28 and 38GHz Oscillator MMICs With Low Phase Noise, High-Power and High DC-to-RF Efficiency

Xi Wang, Zhihang Tong, Zhi Jin，中科院微电子所、中国科学院大学；Hongfei Yao, Jun Hu, Muhammad Asif, Feng Yang，中科院微电子所；Shaojun Li，西安电子科技大学

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采用0.15微米砷化镓增强模式（E-mode）PHEMT工艺，并采用针对高频性能改进的Colpitts拓扑结构，分别制作了频率为28GHz和38GHz的MMIC振荡器。为了获得更高的输出功率和效率，优化了负载侧的T形网络，以实现输出匹配。28GHz振荡器的输出功率为16.7dBm，DC-RF效率为24.3%，38GHz振荡器的输出功率为10.6dBm，DC-RF效率为10.3%。在1MHz偏移下，28GHz振荡器的实测相位噪声为-115.8dBc/Hz，38GHz的为-110.4dBc/Hz。

具有低相位噪声、低功耗和足够输出功率的毫米波频率源是无线通信系统的基本要件。与高电子迁移率晶体管（HEMT）相比，异质结双极型晶体管（HBT）有更低的1/f噪声，因此它们经常被用于低相位噪声振荡器。¹ 用GaAs或SiGe HBT制造Ka和K波段振荡器的报道有许多，^2,3 然而，这些振荡器要么直流功耗较高，要么输出功率不足。HEMT可以在更高的振荡频率下提供更大的功率，⁴ 已有几个Ka波段HEMT MMIC振荡器的报道。^5-7 E-mode PHEMT由于其单电源电压和低拐点电压，更适合现代无线通信。⁸

本文讨论了采用0.15 µm GaAs E-mode PHEMT工艺制作的两个Ka波段振荡器的设计和性能。该振荡器获得了高DC-RF效率和低相位噪声。为了实现高振荡频率，采用了改进的Colpitts拓扑结构，并采用T形输出匹配网络来实现更高的输出功率和效率。采用这种方法，28和38 GHz的振荡器分别达到了16.7和10.6 dBm的输出功率以及24.3%和10.3%的高DC-RF效率。Colpitts拓扑可以在不影响振荡器启动的情况下实现低栅极电压偏置。这带来了更低的栅极发射和1/f噪声，降低了它们对振荡器相位噪声的贡献。在1MHz偏移时测得的相位噪声在28GHz时为-115.8dBc/Hz，在38GHz时为-110.4dBc/Hz。

MMIC工艺和电路设计

本电路设计基于稳懋半导体公司的0.15微米GaAs E-mode PHEMT器件。在偏置为最大直流跨导约1,000mS/mm时，该器件通常表现出最高振荡频率为150GHz、电流增益截止频率为80GHz。器件的阈值电压为约0.25V。MMIC工艺包括槽孔、薄膜电阻、金属-绝缘体-金属（MIM）电容器、螺旋电感和微带传输线。

振荡器采用Colpitts拓扑结构（图1）。电感元件L_g和L_s采用小于λ/4的短微带线，电容C₁采用开路微带线或MIM电容。对于传统的低频Colpitts振荡器（图2a），谐振器通常由C₁和L_g构成，对于高频振荡器，引入了额外的电感L_s以提高性能（图2b）。在这种设计中，晶体管的内部栅极-源极电容C_gs作为C₂。

使用理想的跨导模型，在小信号条件下分析电路，以了解L_s的影响（图3）。图3a中模型的输入阻抗为

其中Z_in的负实部对应于负电阻。在较高频率下，负电阻较小。对于图3b，

在毫米波频段，4π²f²C₁C₂>4π²f²C₁C₂ - C₂/L_s>0。在包含L_s的情况下，负阻在更高的频率下得到提升，从而改善振荡器的启动，使效率更高。由式1和式2可知，Z_in的虚部为电容电抗。为了产生振荡，栅极上外部连接的电感元件L_g与PHEMT器件的相反电抗配对。

HEMT器件的栅极宽度分别为2×100 μm和2×50 μm，频率分别为28GHz和38GHz，偏置电压为V_ds=4V和V_gs=0.45V。由于L_s增强了负电阻，因此晶体管可以在较低的栅极电压和漏-源电流下偏置，而不会抑制振荡条件。这样既提高了效率，又降低了栅极发射和1/f噪声，实现了较低的相位噪声。⁹

为了获得更高的输出功率和DC-RF效率，优化了负载设计。理论上，最大的输出功率是在完全无功补偿的情况下实现的，因此采用了电感负载来补偿电容器件的输出电抗。在供电路径中没有采用λ/4传输线作为射频扼流圈，而是采用比λ/4短的微带线L_d2作为电感元件（图1）。T形网络L_d1-d3在负载侧负责输出匹配，以达到更高的功率和效率。如此，由于匹配线也提供了偏置，电路结构得到了简化。

使用Keysight的Advanced Design System对电路进行了仿真，首先使用小信号分析确定振荡频率。然后，进行谐波平衡和瞬态分析以确定输出功率。最后，使用Momentum 2.5D平面电磁仿真器对布局进行仿真和优化。谐波平衡仿真预测28GHz振荡器将实现17.9dBm的输出功率，效率为29%，38GHz振荡器将实现12.4dBm的输出功率，效率为17%。

实验结果

两种MMIC如图4所示。28和38 GHz MMIC的尺寸分别为750×760 µm和740×640 µm，包括DC和RF探针焊盘。

使用Keysight N9030A PXA信号分析仪在室温下对E-mode PHEMT振荡器MMIC进行了全面表征。在测量28GHz振荡器时，增加了一个6dB衰减器，以保护分析仪免受高输出功率的影响。对于38GHz的测量，则不需要衰减器。两个MMIC是用不同的电缆测量的，电缆和探头在28GHz时有3.3dB损耗，在38GHz时有3dB损耗。因此，28GHz和38 GHz振荡器的实测输出功率分别应该修正9.3和3 dB。

图5显示了两个振荡器进入标准50Ω负载的实测频谱。对于28GHz振荡器，未经校准的输出功率为7.4dBm，对应的实际输出功率为16.7dBm。对于38GHz振荡器，未经校准的输出功率为7.6dBm，实际值为10.6dBm。在消耗功率分别为192和112 mW的情况下，DC-RF效率分别为24.3%和10.3%。28GHz振荡器在1MHz偏移时测得的相位噪声为-115.8dBc/Hz，38GHz的为-110.4dBc/Hz（图6）。

通常，振荡器的性能用品质因数（FOM）评价：¹⁰

其中L（∆f）为偏移频率∆f时的相位噪声，f₀为振荡频率，P为消耗的功率。计算出的28GHz和38GHz振荡器在1MHz偏移时的FOM分别为-181.9dBc/Hz和-181.7dBc/Hz。

小结

采用0.15μm砷化镓E-mode PHEMT工艺开发了28和38 GHz的毫米波MMIC振荡器。该振荡器表现出优异的效率和相位噪声性能，具有足够的射频输出功率，无需缓冲放大器即可驱动混频器。与在该频率下工作的其他砷化镓基振荡器相比，该振荡器的DC-RF效率和相位噪声性能是最好的。表1比较了几个已发表的GaAs基振荡器的性能。本项工作证明了GaAs E-mode PHEMT技术用于无线通信系统中的高性能毫米波频率源的潜力。