工程2002年6月碩士文報告人:碩研電子一甲 MA030226 詹凱強,Southern Taiwan University,Department of Electronic Engineering,摘要,研究方向:製作整合性單石微波積體電路(MMIC)，適用於不同頻段無線通訊系統的功率放大器及微波積體電路(MIC)功率放大器，適用於無線通訊區域網路系統的兩級式功率放大器設計方法:以砷化鎵製程技術，設計用於無線通訊系統的整合性單石微波積體電路功率放大器；及利用開發的積體化被動元件薄膜製程(process)技術，再結合砷化鎵異質接面雙極性電晶體(HBT)及實驗室打線技術，在氧化鋁基板完成微波積體化功率放大器,2,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,微波功率放大器基本原理,基本原理功率放大器首先以主動元件小訊號S參數(S parameter)為出發點，接著再搭配主、被動元件形成如圖1電路架構，幾個重要的考量因素：如電晶體的選擇、直流偏壓選定、電路穩定性考量及輸入與輸出阻抗匹配等。,3,圖1 功率放大器基本架構,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,電晶體的選擇微波功率放大器需考量電晶體的特性參數有(1)ft與fmax的值、(2)VK(knee voltage)電壓及(3)VB(breakdown voltage)崩潰電壓等。微波功率放大器電晶體有互補式金屬氧化半場效應電晶體(CMOS)、高速電子移動率電晶體(HEMT)、矽化鍺異質接面雙載子電晶體(SiGe HBT)及砷化鎵異質接面雙載子電晶體(GaAs HBT)等，而它們的特性比較如表1所示。,表1 電晶體特性比較表,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,直流偏壓選定不同的偏壓類別代表著對功率放大器的輸出功率、線性度、功率增益或附加功率效益有不同的要求度。一般雙載子電晶體放大器組態有共射極、共基極、共集極組態。雙載子電晶體直流偏壓電路(圖2)固定偏壓、自給偏壓、雙正電源偏壓。在直流訊號輸入端加入RFC阻隔高頻訊號，避免和直流相互干擾1。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,圖2(a)固定偏壓(b)自給偏壓(c)雙正電源偏壓電路,圖3 不同直流偏壓工作點,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,傳統形式有A類、B類、AB類和C類放大器A類：偏壓點屬電晶體線性區，輸入與輸出訊號呈線性關係，因線性度是最好的，故是個效率非常低的放大器，沒有訊號輸入時仍會消耗直流功率。在理想的情況下，最高效率只有50%。B類：無訊號輸入時，電晶體將不會消耗直流功率，故效率因而提升，偏壓位在截止區，工作週期為輸入訊號的半週，會產生嚴重的諧波失真。在理想的情況下，最高的效率達78.5%。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,AB類放大器：此類放大器偏壓在A、B類放大器之間，所以其特性介於兩者之間。C類放大器：其操作原理與B類放大器類似，但其導通角度是小於180度的，工作效率比B類放大器為高，最高可達到100%，但其線性度遠比A、B類放大器為差，因此在QPSK或是展頻調變這些高線性度要求的系統上，此類放大器較不適合。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,電閘開關形式有D類、E類和F類放大器2主要利用電閘開關原理來減少電壓電流乘積，使直流功率消耗降低來達到附加功率效益提高的效果。電閘開關形式放大器實際應用於功率放大器電路上有比A、B、AB和C類更好的工作效率，但其線性度就比較差，所以D、E和F類功率放大器較適用於低線性度而需超省電的無線通訊系統。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,單石微波積體化製作,砷化鎵材料技術已相當成熟穩定，加上砷化鎵基板比矽基板擁有較低高頻操作下的基板損耗，並配合其所磊晶成長的高電流密度、高崩潰電壓、及較佳高頻特性砷化鎵異質接面雙載子電晶體(HBT)，所以砷化鎵材料是非常適合製作單石微波積體化功率放大器。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,放大器設計方法,設計兩級放大的微波功率放大器，第一級輸入端採用共軛匹配網路，第二級輸出端利用負載線原理(load-line)來得到最大輸出功率的匹配網路，並藉由負載線，了解元件輸出波形的變化，推演最佳輸出阻抗匹配網路，達到最大輸出於負載端圖4。,圖4 兩級式功率放大器設計架構,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,負載線原理5,(圖5)當輸出端阻抗不同時的相關負載線情況，其包含最佳功率匹配的最佳負載阻抗(Ropt)，與非最佳負載阻抗(RHi、RLo)。