Diseño de un amplificador MHEMT de media potencia a 94-100 GHz

In this paper we describe the design of a three-stage Medium Power Amplifier (MPA) MMIC operating in a band between 94 and 100 GHz. The amplifier circuit is based on a microstrip lines design with 0.13 μm gate length Metamorphic High Electron Mobility Transistors. The simulated amplifier exhibited a small-signal gain of 14.2 dB and a saturated output power of 19.5 dBm at 97 GHz with a total gate width of 0.32 mm in the output stage. The chip dimensions are 1.6 x 3.1 mm. I. INTRODUCCION Los amplificadores de potencia MMICs son componentes clave en aplicaciones para la banda W (75 – 110 GHz) como los radares de apertura sintetica (SAR), sensores para vehiculos, sistemas de comunicaciones inalambricos o sistemas de imagen en frecuencias milimetricas e incluso en el rango de THz. A continuacion se presenta el diseno y simulacion de uno que opera entre 94 y 100 GHz, discutiendo previamente mas en detalle las aplicaciones y la tecnologia empleada. II. APLICACION El desarrollo de amplificadores de potencia MMIC a frecuencias milimetricas tiene muchas aplicaciones en campos diversos como la radioastronomia y la ciencia espacial. Los amplificadores de potencia a 100 GHz pueden usarse como drivers para osciladores locales a frecuencias que lleguen al rango de THz, permitiendo el estudio de lineas espectrales de moleculas como carbon ionizado, silicio o nitrogeno, cuyas transiciones de electrones alcanzan su punto mas alto a estas frecuencias y que proveen una vision sin comparacion de estructuras galacticas y cosmologia del universo temprano. Una de las aplicaciones comerciales en la que se viene investigando los ultimos anos en el area de las frecuencias milimetricas es la de crear radares y sensores para incorporar a los vehiculos. Equipados con esta tecnologia los vehiculos pueden avisar con antelacion de posibles colisiones con obstaculos, con otros vehiculos o con peatones, en condiciones de clima adverso. Los radares que operan a frecuencias milimetricas proporcionan mucha precision a la hora de localizar objetivos y pueden penetrar a traves de niebla, nieve o lluvia. Aparte del inmenso mercado potencial de la industria automovilistica, estos radares jugarian un papel muy importante en los sistemas en cuanto a seguridad de los viajeros. III. TECNOLOGIA Continuando con una linea de trabajo previa, se ha elegido la fundicion OMMIC, y, en particular, su proceso D01MH con el que se ha trabajado anteriormente en este departamento. Este proceso ha sido desarrollado para aplicaciones de media potencia en bandas milimetricas y utiliza estructuras metamorficas para conseguir una transicion gradual entre el substrato de GaAs y la capa activa, la cual contiene un porcentaje de In en torno al 53%. El elemento fundamental de este proceso es el transistor metamorfico de alta movilidad electronica (MHEMT) de deplexion, con la capa activa formada por InAlAs/GaInAs/AsGa sobre un sustrato de GaAs y con una longitud de puerta de 0.13 μm, lo que le confiere una frecuencia de transicion entorno a fT=150 GHz. IV. DISENO Un esquema del diseno del amplificador MMIC de potencia puede verse en la Fig. 1. Es un amplificador de tres etapas con 1, 2 y 4 transistores identicos de 4x20 μm en cada etapa, lo que supone una duplicacion del area de puerta en cada etapa respecto a la anterior. La polarizacion de los transistores se hace en clase A por el estrecho margen de ganancia del que se dispone a 100 GHz, aunque se sacrifique la eficiencia. Se incorporan lineas acopladas a la entrada y a la salida del circuito, asi como entre las diferentes etapas, que actuan como redes de adaptacion y desacoplo. La division y combinacion de la senal entre los transistores paralelos se hace con estructuras tipo Wilkinson. Fig. 1. Diagrama esquematico del Amplificador de potencia A. Lineas acopladas, divisores Wilkinson y combinadores de potencia Hemos elegido una estructura de dos lineas acopladas de diferente anchura para realizar los desacoplos de continua en la entrada, la salida y en las redes interetapa, en sustitucion de las redes de adaptacion convencionales que hacen uso de stubs en circuito abierto y de condensadores MIM (MetalInsulator-Metal). Una ventaja de trabajar con lineas acopladas en lugar de condensadores es que estas permiten que la parte real de la impedancia de las redes de adaptacion pueda ser facilmente controlada a partir de los parametros anchura de las lineas y su separacion. La parte imaginaria de la impedancia se consigue variando la longitud de las lineas a las que se pueden anadir stubs en abierto en los extremos para conseguir mayor precision. Esto supone una ventaja porque los condensadores requeridos para trabajar en la banda de frecuencias entre 90 y 100 GHz tienen unos valores muy pequenos de capacidad nominal, del mismo orden que las capacidades parasitas y son, por lo tanto, muy sensibles a las variaciones tras el proceso de fabricacion, lo que exige un modelado muy preciso para evitar que sean una fuente de incertidumbre en el diseno. Por ello se ha creido conveniente evitar su uso en el camino de RF, aunque si se han usado condensadores en las redes de polarizacion, al ser estas menos sensibles a cambios en las capacitancias[3]. El ancho de banda que se consigue con esta tecnica esta tipicamente entre el 10% y el 20 %, lo que resulta suficiente para las aplicaciones en frecuencias milimetricas para las que se disena el amplificador de potencia. Fig. 2. Detalle segunda etapa del amplificador En la Fig. 2 se muestra en detalle la division y la posterior combinacion de la segunda etapa del amplificador. Consta de dos transistores de 4x20 μm a los que se accede desde la primera etapa mediante un divisor Wilkinson. Seguidamente se unen mediante un combinador, lo que facilita que la polarizacion de ambos transistores pueda ser compartida y ahorra espacio en el chip. B. Simulacion Electromagnetica Se realizaron simulaciones electromagneticas de la red de entrada y la de salida, asi como de los divisores y combinadores en la segunda y tercera etapa, al ser consideradas como estructuras sensibles para el funcionamiento del amplificador. Las simulaciones se han llevado a cabo con Momentum 3D de Agilent integrado en el programa Advanced Design System (ADS). Se ha comprobado que en las bandas de frecuencia en que se trabaja (~100 GHz) el comportamiento de las diversas redes es ligeramente distinto al simulado con los componentes esquematicos, por lo que el amplificador se ha disenado en base a minimizar esas diferencias y que afecten lo menos posible al funcionamiento global final.