摘要
针对太赫兹波段固态大功率应用需求，基于氮化镓功率放大器单片集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC），采用功率合成技术实现了太赫兹波段瓦级功率输出。通过太赫兹波段微带/波导转换结构和键合金丝补偿技术，结合E面T型结二路合成功率分配/合成器，将两片MMIC封装成最大输出功率为160 mW的功率单元模块。在此基础上，采用八路E面合成器设计了频率覆盖180～238 GHz的十六路功率合成放大器。在漏极电压为+10 V时，带内输出功率大于300 mW，189 GHz输出功率达到了1.03 W。
太赫兹频段具有频谱范围宽、信息容量大、分辨率高、抗干扰性好等特点，当前在安检、成像、医疗等领域都有着巨大的应用前
太赫兹波段功率合成放大器的关键技术包括高效率的器件封装以及合成网络技术。随着工作频率的升高，器件信号的有效传输是封装成功的关键，在太赫兹频段往往采用将微带/波导转换探针集成于MMIC片上的方式来降低封装损
本文固态功放采用了南京电子器件研究所自主研制的太赫兹波段GaN功放MMIC。为实现低损耗的信号传输和合成，采用一种低通结构的金丝键合补偿电路来进行MMIC器件的封装，补偿键合金丝引入的不连续性。最终在180~238 GHz的频率范围内，采用过模波导十六路功率合成，实现了太赫兹波段瓦级峰值输出功率。
太赫兹波段功放模块采用矩形波导作为信号接口对功放芯片进行封装，因此需要微带探针实现微带至波导的转换以及键合金丝实现芯片与微带探针之间的互联。在频率达到200 GHz以上时，加工、装配误差以及键合金丝的寄生参量都会对封装效果产生较大的影响。本文中的微带-波导转换结构采用了E面微带探针转换，相比其他转换结构，其优点有插损小、带宽较宽、加工方便等。本文设计了频率覆盖170~260 GHz的微带探针电路，远超过功放工作频段，从而适当补偿加工及装配误差带来的影响。此外，传统的金丝键合工艺参数引入的寄生参量较大，在太赫兹波段有较高的损耗，本文将键合金丝引入的寄生参量吸收到高截止频率的低通滤波器中，从而使其工作到260 GHz以上。下面分别对E面微带探针以及键合金丝补偿电路进行介绍。
E面微带探针将微带基板通过波导宽边壁伸入到波导内，基板正面的金属探针在波导腔内激励出TE10模，实现微带到波导的传输转换。
本文中微带的基板材料为50 μm厚度的石英，采用Ansys HFSS对该探针开展电磁仿真，该探针结构的仿真模型以及尺寸如
图1 太赫兹波段E面探针仿真结构，（a）三维模型，（b）关键尺寸
Fig. 1 THz-band E-plane probe simulation structure, (a) three-dimensional model, (b) key dimensions
最终根据仿真优化获得的关键尺寸为d=0.1 mm，wp1=0.1 mm，wp2=0.06 mm，lp1=0.23 mm，lp2=0.52 mm。获得的最终仿真结果如
图2 太赫兹波段E面探针仿真结果
Fig. 2 THz-band E-plane probe simulation results
金丝键合是MMIC芯片封装的必要工艺，实现不同基片的微带线之间、微带线与芯片之间的互联。键合金丝的数量、长度、高度等参数都会对传输性能产生较大影响。在太赫兹频段，键合金丝的寄生电感效应较为明显，这会导致传输性能恶化，因此键合金丝的寄生电感补偿技术对于提高该频段电路的整体性能具有十分重要的意义。
金丝键合线可以等效成一个π型集总网络，其等效电路如
图3 金丝键合，(a)等效电路，(b)实物及端口示意
Fig. 3 Gold wire bonding, (a) equivalent circuit, (b) figure and port schematic
| , | （1） |
其中，L即等效电感，μ0为空气介质磁导率，μr为金丝的相对磁导率，ds为金丝的趋肤深度，l为金丝的长度，d为金丝的直径。
为了补偿键合金丝引入的不连续性，根据金丝互连线的寄生电感效应，设计了电感输入式的高低阻抗线低通滤波器来改善传输线与传输线之间的传输性能。低通滤波器将键合金丝的寄生电感吸收到滤波器的输入电感中，如下
图4 金丝补偿的低通滤波器
Fig. 4 Low pass filter with gold wire compensation
为了使键合补偿结构能够工作到260 GHz，设计低通滤波器的截止频率约为300 GHz，通过低通网络原型计算出滤波器结构的初始尺寸后，再进行优化仿真即可得到低通滤波器最终尺寸。键合金丝采用单根25 μm金丝，金丝拱高为100 μm，
图5 采用补偿结构前后的S参数对比
Fig. 5 Comparison of parameter S with and without compensation structure
由
考虑到加工和装配的误差，两块基片之间的缝隙宽度可能会大于或小于30 μm，需要对缝隙宽度的变化进行容差分析。对缝隙宽度进行参数扫描，仿真20 μm、30 μm和40 μm缝隙宽度下的S参数，如
图6 不同缝隙宽度对应的S参数
Fig. 6 Parameter S corresponding to different gap widths
图7 采用金丝补偿的模块及测试结果
Fig. 7 Module with gold wire compensation and test results
