Разработка монолитной интегральной схемы входного СВЧ тракта для преобразователя частоты на основе GaAs pHEMT

Устройства и системы передачи, приема и обработки сигналов
Авторы:
Клименко Д.В.Никитин А.Б.Строганов А.А.
Аннотация:

В данной работе подробно описывается разработка многофункциональной входной СВЧ монолитной интегральной схемы (МИС), предназначенной для применения в понижающих преобразователях частоты в диапазоне 1−3 ГГц. Основной целью исследования является создание компактной высокопроизводительной МИС, интегрирующей три ключевые функции приёмного тракта — малошумящий усилитель (МШУ), 2-битный цифровой аттенюатор и коммутатор на пять направлений с одним общим входом (SP5T) — на одном кристалле GaAs pHEMT, изготовленном на основе отечественного технологического процесса. МШУ построен по двухкаскадной схеме с общим истоком с цепями RC-обратной связи для обеспечения широкополосного согласования и низкого уровня шума. Цифровой аттенюатор выполнен на основе мостовой T-образной схемы для ослабления 6 дБ и П-образной схемы для ослабления 12 дБ. Коммутатор SP5T использует последовательно-параллельную топологию с пятиплечевым объединяющим узлом для минимизации площади кристалла. Результаты электромагнитного моделирования полного входного тракта демонстрируют превосходные характеристики: коэффициент усиления не менее 29,9 дБ, коэффициент шума не более 1,21 дБ и потери на отражение по входу и выходу лучше -8,4 дБ во всей рабочей полосе. Показатели линейности — точка компрессии по уровню 1 дБ, равная 20,6 дБм, и точка пересечения третьего порядка OIP3, равная 30,1 дБм, — подтверждают пригодность схемы для применения в требовательных приемных системах. Кроме того, сравнительный анализ с коммерческими аналогами показывает, что разработанная МИС обеспечивает конкурентоспособное сочетание широкой полосы пропускания, низкого уровня шума, умеренного потребления тока (менее 85 мА при 5 В) и компактной топологии (3,4×3,2 мм), что подтверждает ее потенциал в качестве отечественной альтернативы для высокопроизводи-тельных СВЧ-модулей.

Финансовые условия:

Производство интегральной микросхемы было выполнено за счет средств Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федерального проекта «Подготовка кадров и научного фундамента для электронной промышленности» по государственному заданию «Разработка методики прототипирования электронной компонентной базы на отечественных микроэлектронных производствах на основе сервиса MPW» (FSMR-2023-0008).

Ключевые слова:
GaAs pHEMTСВЧ монолитная интегральная схемавходной трактмалошумящий усилительаттенюаторкоммутатор
  • Список литературы

    1. Yi Liang, Zhangfa Liu. Design of an Ultra-Wideband Low Noise Amplifier. 2026 5th International Conference on Electronics, Integrated Circuits and Communication Technology (EICCT), 2026, Pp. 468–472. DOI: 10.1109/EICCT69950.2026.11564650

    2. Laxmi M., Anbarasan V., Sari S., Nagaveni H. X Band Multi-Function MMIC for Phased Array Applications Using E/D Mode Technology. 2025 IEEE Microwaves, Antennas, and Propagation Conference (MAPCON), 2025, Pp. 1–4. DOI: 10.1109/MAPCON65020.2025.11426340

    3. Sharma S., Sharma S.S., Longhi P.E., Colangeli S., Limiti E., Ciccognani W. Comparative Analysis of MMIC Conventional SPDT Switch and Quarter Wave Traveling Wave Switch Using GaAs Technology for X Band. 2025 International Telecommunications Conference (ITC-Egypt), 2025, Pp. 425–430. DOI: 10.1109/ITC-Egypt66095.2025.11186638

    4. Belous A.I., Merdanov M.K., Shvedov S.V. SVCh-elektronika v sistemah radiolokatsii I sviazi [Micro-wave electronics in radar and communication systems]. Moscow: Tekhnosfera, 2018.

    5. Kozlovskiy E.Yu., Osipov A.M., Seleznev B.I. The features of technology of microwave monolithic integrated circuit of low noise amplifier based on GaAs pHEMT. Vestnik of Novgorod State University, 2013, Vol. 75, No. 1, Pp. 114–116.

