射频LDMOS功率器件的制备、内匹配与测试技术研究

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近年来,民用移动通信技术和军事雷达技术迅速发展,均对无线信号的传输和发射质量提出了更高的要求。在移动通信基站和军事雷达中,射频功率放大器是信号发射机中的关键部件,直接决定着无线信号的发射距离和信号质量。而射频功率放大器的性能又与其核心部件——射频功率晶体管密切相关。LDMOS功率器件是近年间发展起来的射频功率晶体管,其性能优于双极功率器件,而成本又远低于镓砷器件,已经一跃成为移动通信基站和S波段军事雷达中的核心功放器件,市场需求巨大。目前,LDMOS器件的市场基本被国外厂商垄断,国内仅对军用LDMOS器件进行了试制。在民用移动通信领域,国内LDMOS器件的研制生产基本处于空白。本文在此背景下,对可以应用于WCDMA频段的民用射频LDMOS功率器件进行了国产化研制,着重对器件的制备、内匹配及测试等关键技术进行了研究,较为详细地展示了LDMOS器件的研制过程。首先,基于上海华虹0.35m标准CMOS工艺,采用Synopsys TCAD软件对LDMOS器件进行了工艺参数仿真和制备流程设计;芯片制备完成后,采用吉时利直流参数测试系统和高压探针对LDMOS器件的阈值、击穿电压及输出特性等重要直流电学参数进行了测试,为后续相关工作奠定基础。其次,为了解决LDMOS晶体管管芯输入、输出阻抗过低而导致的器件在测试或功放电路中匹配网络设计困难的问题,提出了T型内匹配网络,以提高器件的输入、输出端口阻抗。针对内匹配网络中金属键合线等效电感难以确定的问题,采用三维电磁仿真工具EMDS和射频电路设计工具ADS对键合线进行建模仿真和参数提取,找出了键合线等效电感随其直径、长度等物理参量的变化关系,对LDMOS器件内匹配网络中键合线的选取提供了指导。再次,采用负载牵引测试系统,测试了内匹配封装后的LDMOS器件的阻抗参数。自主设计制作了TRL校准件及测试夹具,校准效果良好,且成本仅为国外同类产品价格的二十分之一左右。使用制作的校准件及夹具,对负载牵引系统进行了校准及去嵌入,顺利的完成了器件阻抗参数的测试,并给出了测试流程及测试结果。最后,基于器件负载牵引测试的阻抗参数,使用自主研制的LDMOS器件设计制作了一款AB类射频功率放大器,作为器件的标准测试电路。使用高频信号源、频谱分析仪等仪器测试并标定了电路的性能参数:工作频段为WCDMA下行频段2110-2170MHz,中心工作频率为2140MHz,连续波输出功率为23.5W,增益大于15dB,功率附加效率大于48%,三阶交调系数小于-46dBc,说明器件性能参数优良,功率放大器的设计、制作及测试方法正确。
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