针对上述对太赫兹信号和尺寸的特点分析，本文相应的提出一种过模形式的太赫兹波段波导T型结合成结构，其仿真模型如
图8 太赫兹波段过模波导E面T型结合成器，（a）仿真模型，（b）剖面图
Fig. 8 THz-band overmoded waveguide E-plane T-junction combiner, (a) simulation model, (b) section
采用过模结构区别于传统E面T型结合成结构，无需对波导宽度进行减半实现阻抗匹配，整个结构中最小的加工尺寸即标准波导尺寸。这种设计方式在太赫兹频段可以降低加工难度，更好地保障性能。
该仿真模型的关键尺寸已在图上标出，通过优化渐变长度尺寸t和切角宽度w的尺寸以获得最佳的公共端回波损耗。最终优化获得的尺寸为w=0.07 mm，t=1.93 mm，最终获得的仿真结果如
图9 太赫兹波段过模波导E面T型结合成器仿真结果
Fig. 9 Simulation results of THz-band overmoded waveguide E-plane T-junction combiner
以此E面T型结为基础，开发出一种4路功率合成器，其仿真模型如
图10 太赫兹波段E面四路波导合成器，(a)仿真模型，(b)实物
Fig. 10 Model of THz-band E-plane four-way waveguide combiner, (a) simulation model, (b) figure
对该4路功率合成器的S参数进行无源测试，
图11 太赫兹波段E面四路波导合成器，（a）插入损耗和回波损耗，（b）相位一致性
Fig. 11 THz-band E-plane four-way waveguide combiner, (a)insertion and return losses, (b) phase consistency
在上述金丝补偿互联结构和过模波导E面T型结合成结构的基础上，继续开展了太赫兹波段功率单元模块的设计。
每个功率单元模块包含两只GaN功放MMIC，模块的输入输出采用相同的微带-波导转换以及过模波导T型结合成结构，并设置了2个功放芯片的安装腔体，如
图12 功率单元模块内部腔体仿真模型
Fig. 12 Simulation model of internal cavity of unit power module
平板波导TEM模式的截止频率可以由下
| , | （2） |
其中，h为芯片安装腔体的高度。
以截止频率fc=250 GHz计算，得到h=0.6 mm，因此将腔体高度设置为0.6 mm。仿真模型设置腔体表面金属为金，加工表面粗糙度为0.8 μm。
图13 功率单元模块直通仿真结果
Fig. 13 Unit power module pass-through simulation results
对功率单元模块进行加工制作，模块中采用的功率芯片为南京电子器件研究所自主研制的太赫兹波段GaN功放芯片。
图14 太赫兹波段功率单元模块
Fig. 14 THz-band power amplifier unit module
图15 太赫兹波段功放单元模块测试结果
Fig. 15 THz-band amplifier unit module test results
根据上文中设计的过模波导E面T型结合成器开展进一步的功率合成，依次采用4路合成器、2路合成器将8只功率单元模块进行功率合成。16路合成功率放大器装配后的照片如
图16 16路合成功率放大器实物照片
Fig. 16 Photo of sixteen-way power combining amplifier
图17 太赫兹波段固态功放测试结果
Fig. 17 Test results of THz-band solid-state power amplifier
将上述单元模块的典型输出功率和总的输出功率对比计算，获得的合成效率曲线如
图18 太赫兹波段固态功放合成效率曲线
Fig. 18 Combining efficiency curve of THz-band solid-state power amplifier
同时，根据上文合成器的测试曲线，在工作频带内具有一定的波动性，因此对于合成效率也会造成一定的波动。
| 对比 | 频率（GHz） | 典型输出功率 | 工艺特点 | 合成路数 | 典型合成效率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 本论文 | 180~238 |
1.03 W@189 GHz 730 mW@216 GHz 790 mW@237 GHz |
GaN HEMT |
16-way |
76.1%@189 GHz 58.1%@216 GHz 63.5%@237 GHz |
|
［ | 200~240 |
450 mW@205 GHz 350 mW@225 GHz 275 mW@233 GHz |
InP HBT |
16-way |
50%@215 GHz 43.7%@225 GHz 35.3%@233 GHz |
|
［ | 200~260 | 710 mW@230 GHz | InP HBT | 32-way | 36.9%@230 GHz |
|
［ | 200~230 |
580 mW@200 GHz 820 mW@216 GHz 680mW@225 GHz 380 mW@230 GHz |
InP HBT |
