下一代通信系统中射频器件的挑战

如今信息时代中涌现出的各种无线应用技术，极大地改变了人们的生活。人们对移动服务的要求不断提高，已经超出了语音服务的范畴，推动着下一代通信系统的发展。于是，产业界从2G转到2.5G/3G和OFDM(正交频分多路)技术，用于宽带无线应用系统，也就是WLAN、WiBro、WiMAX系统。按照这个行业的发展计划，这些系统最终将演变为4G标准。按照4G无线标准，将实现宽带无线联网，并且进一步把基于蓝牙、ZigBee等的PAN(个人局域网)加进去，并包含RFID以及固网和移动技术融合的专业应用系统。因此，不同系统的融合将推动通信标准迈向一个新的高度。
然而，通信系统领域非同一般的发展，就技术和商业两方面而言，也面临着很多挑战。首先，通信基础设施要跟上各方面，特别是各种新标准的要求。同时，不断增长的需求又对电路的功耗和电磁兼容性提出了严格的要求，大幅度地增大了设备设计的复杂程度，增加了设计和开发的成本。基站是无线基础设施的关键部分，需要完成复杂的高速率处理、调制和编码工作。而射频功率半导体器件是这些基站的核心，它提供输出功率，增益、效率、线性度都要满足要求。因此，在这个价值链的末端，这些功率半导体器件要跟上标准的发展演变，在性能方面达到很高、很严格的要求。
影响射频元件和系统发展的因素很多。这类产品的半导体供应商常常是在现有的技术上作一些改进，或者采用新的技术来满足新应用系统的需要。同时，把这些设备的成本保持在大家能够负担的范围，这也是无线行业考虑的重要问题。此外，要认识到，高频接收器要求噪音非常低，可是，这个要求是与工作频率提高、降低功耗以及用户增多等情况相冲突的。当多个发射器、接收器在同一个平台上同时工作时，要求接收器的动态范围很宽，发射器的线性度极高，并且要密切注意整个系统的电磁兼容性设计。
手机基站是大功率射频器件的最大市场之一。随着标准转到下一代技术，无线行业对线性度的要求也提高了。传统的做法是在上游功率降低了的情况下，用A类放大器来实现优异的线性度。但由于A类放大的效率低，因此不能用于功率较大的发射器驱动电路和功率放大级。为了降低直流功率损耗并提高效率，基站系统功率放大器(PA)的驱动电路和功率放大级要用AB类或者B类放大。多年来，基站功率放大器主要是使用硅LDMOS工艺技术。在这个领域，虽然在低功率应用方面取得了一些成就，但仍然有很多地方需要做很大的改进。
硅LDMOS工艺已经使用了很多年，也不断地做了很多改进，以便满足系统要求。这项技术现在已经成熟，并用于大量生产，而量产又使它变得经济。LDMOS晶体管可以工作在B类状态，作为最后一级放大，它的线性度是可以接受的，但是，人们希望整个放大电路中的驱动电路具有更优异的线性度。
高电压InGaP/GaAs HBT就是这样的一种工艺技术，它的线性度和效率都很高，能够完美地满足这些要求。电压较低(为5 V)的InGaP HBT晶体管出现已经有一些时日，由于具有线性度高、效率高的优点，现在已经成为基站和中继站低功率放大器的主要技术，迅速地流行了起来。在材料方面它具有独特的特性，电气击穿电压高、电子漂移速度饱和值高，因而适合功率放大器应用。
在典型的功率放大器产品中，A类功率放大器的前置驱动电路通常加了偏置电压，目的是把线性度做到最高，而驱动电路是AB类放大器，最后一级功率放大是B类放大器，目的是为了效率和性能都能做到最好。不过，使用A类放大器时，线性度比较好，但工作效率比较低。
使用HBT晶体管技术的目的是让驱动电路和前置驱动电路工作在接近B类放大，以便提高效率，同时达到最好的线性度。这是由于在B类放大中，可以使用低频、低源极阻抗匹配或动态偏置电路来得到很好的线性度。 本文将介绍用于设计大功率功率放大器的HBT晶体管技术，详细地讨论工作在28 V的InGaP/GaAs HBT晶体管的特性，研究它能否满足下一代无线基础设施的要求。
对于基站使用的功率放大器，工作电压一般是在24V~31V，发射极用InGaP做成的GaAs HBT晶体管的线性度高、可靠性好，在手机功放和基础设施收发器系统中已经得到证明。对于InGaP/GaAs HBT晶体管，为了达到很高的击穿电压，集电极的厚度至少需要3mm。集电极的厚度达到这个范围，就能够保证基极－集电极的击穿电压超过60 V。但是，制造这种技术指标的器件，对于光刻工艺和金属层连接工艺，是一个挑战。
在功率HBT晶体管中，是把小器件并联在一起的。很多指状结构的晶体管构成单独的模块。正确分布这些指状的HBT晶体管，可以保证半导体结可靠地工作。指状结构HBT晶体管在射频性能和热阻之间取得平衡，相似的指状结构连接起来成为主模块。这个模块设计的射频功率为1.8W，在2GHz时下降1dB。 不过，几个基本的模块是并联在一起的。芯片上28 V的HBT功率晶体管的偏置电路具有优异的热稳定性，在温度从-40℃改变到+85℃时，静态电流的变化不超过9%。这是通过两层互相连接的金属层、MIM电容器、薄膜电阻器、螺线形电感器以及穿过衬底的通孔来实现的。结果表明，BVcbo可达到70 V，而BVceo超过了30V。 在偏置电压为28V，工作在射频的情况下，集电极电压的摆幅比28 V大很多，超过了BVceo，但这对它的工作和可靠性没有丝毫影响。
在低频时，源极的阻抗匹配小，这样改善了工作在接近B类放大时的线性度。在扼流器直流一侧，用了一个6mF的并联电容器，当工作在调制频率时，阻抗很低。由于去掉了输入中的包络频率分量，IM3可以得到改善。如果存在包络频率分量的话，它会与两个主频信号混合，形成三阶畸变分量。利用动态偏置电路，可以进一步改善AB类和B类放大的线性度。对三阶互调制畸变进行的分析表明，在Vin小的情况下，HBT晶体管的Ic(Vin)产生的三阶分量较大。随着输入功率增大，动态偏置电路会提高Vin的平均值，避免射频电压摆幅过大，从而改善了三阶畸变。进一步的测试表明，利用动态偏置电路，当输出功率P1dB为15 dB以内时，线性度的改善效果非常明显。当输出功率Pout的平均值为20dBm时，WCDMA信号的ACLR改善了10dB以上。在Pout为23dB时，IM3改善了15dB(见图1)。