    6. Arykov V.S., Barov A.A., Kondratenko A.V., Khokhol D.S. Seriya GaAs MIS shirokopolosnykh preobra-zovateley chastity [A Series of GaAs MMIC Broadband Frequency Converters]. Sbornik trudov I Vserossiys-koy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii “Elektronika i mikroelektronika SVCh” [Proceedings of the 1st All-Rus-sian Scientific and Technical Conference “Microwave Electronics and Microelectronics”], 2012, Pp. 154–158.

    7. Sharma S., Sharma S.S., Longhi P.E., Colangeli S., Limiti E., Ciccognani W. A C-Band MMIC Multi-Functional Core Chip with 7 Bits Phase Shifter and Attenuator Using GaAs pHEMT. 2024 19th Conference on PhD Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2024, Pp. 1–4. DOI: 10.1109/PRIME61930.2024.10559684

    8. Robertson I.D., Lucyszyn S. RFIC and MMIC Design and Technology. Chippenham, Wiltshire: Anto-ny Rowe Ltd, 2009, 562 p.

    9. Qunfei Han, Sanming Hu, Tianyu Zhang, Hongqi Tao, Fangjie Cheng, Weibo Wang. A Ka-Band Two-Channel High-Accuracy Compact GaAs Multifunction Chip with Improved Controlling Circuit. 2025 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), 2025, Pp. 1–3. DOI: 10.1109/IWS65943.2025.11177664

    10. Krasovitsky D.M., Dudin A.L., Katsavets N.I., Kokin S.V., Filaretov A.G., Chaly V.P., Viuginov V.N. Challenges and prospects of A3B5 microvawe foundry. 2012 22nd International Crimean Conference “Mic-rowave and Telecommunication Technology” (CriMiCo), 2012, Pp. 615–616.

    11. Klimenko D.V., Nikitin A.B., Stroganov A.A., Tsikin I.A. Features of centimeter-band filter-bank design based on GaAs pHEMT-technology. Computing, Telecommunications and Control, 2023, Vol. 16, No. 3, Pp. 7–17. DOI: 10.18721/JCSTCS.16301

    12. Klimenko D.V., Nikitin A.B., Stroganov A.A. Monolithic integrated circuit of a four-channel switched filter bank for the centimeter band based on GaAs pНЕМТ technology. Computing, Telecommunications and Control, 2024, Vol. 17, No. 3, Pp. 114–123. DOI: 10.18721/JCSTCS.17311

    13. Wenwu Xia, Guoding Dai, Bing Li, Changlin Lyu, Lei Xu. Design of a 6–18 GHz Low Noise Amplifier Using 0.25-um GaAs pHEMT D-Mode Technology. 2018 International Conference on Microwave and Mil-limeter Wave Technology (ICMMT), 2018, Pp. 1–3. DOI: 10.1109/ICMMT.2018.8563529

    14. Bo Chen, Wen Huang, Guang Yang, Yunchuan Guo. A Broadband Low Noise Amplifier MMIC in 0.15μm GaAs pHEMT Technology. 2010 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Tech-nology, 2010, Pp. 1941–1943. DOI: 10.1109/ICMMT.2010.5524823

    15. El Bakkali M., Touhami N.A., Elhamadi T.E. High Gain Cascaded GaAs-pHEMT Broadband Planar Low Noise Amplifier for WiMAX-802.16b Applications. In: 30th Workshop on Information Technologies and Systems (WITS2020) (eds. S. Bennani, Y. Lakhrissi, G. Khaissidi, A. Mansouri, Y. Khamlichi), 2020, Vol. 745, Pp. 1101–1110. DOI: 10.1007/978-981-33-6893-4_100.