16-way |
51%@216 GHz |
本文主要开展了太赫兹波段固态功率合成的研究。在自主GaN功率芯片的基础上开展了16路功率合成，在工作频带内最高获得了1 W以上的输出功率。为了匹配太赫兹波段的信号传输，提出了一种基于金丝补偿技术的太赫兹低损耗传输技术，实现对于金丝键合引入的不连续性的补偿。同时，以E面T型结为基础开发了8路波导合成器。以单元模块为基础，通过8路E面波导合成器进一步合成，实现了太赫兹波段固态合成功放的样机。经测试，该样机在189 GHz获得了1.03 W的输出功率。
本章节开展的太赫兹波段功率合成技术研究，在一定程度上弥补了国内在太赫兹波段功率合成领域的研究空白，开拓了太赫兹大功率装备的发展前景，可以推进太赫兹星间通信的技术发展。
References
Wang Jia-Ying， Zhang Mian-Chen， Zhou Si-Yuan， et al. Development and application of terahertz radar technology ［J］. Journal of China Academy of Electronic Sciences.（王佳颖，张铣宸，周思远，等. 太赫兹雷达技术发展与应用［J］.中国电子科学研究院学报），2021，16（08）：844-850. [百度学术]
Al-Ogaili F， Shubair R M. Millimeter-wave mobile communications for 5G： Challenges and opportunities［C］. IEEE International Symposium on Antennas and Propagation （APSURSI）， 2016：1003-1004. [百度学术]
Rappaport T S， Xing Y， Kanhere O， et al. Wireless Communications and Applications Above 100 GHz： Opportunities and Challenges for 6G and Beyond ［J］. IEEE Access， 2019， 7：78729–78757. [百度学术]
Hwu S U， deSilva K B， Jih C T. Terahertz （THz） wireless systems for space applications［C］. IEEE Sensors Applications Symposium Proceedings， 2013： 171-175. [百度学术]
Siles J V， Maestrini A， Alderman B， et al. A Single-Waveguide In-Phase Power-Combined Frequency Doubler at 190 GHz［J］. IEEE Microwave and wireless components letters， 2011， 1-3． [百度学术]
Meng Jin， Zhang De-Hai， Jiang Chang-Hong， et al. Develop- ment of 166 GHz high power source based on power synthesis technology ［J］. J.Infrared Millim.Waves（孟进，张德海，蒋长宏，等.基于功率合成技术的166 GHz大功率源研制［J］. 红外与毫米波学报），2018， 37（05）：608-612. [百度学术]
Yao Chang-Fei， Zhou Ming， Luo Yun-Sheng， et al. Development of D-Band and G-Band frequency multiply sources with Schottky diodes of NEDI［J］. J. Infrared Millim. Waves（姚常飞，周明，罗运生，等. 基于NEDI砷化镓肖特基二极管的D波段和G波段倍频源［J］. 红外与毫米波学报），2014，33（03）：256-262. [百度学术]
Paoloni C， Mineo M. Double Corrugated Waveguide for G-band Traveling Wave Tubes［J］. IEEE Transactions on Electron Devices，2014，61（12）：4259-4263. [百度学术]
Pan P， Hu Y， Gao M， et al. Progress of G band folded waveguide TWT［C］. IEEE International Vacuum Electronics Conference （IVEC）， 2015. [百度学术]
Chang Shao-Jie， Wu Zhen-Hua， Huang Jie， et al. The research progress of vacuum electron device in terahertz band ［J］. J.Infrared Millim.Waves（常少杰，吴振华，黄杰，等. 真空电子太赫兹器件研究进展［J］. 红外与毫米波学报），2022，33（03）：25 256-261. [百度学术]