(圖6)當電流擺動幅度在最大範圍時(0 Imax)，其擺幅大小為Imax/2；而當電壓擺動幅度在最大範圍時(0 2Vdc)，其擺幅大小為Vdc,圖5 不同負載阻抗的相關負載線位置,圖6 理想功率放大器於最佳載阻抗時的 輸出波形示意圖,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,5.2 GHz功率放大器設計,電晶體射極面積為2.8 15 m2的InGaP/GaAs HBT功率元件，其第一級驅動級所使用的射極面積大小為2.8 15 8 m2，第二級輸出級所使用的射極面積大小共為2.8 15 20 m2；兩級電路皆採用共射極組態A類偏壓架構，直流偏壓為VCC=3.6 V、VBB=3 V，其VBB具有功率控制功能，完整功率放大器電路如圖7。,圖7 5.2 GHz MMIC PA 電路,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,電路模擬得到小訊號S參數,5.2 GHz時(圖8)S11=-19.6 dBS21=26.7 dBS22=-7.6 dB,電路模擬得到大訊號特性,結果(圖9)電路功率增益為26.6 dB、最大功率為22.1 dBm及最大附加功率效益為33%。,圖8 S參數對頻率的關係圖,圖9 模擬輸出結果特性圖,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,電路佈局,方便在晶片上量測，輸入和輸出同採用GSG針座150 m間距佈局，直流偏壓源則採直流排針150 m間距佈局方式(圖10)。,圖10 5.2 GHz MMIC PA電路佈局(2 1 mm2),“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,5.2 GHz功率放大器量測結果,一：為小訊號S參數量測(圖11)。二：為大訊號量測包括增益、功率、附加功率效益(PAE)(圖12)。三：交互調變失真(圖13)。,圖11 小訊號S參數量測結果,圖12大訊號功率量測結果,圖13 三階交互調變失真量測圖,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,氧化鋁基板微波積體化研製,氧化鋁基板上被動元件之製作在氧化鋁基板上(材料阻值為10 1016-cm)製作被動元件的話，可得到比砷化鎵基板較高品質因數(high Q)的被動元件，來提升被動網路的特性；另外更比一般電路板微波電路降低了電路尺寸，大大的減少微波積體電路總面積。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,5.8 GHz功率放大器設計,將第一級與第二級放大器分開設計，再利用打線技術將兩級串聯後使輸出功率可達20 dBm，電晶體選用射極面積為60m2的InGaP/GaAs HBT功率元件第一級與第二級完整功率放大器電路。,圖14(a)第一級(b)第二級完整電路圖,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,模擬第一級與第二級電路的小訊號S參數得兩級串聯電路在5.8 GHz時的S11=-17.9 dB、S21=15.3 dB、S22=-10.7 dB圖15。,模擬電路大訊號特性，兩級串聯電路結果(圖16)電路功率增益為15.1 dB、最大功率為20 dBm及最大附加功率效益為27%。,圖15兩級串聯的S參數對頻率的關係圖,圖16 模擬兩級串聯電路的輸出結果特性圖,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,結論,晶圓製造公司所提供的砷化鎵技術，利用InGaP/GaAs異質接面雙極性電晶體、電感、電容、電阻等砷化鎵製程技術，成功設計製作出整合性單石微波積體電路(MMIC)功率放大器。氧化鋁基板上微波積體電路(MIC)功率放大器的利用主動元件(InGaP/GaAs異質接面雙極性電晶體)、平面薄膜製程技術及打線技術完成，可適用於無線通訊區域網路系統。,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,參考文獻,1 袁帝文,謝孟翰,王弘毅和王岳華“高頻通訊電路設計”pp.370-377,2001.2 Steve C.Cripps,“RF Power Amplifiers for Wireless Communication”Artech House,Inc.,1999.3 國立中央大學電機工程魏吉鴻碩士論文.,“魏吉鴻”國立中央大學 電機工程系 2002年 6月 碩士文,心得,本研討論文內的各種設計，都用在無線通訊系統上面，在無線通訊上面，基地台設置廣泛，既然放大器的技術性提升改善訊號傳輸，那基地台的設置是否反之減少?,
