《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：A Fully Integrated 6–18 GHz Transmit/Receive MMIC Frontend Implemented in 150-nm GaN-on-SiC Technology
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本文介绍了一种单芯片收发（T/R）前端，覆盖6-18 GHz频段，采用150-nm氮化镓（GaN）技术实现。研究人员通过自上而下的系统级协同设计方法，充分利用单芯片集成的优势，直接在芯片层面解决指标和系统权衡问题：一个不对称T/R开关简化了发射路径以节省输出功
本文介绍了一种单芯片收发（T/R）前端，覆盖6-18 GHz频段，采用150-nm氮化镓（GaN）技术实现。研究人员通过自上而下的系统级协同设计方法，充分利用单芯片集成的优势，直接在芯片层面解决指标和系统权衡问题：一个不对称T/R开关简化了发射路径以节省输出功率和效率，而其接收支路与低噪声放大器（LNA）的输入匹配网络合并，以提高紧凑性和灵敏度；布局从一开始就进行优化，对所有子电路实现单侧偏置以最小化T/R耦合。在片测量结果表明，在目标带宽内，平均发射输出功率为9.5 W（最小5.6 W），效率为19.4%（最小13.5%）。在接收模式下，原型实现了超过21 dB的增益，平均噪声系数（NF）为3 dB（最大3.3 dB）。这些结果与文献中报道的超宽带GaN基单芯片T/R前端结果一致，并且在某些方面更优。此外，原型还在定制评估夹具上以裸片配置成功测试，证实了在真实系统条件下具有稳健性能，与在片测量相比仅略有退化。CCBY - IEEE不拥有此材料的版权。请通过https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 按照API文档中的说明获取全文文章和条款。
**论文解读：基于150-nm GaN-on-SiC技术的6-18 GHz全集成收发MMIC前端**
**研究背景与问题**
随着下一代有源相控阵系统的发展，将射频（RF）收发前端的关键功能（如高功率放大（HPA）、低噪声放大（LNA）和RF路径选择）集成到单片微波集成电路（MMIC）中成为关键。与主流的砷化镓（GaAs）方案相比，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）具有更高的功率密度和击穿电压，从而可实现高效、紧凑的HPA和无需额外保护电路的稳健LNA，有利于实现单芯片前端（SCFE）。然而，现有文献中，覆盖C至Ku波段（6-18 GHz）的超宽带GaN SCFE MMIC设计仍然有限，仅少数报道（如Palombini等、Lin等、Antolinos等）。尽管GaN HPA、LNA和开关作为独立MMIC已得到充分验证，但将它们集成到单个芯片中会带来芯片尺寸、电路复杂性和收发（T/R）隔离等额外挑战。因此，研究人员开展本研究，旨在通过系统级协同设计方法，实现一款覆盖6-18 GHz的全集成T/R MMIC前端，以验证GaN技术在宽带相控阵系统中的应用潜力。
**研究内容与结论**
研究人员采用欧洲代工厂United Monolithic Semiconductors（UMS）提供的150-nm GaN-on-SiC工艺，设计并实现了T/R SCFE MMIC。该芯片包含一个用于发射（Tx）的HPA、一个用于接收（Rx）的LNA和一个用于T/R模式选择的单刀双掷（SPDT）开关。通过自上而下的系统级协同设计，研究人员在芯片层面直接优化了接口匹配、布局和偏置网络，实现了单侧偏置以减少T/R耦合。在片测量结果表明，在6-18 GHz带宽内，Tx模式平均输出功率为9.5 W（最小5.6 W），效率为19.4%（最小13.5%）；Rx模式增益超过21 dB，平均噪声系数（NF）为3 dB（最大3.3 dB）。这些结果与文献报道的超宽带GaN基单芯片T/R前端相比具有竞争力，尤其在输出功率和NF方面表现优异。此外，在定制评估夹具上的裸片测试证实了其在真实系统条件下的稳健性能，仅略有退化。该论文发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》上，展示了欧洲GaN技术的竞争力。