Radisic V， Scott D W， Cavus A， et al. 220-GHz high-Efficiency InP HBT Power Amplifiers［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2014，62（12）： 3001- 3005. [百度学术]
Radisic V， Scott D W， Monier C. 50 mW 220 GHz InP HBT power amplifier MMIC［C］. IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS）， 2014. [百度学术]
Kazemi H， Miller D， Mohan A， et al. 350 mW G-band medium power amplifier fabricated through a new method of 3D-copper additive manufacturing［C］.IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS）， 2015. [百度学术]
Gritters D， Brown K， Ko E. 200-260 GHz solid state amplifier with 700 mW of output power［C］. IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS），2015. [百度学术]
Rollin J-M， Miller D， Urteaga M， et al. A Polystrata® 820 mW G-band Solid State Power Amplifier［C］. 2015 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium （CSICS）， 2015. [百度学术]
Guo Fang-Jing， Wang Wei-Bo， Chen Zhong-Fei， et al. Research progress of terahertz solid state amplifier［J］. Application of Electronic Technique.（郭方金，王维波，陈忠飞，等. 太赫兹固态放大器研究进展［J］. 电子技术应用），2022，33（03）：256-261. [百度学术]
Zhang Zheng， Jiao Fang， Wu Shao-Bing， et al. G-band amplifier based on 50 nm AlN/GaN heterojunction［J］. Re-search & Progress of SSE.（张政，焦芳，吴少兵，等. 基于50 nm AlN/GaN异质结的G波段放大器［J］. 固体电子学研究与进展）， 2018， 34（S1）：263-265. [百度学术]
Sun Yan， Cheng Wei， Lu Hai-Yan， et al. A 300 GHz InP DHBT Amplifier MMIC［J］. Re-search & Progress of SSE.（孙岩，程伟，陆海燕，等. 300 GHz InP DHBT单片集成放大器［J］. 固体电子学研究与进展）， 2022，33（03）：256-261. [百度学术]
Chen Yan， Meng Fan-Zhong， Fang Yuan， et al. Design of 220 GHz power amplifier based on 90 nm InP HEMT Process ［J］. J. Infrared Millim. Waves（陈艳，孟范忠，方园，等. 基于90 nm InP HEMT工艺的220 GHz功率放大器设计［J］. 红外与毫米波学报），2022， 41（06）：1037-1041. [百度学术]
Gunnarsson S.E， Wadefalk N， Svedin J， et al. A 220 GHz Single-Chip Receiver MMIC With Integrated Antenna［J］. IEEE Microwave and wireless components letters， 2008， 284-286． [百度学术]
Chao Hai Du， Tsun-Hsu Chang，Pu Kun Liu，et al. Design of a W-band Gyro-TWT Amplifier With a Lossy Ceramic-Loaded Circuit［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2013， 60（7）：2388-2394. [百度学术]
Yan Wei， Fu Peng， Hong Wei， et al. Microwave characteristics of bonding interconnection in LTCC microwave multichip modules ［J］. Journal of Microwave. （严伟，符鹏，洪伟，等. LTCC微波多芯片组件中键合互连的微波特性［J］. 微波学报）， 2003（03）：30-34. [百度学术]