图1 　动态偏置电路对线性度的影响比较

对于器件的可靠性，在偏置电压为28V、静态偏置电流为0.05mA/mm2的情况下进行了加速寿命试验。在半导体结温为310℃时，进行了3000小时的试验，结果表明其寿命与5V的HBT晶体管的期望寿命同样长。因此，28V的HBT晶体管和5 V的一样可靠，可以在极端恶劣的条件下工作。此外，用CW信号把至少10 dB过载信号进行压缩，对器件进行了射频信号过载时的牢固性试验。在这种情况下，没有观察到器件损坏或性能下降的情况。所以，这些测试清楚地说明，在上游输入功率降低了的情况下，InGaP/ GaAs HBT的射频线性度很好，在大功率的情况下，它的牢固性、可靠性都很好。
最近，WJ通信公司研制了一种28V 的InGaP/GaAs HBT工艺。对于接近B类偏置的情形，即在上游功率降低了的情况下(输出功率低于P1dB-PAR)，与LDMOS晶体管相比，HBT晶体管的ACLR改善了5dB~10dB，而且工艺技术与MMIC兼容。AP601/2/3系列是用于无线基础设备(例如手机基站、功放电路板和中继站)的前置驱动电路和驱动电路。这些产品经过测试，达到了高线性度和高效率的要求，并且在半导体结温为310℃的情况下进行了3000多小时的寿命试验，β性能下降很少。实际使用证明，这项工艺至少能够经受输入信号6dB的过载，不会损坏。WJ通信公司还研制了一种新的表面贴装功率封装DFN，用于InGaP HBT晶体管，其中使用低熔点芯片贴片技术，用于半导体芯片，它的热阻很小，保证器件能够十分可靠地工作。
按照通信技术的最新标准和通信系统的要求，器件制造商正在研究新的材料，以使设计人员能够满足下一代系统的要求。正如本文所讲的，最近的研究表明，当InGaP/GaAs HBT晶体管用作商用系统无线大功率驱动电路的放大器时，它的性能比起广泛使用的LDMOS晶体管好得多，能获得更高的线性度和效率。与无线基站信号放大器中使用的传统器件相比，这种器件的热阻也很小，可靠性较高，也更牢固。此外，专为28V的InGaP/GaAs HBT晶体管所开发的使用低熔点芯片贴装技术的表面贴装DFN，为设计人员提供了一种方便可靠的解决方案。
在材料方面的研究工作还在继续进行，重点是多相材料合成、微型化以及多功能的射频元件。在系统设计和架构方面的研究进展也将确保能在下一代通信系统中成功地使用这些器件。■