    16. Peng Yangyang, Lu Kejie, Sui Wenquan. A low power 2.5–5 GHz low-noise amplifier using 0.5-μm GaAs pHEMT technology. Journal of Semiconductors, 2012, Vol. 33, No. 10, Art. no. 105001. DOI: 10.1088/1674-4926/33/10/105001

    17. Rollett J. Stability and Power-Gain Invariants of Linear Twoports. IRE Transactions on Circuit The-ory, 1962, Vol. 9, No. 1, Pp. 29–32. DOI: 10.1109/TCT.1962.1086854

    18. Henkes D.D. LNA Design Uses Series Feedback to Achieve Simultaneous Low Input VSWR and Low Noise. Applied Microwave & Wireless, 1998, Vol. 10, No. 10, Pp. 26–32.

    19. Long S., Escotte L., Graffeuil J., Fellon P., Roques D. Ka-band Coplanar Low-Noise Amplifier Design with Power pHEMTs. 33rd European Microwave Conference Proceedings (IEEE Cat. No.03EX723C), 2003, Pp. 17–20. DOI: 10.1109/EUMC.2003.1262207

    20. Xing Wen, Fa-Xin Yu, Ling-Ling Sun. A Novel Ultra Broadband 8–45 GHz 4-Bit GaAs Pseudomorphic High Electron Mobility Transistors (pHEMT) Monolithic Digital Attenuator Used for Gain Control of Transceivers. 2009 4th International Conference on Innovative Computing, Information and Control (ICICIC), 2009, Pp. 519–522. DOI: 10.1109/ICICIC.2009.42

    21. Haohao Xiao, Jianquan Hu, Kaixue Ma. A DC-6 GHz 7-Bit Digital Attenuator with Low Insertion Loss. 2021 IEEE 4th International Conference on Electronics Technology (ICET), 2021, Pp. 95–98. DOI: 10.1109/ICET51757.2021.9451143

    22. Kangrui Wang, Zhiyu Wang, Gang Wang, Hua Chen, Qin Zheng, Faxin Yu. Design of a low-insertion-phase-shift MMIC attenuator integrated with a serial-to-parallel converter. IEICE Electronics Ex-press, 2017, Vol. 14, No. 20, Pp. 1–7. DOI: 10.1587/elex.14.20170924

    23. Yong-Sheng Dai, Jie Zhang, Bing-Qing Dai, Zhi-Dong Song, Gui-Xiang Qian, Shao-Bo Chen. An Ultra Broadband 2–18GHz 6-Bit PHEMT MMIC Digital Attenuator with Low Insertion Phase Shift. 2010 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, 2010, Pp. 1–3. DOI: 10.1109/ICUWB.2010.5614714

    24. Austin E.E., Cebi H., Yang J. Tackling Multi-Bit Attenuator Designs. Microwaves & RF, 2012, Pp. 91–118.

    25. Devlin L. The Design of Integrated Switches and Phase Shifters. Design of RFICs and MMICs: IEE Tutorial Colloquium, 1999, Pp. 2/1–2/14.

    26. Berezniak A.F., Korotkov A.S. Design method and manufacturing monolithic microwave integrated circuit switches on GaAs рНЕМТ. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Computer Science. Telecommunications and Control Systems, 2019, Vol. 12, No. 4, Pp. 84–96. DOI: 10.18721/JCSTCS.12407

    27. Kun-You Lin, Yu-Jiu Wang, Dow-Chih Niu, Huei Wang. Millimeter-Wave MMIC Single-Pole-Double-Throw Passive HEMT Switches Using Impedance-Transformation Networks. IEEE Transactions on Micro-wave Theory and Techniques, 2003, Vol. 51, No. 4, Pp. 1076–1085. DOI: 10.1109/TMTT.2003.809676

    28. Sari S., Tulasi Sivakumar D., Nagaveni H., Karthik S. DC-6 GHz GaAs MMIC Compact SPDT Switch. 2020 IEEE International Conference for Innovation in Technology (INOCON), 2020, Pp. 1–4. DOI: 10.1109/INOCON50539.2020.9298270

    29. Klimenko D.V., Nikitin A.B., Stroganov A.A., Tsikin I.A. Design of monolithic microwave integrated circuit X-band switch on GaAs pHEMT. Radiotekhnika, 2024, Vol. 88, No. 3, Pp. 92–101. DOI: 10.18127/j00338486-202403-09

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Предыдущая статьяСледующая статья