**主要关键技术方法**
研究人员采用了以下关键技术方法：
1. **系统级协同设计方法**：从顶层出发，将HPA、LNA和开关作为整体进行联合优化，直接在芯片层面解决接口匹配、布局和T/R隔离问题。
2. **不对称SPDT开关设计**：采用不对称拓扑，简化发射路径以节省输出功率和效率，同时将接收支路与LNA输入匹配网络合并，提高紧凑性和灵敏度。
3. **单侧偏置网络**：所有子电路采用单侧偏置，通过空气桥实现宽频带HPA的漏极偏置线，减少T/R耦合。
4. **低噪声放大器（LNA）与开关的协同设计**：利用开关接收支路中关态HEMT的寄生电容作为LNA输入匹配网络的一部分，实现50-Ω匹配并改善NF。
5. **电磁（EM）协同优化**：对布局结构进行广泛EM仿真，以保持RF性能，特别是高频下的性能，并验证了全芯片的稳定性和隔离度。
（注：样本队列来源为欧洲代工厂UMS的150-nm GaN-on-SiC工艺，未涉及具体队列。）
**研究结果**
**A. 小信号特性**
在Rx模式下，在片测量显示线性增益高于21 dB，纹波在±0.4 dB以内，输入回波损耗（IRL）和输出回波损耗（ORL）分别高于8.5 dB和10.8 dB，与仿真吻合良好，仅高频IRL略有偏移。在夹具上测量时，增益基本不变，但IRL和ORL出现波纹，归因于键合线寄生电感。Rx NF在片测量平均为3 dB，最大3.3 dB，比仿真高约0.2 dB，可能是代工厂器件模型低估了噪声。在Tx模式下，线性增益超过23 dB，IRL高于9 dB，Tx-mode输出未匹配，ORL较低。Tx-to-Rx隔离度优于33.6 dB，高于仿真预测。
**B. 大信号特性**
在Tx模式下，输入功率（PIN）为19 dBm时，在片测量平均输出功率为39.8 dBm（9.5 W），最小37.5 dBm（5.6 W）在18 GHz，饱和增益大于18.5 dB，直流电流1.95 A，平均PAE为19.4%，最小13.5%在8 GHz。夹具测量显示输出功率和PAE分别平均下降1.75 dB和1.7个百分点，归因于键合线寄生和连续波（CW）操作下的热应力。PAE在PIN为19-20 dBm时达到峰值；动态优化PIN可进一步提高PAE。Rx非线性性能方面，OP1dB在夹具上测量高于18 dBm，与仿真在10 GHz以下吻合良好，高频偏差超过3 dB。
**C. 样本间变异性**
通过统计关键性能指标的百分位数，样本间变异性较小，除小信号增益外（由于LNA中较小的直流阻断电容和Tx模式下近截止偏置点导致），其余参数均表现出窄的百分位带。
**讨论与结论**
本文提出了一款覆盖6-18 GHz的宽带GaN-on-SiC MMIC，将高功率放大、低噪声放大和T/R切换集成在单芯片中。通过自上而下的系统级协同设计，成功实现了首次流片即成功，在所有Tx和Rx指标上达到平衡性能。在片测量结果与文献相比具有竞争力：平均输出功率9.5 W（最小5.6 W），较之前同组设计（[10]）提高4.7 dB；Tx效率略低于[10]，但归因于保护聚合物薄膜的添加；与[2]、[4]相比，输出功率相似但效率和增益更高；Rx NF平均3 dB（最大3.3 dB），是同类全单片GaN前端中最低报道值。这些结果证实了该T/R MMIC适用于宽带相控阵系统，具有输出功率、效率、灵敏度和紧凑性的良好平衡。夹具测试进一步验证了系统级协同设计方法，并凸显了欧洲GaN技术的竞争力。
**研究结论**：本文介绍了一款宽带6-18 GHz GaN-on-SiC MMIC，将高功率和低噪声放大以及Tx-Rx切换集成在单芯片解决方案中。从一开始就作为完全集成的前端进行设计，采用了自上而下的方法，其中HPA、LNA和开关被协同设计，使得关键的系统级挑战——如电路间的电磁相互作用、接口处的非50-Ω阻抗匹配或布局规划——可以直接在芯片层面解决。这种方法导致了成功的首次流片实现，在全部3:1目标带宽上提供了所有Tx和Rx指标的平衡RF性能。
