功率放大器电磁优化及可靠性地研究

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2、交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要单片微波集成功率放大器（MMICPA）因其具有小型化、高增益、高功率等优势，近年来成为了毫米波功率放大器的研究热点。高频电磁仿真优化过程中，麦克斯韦方程组的多次迭代求解导致功率放大器的电磁优化过程需要耗费大量的计算时间和硬件资源，严重制约着产品设计周期，因而亟需一种高效率的电磁优化方法。随着集成电路工艺的发展，金属连线宽度和厚度变小，功率放大器的高电流密度加剧了电迁移效应，使得金属连线更易发生短路或断路，因此功率放大器金属连线的可靠性问题也应该给予足

3、够的重视。针对这些问题，本文着重研究了提高功率放大器电磁优化效率的算法和功率放大器互连线可靠性的建模。微波电路设计中的电路级仿真具有快速高效的优点，但由于未考虑寄生和电磁特性，精度较差。而全波电磁仿真模型更加全面准确，但计算时间长。针对这一问题，本文利用空间映射算法（SpaceMapping），针对毫米波功率放大器，提出了一种结合电路级仿真的高效和全波电磁仿真的精确度的电磁优化方法，是空间映射算法在功率放大器电磁优化领域的首次尝试。本文以单级的AB类功率放大器为例，采用ADS电路模型作为粗模型，Momentum电磁仿真模型为细模型，从S参数、阻抗匹配和系统仿真三个方面，通过

4、建立粗模型与细模型之间的映射关系，间接对细模型进行电磁优化，使功率放大器的电磁优化时间至少缩短80%。在毫米波功率放大器的设计中，不仅要考虑输出功率、效率等指标，还需要考虑金属连线可靠性。本文通过对互连线可靠性分析原理和计算方法的研究，采用ANSYS有限元分析方法对设计的单级功率放大器进行了建模，计算并分析了其在直流工作状态和交流工作状态下的可靠性，是首次针对交流特性与电路可靠性关系的研究。本文还采用神经网络建模，分析了环境温度、晶体管栅宽、电流对功率放大器可靠性的影响，确立了电路可靠性与输出功率、功率附加效率、增益等指标的制约关系，为电路设计人员提供了选取晶体管尺寸和工作

5、状态的优化原则。综上所述，本文的主要贡献有：1.提出了一种适合于功率放大器电磁优化的空间映射算法，2.仿真并分析了交流特性、温度、晶体管栅宽对功率放大器金属连线可靠性进的影响。关键词：功率放大器电磁优化空间映射互连可靠性神经网络ABSTRACTMonolithicMicrowaveIntegratedCircuit(MMIC)poweramplifiershavebeenwidelyresearchedfortheiradvantagesonthehighoutputpower,thehighpowergainandthesmallarea.TheEMoptimizatio

6、nprocessisverytime-consuminginhighfrequencycircuits,fortherearetoomanycomponentsandplentyofMaxwell’sequationsneedtobesolved.Therefore,anewEMoptimizationmethodisexpectedtoshortenthetime-to-market.Ontheotherhand,theinterconnectlinecontinuouslyshrinkswiththedevelopmentofprocess.Electromigrati

7、oninducedbyhighcurrentdensitywillcausevoids,leadingtoanopencircuit,orhillocks,leadingtoashortcircuit,inmetalfilm.Therefore,thereliabilityissueofinterconnectsinpoweramplifiersshouldbeseriouslytreated.Tosolvetheseproblems,thispaperfocusesonthefastEMoptimizationm