Ka波段高功率放大器設(shè)計

王博威 王科平

摘 要：介紹了一種具有高輸出功率的功率放大器，設(shè)計利用的是兩路偽差分電路結(jié)構(gòu)，每一條支路都由兩級電路構(gòu)成，第一級電路為驅(qū)動級電路，第二級電路為功率級電路。電路的匹配網(wǎng)絡(luò)由傳輸線和電容構(gòu)成，以保證信號能夠高效率地傳輸。用威爾金森功分器將兩支路結(jié)合在一起，通過調(diào)試功率分配器使整體電路到達最優(yōu)化。功率放大器屬于AB類放大器，采用0.13um SiGe BiCMOS工藝，在中心頻率30GHz時得到整體電路后仿真結(jié)果：輸出1dB壓縮點OP1dB=22.91dBm，功率增益GP=25.52dB。

關(guān)鍵詞：高輸出功率;高功率增益;兩路對稱;功分器

文獻標識碼：A

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信系統(tǒng)對信道的容量要求越來越高。而且頻譜中低頻段的利用率已趨于飽和，滿足不了現(xiàn)代無線通信發(fā)展的要求。工作在Ka波段下的通信系統(tǒng)擁有超高的帶寬和頻段。

功率放大器位于無線收發(fā)系統(tǒng)前端，其功率大小決定了信號傳輸?shù)木嚯x，其帶寬決定了系統(tǒng)能夠承載的信息容量。實現(xiàn)高功率主要有兩種方法：一種是采用多路合成技術(shù)，用威爾金森功分器、定向耦合器或巴倫對各支路進行功率合成;另一種是采用晶體管堆疊的方法，實質(zhì)是通過提高輸出電壓擺幅來提高輸出功率。[1，2，3]

1 高功率放大器概述

圖1是電路的整體框圖，電路主要有三部分組成，即功率分配器、主體PA電路、功率合成器。功率分配器將輸入信號二等分為兩路完全相等的信號，然后被均分的信號分配給驅(qū)動級電路，驅(qū)動級電路主要是為驅(qū)動功率級電路而設(shè)計。功率合成器和功率分配器的結(jié)構(gòu)是互易的，功率合成器將兩路的功率以和的形式合成，輸出給下一級。

2 功率放大器電路設(shè)計

功率放大器的每一支路的第二級電路均采用Cascode結(jié)構(gòu)，這樣能夠增加功率放大器的穩(wěn)定性。因為這種結(jié)構(gòu)有效地抑制密勒效應(yīng)，增強了輸入輸出之間的隔離度，使兩者的相互影響減弱。開始電路設(shè)計時，首先對功率級電路進行設(shè)計，找到合適的靜態(tài)直流工作點使管子工作在AB類狀態(tài)，緊接著對電路的輸入端和輸出端進行匹配。為達到良好的匹配效果，盡量使用多階匹配網(wǎng)絡(luò)，一般使用π型或T型匹配網(wǎng)絡(luò)。上下兩個管子基極的隔交電感均用大電阻代替，電阻不僅起到隔交作用，還可通過調(diào)節(jié)其阻值改變管子偏置電流。[4]

兩級電路級聯(lián)時，由于驅(qū)動級電路的輸出阻抗匹配和功率級電路的輸入匹配分別匹配到50歐姆，導(dǎo)致級間匹配階數(shù)太多，損耗增大。那么級聯(lián)時，要求我們直接將驅(qū)動級和功率級進行共軛匹配，如圖2為簡化后的匹配網(wǎng)絡(luò)。[6，7]

3 版圖和仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文在0.13um SiGe BiCMOS工藝下設(shè)計了一種擁有高輸出功率的Ka波段功率放大器，使用的電路整體結(jié)構(gòu)是兩路對稱式的偽差分結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)有效地提高了輸出功率，另外通過進一步優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)，降低了無源器件的損耗。電路在30GHz中心工作頻點下測得，OP1dB=22.9dBm，GP=25.5dB，PAEmax=17.2%。

參考文獻：

[1]Jeong D，Moon K，Lee S，et al.Linear CMOS power amplifier at Ka-band with ultra-wide video bandwidth[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.IEEE，2017：220-223.

[2]Blount P，Huettner S，Cannon B.A High Efficiency，Ka-Band Pulsed Gallium Nitride Power Amplifier for Radar Applications[C].Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium.IEEE，2016：1-4.

[3]Chéron J，Campovecchio M，Quéré R，et al.High-gain over 30% PAE power amplifier MMICs in 100 nm GaN technology at Ka-band frequencies[C].Microwave Integrated Circuits Conference.IEEE，2016：262-264.

[4]Chappidi C R，Sengupta K.20.2 A frequency-reconfigurable mm-Wave power amplifier with active-impedance synthesis in an asymmetrical non-isolated combiner[C].IEEE International Solid-State Circuits Conference.IEEE，2016：344-345.

[5]Xia J，Chung A，Boumaiza S.A wideband millimeter-wave differential stacked-FET power amplifier with 17.3 dBm output power and 25% PAE in 45nm SOI CMOS[C].Microwave Symposium.IEEE，2017：1691-1694.

[6]Shakib S，Park H C，Dunworth J，et al.A Highly Efficient and Linear Power Amplifier for 28-GHz 5G Phased Array Radios in 28-nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2016，51（12）：3020-3036.

[7]Mortazavi S Y，Koh K J.A 28-GHz inverse class-F power amplifier with coupled-inductor based harmonic impedance modulator[C].Custom Integrated Circuits Conference.IEEE，2015：1-4.

[8]Liu G.A fully integrated 0.18 μm SiGe BiCMOS power amplifier[C].IEEE，International Conference on Asic.IEEE，2016：1-4.

[9]Pan R，Gu J，Yeo K S，et al.SiGe BiCMOS power amplifiers for 60GHz ISM band applications[C].Soc Design Conference.IEEE，2012：13-16.

[10]Hung C C，Kuo J L，Lin K Y，et al.A 22.5-dB gain，20.1-dBm output power K-band power amplifier in 0.18-μm CMOS[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.IEEE，2010：557-560.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61372021）