摘要：針對(duì)WIFI 6E頻段的設(shè)備需求，設(shè)計(jì)了一款工作在5.9?GHz~7.2?GHz的寬帶砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（GaAs HBT）功率放大器。功率放大器為三級(jí)放大拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)偏置電路結(jié)構(gòu)解決HBT晶體管在大功率輸入下偏置點(diǎn)變化及自熱效應(yīng)引起增益及線性度惡化的問題。測試結(jié)果表明，在5.9?GHz~7.2?GHz頻段 內(nèi)，功率放大器增益＞27?dB，輸出飽和功率＞1?W，附加效率＞24%，芯片面積：1.24?mm×1.27?mm。

關(guān)鍵詞：功率放大器；WIFI 6E；GaAs HBT

近年來，隨著人們對(duì)無線通信的速率和延遲的需求不斷提高，WIFI 技術(shù)已經(jīng)演變來到了 WIFI 6 時(shí)代，其高速率、大帶寬、低延時(shí)、低功耗的特點(diǎn)受到人們的青睞。2020 年，WIFI 聯(lián)盟將可在 6 GHz 頻段運(yùn)行的 WIFI 6設(shè)備命名為WIFI 6E，原有的頻段擴(kuò)展至6 GHz頻段^[1]。功率放大器（PA）是 WIFI 終端中的一個(gè)重要器件，為了適應(yīng)在多標(biāo)準(zhǔn)通信環(huán)境中更高的數(shù)據(jù)速率，PA 的線性度和多模 / 多頻帶能力無疑成為 PA 設(shè)計(jì)中更注重的問題。隨著市場需求的不斷擴(kuò)大，迫切需要低成本、高線性度的功率放大器，相較于高成本的 GaN 工藝和低功率密度的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (complementary metal oxide semiconductor, CMOS) 工藝，GaAs HBT 技術(shù)已成為目前商用中功率放大器的首選技術(shù)。本文所設(shè)計(jì)的功率放大器采用 2 μm GaAs HBT 工藝，芯片面積：1.24 mm×1.27 mm，在 5.9 GHz~7.2 GHz 頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)增益大于 27 dB，飽和輸出功率大于 1 W，可用于 WIFI6E 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)用。

1 芯片電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的功率放大器是一款適用于 6 GHz 頻段 WIFI 發(fā)射端的功率放大器，其電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該結(jié)構(gòu)采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，工作電壓為 5 V，其偏置電壓可根據(jù)外圍配置在 3.3~5 V 可調(diào)。電路第一級(jí)偏置采用 A 類、第二級(jí)偏置采用淺 AB 類功率放大器結(jié)構(gòu)以提高電路增益及線性度，第三級(jí)偏置采用深 AB 類功率放大器結(jié)構(gòu)來提高電路輸出功率及效率。

1.2 電路設(shè)計(jì)

電路主要包含晶體管、直流偏置結(jié)構(gòu)、匹配網(wǎng)絡(luò)。

（1）直流偏置結(jié)構(gòu)偏置電路作為放大器的重要組成部分，為電路提供直流偏置點(diǎn)，其直接影響功率放大器的增益、效率以及線性度。GaAs HBT 工藝在大功率輸入下，基級(jí) - 發(fā)射 極電壓降低以及工藝本身的自熱效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管工作點(diǎn)變化，引起電路增益及線性度的變化。文獻(xiàn) [2] 提出一種應(yīng)用于較低頻率的自適應(yīng)線性化偏置電路，文獻(xiàn) [3] 提出采用多個(gè)電容較復(fù)雜的自適應(yīng)線性化偏置結(jié)構(gòu)，能夠提高一定的輸出飽和功率。本文采用如圖 2 所示自適應(yīng)偏置結(jié)構(gòu) ^[4]。Q1、Q2 構(gòu)成一個(gè)電流鏡，其電流由限流電阻 R1、R2 控制，Q3 用于調(diào)節(jié)入，從而產(chǎn)生相等的電流。隨著輸電流鏡的輸入功率的增加，Q0 的 Vb0 電壓降低，泄露到偏置電路的信號(hào)將通過 C2 旁路到地， 故 Q3 的 Vb3 保持不變，由于二極管的整流效應(yīng)，Vbe3 會(huì)降低，Vb3 保持不變，從而補(bǔ)償了 Vb0 的下降，使 得 Q0 的偏置點(diǎn)在大功率輸入下保持不變，抑制了增益 壓縮。當(dāng)溫度升高時(shí)，偏置電阻 R_bias 及發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻 R3 將有效抑制 Q0 的自熱效應(yīng)，提高電路的穩(wěn)定性。

（2）匹配網(wǎng)絡(luò)

由式（1）得知，品質(zhì)因子正比于存儲(chǔ)的能量與網(wǎng)絡(luò)平均功耗之比。在射頻匹配網(wǎng)絡(luò)中，通常使用無源儲(chǔ)能元件電容 C 與電感 L 進(jìn)行匹配，LC 網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際電路中具有一定的阻抗，其品質(zhì)因子可表示為：

從式（3）中可以看出，Q 值與電路帶寬成反比，也就是說要想獲得寬帶匹配，其匹配網(wǎng)絡(luò)的 Q 值不能太大。

對(duì)于多級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)，其第 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的品質(zhì)因子表示為：

從式（4）可以看出，電路帶寬與多級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)中 Q 值最大的節(jié)點(diǎn)相關(guān)，在進(jìn)行電路寬帶匹配時(shí)，要降低各級(jí)匹配網(wǎng)絡(luò)的 Q 值 ^[5]。

輸入匹配網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)阻抗匹配理論，在一定帶寬內(nèi)的匹配，其阻抗變換比越大，匹配難度及損耗隨之增大。在功率放大器中，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)主要影響電路的增益，對(duì)電路的線性度及效率影響較小，本文輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用 π 型網(wǎng)絡(luò)，引入一定的損耗降低匹配網(wǎng)絡(luò)的 Q 值以改善電路的帶寬、穩(wěn)定性及增益平坦度。

級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)：第一、二級(jí)輸出阻抗差異與第二、三級(jí)輸入阻抗差異均不大，阻抗變換比較小，所以級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)相較簡單。在保證電路帶寬的前提下，盡量減小匹配引入的損耗。

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)：輸出匹配網(wǎng)絡(luò)不僅影響信號(hào)功率傳輸，同時(shí)也影響功放的效率，其設(shè)計(jì)核心在于負(fù)載線匹配。本文根據(jù)負(fù)載線匹配理論仿真確定最優(yōu)輸出阻抗點(diǎn)R_opt 后，采取片外匹配的方式，通過傳輸線與 L 型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合實(shí)現(xiàn)負(fù)載線匹配。

（3）電路穩(wěn)定性分析

對(duì)于功率放大器這種雙端口網(wǎng)絡(luò)，其電路穩(wěn)定的 K 因子可表示為：

對(duì)于共射方式連接的 HBT 晶體管，其穩(wěn)定因子 K 可表示為 ^[6]：

本文中采用發(fā)射級(jí)串聯(lián)電阻與集電極基級(jí)并聯(lián)反饋的形式來提高電路的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。通過仿真，本文電路在全頻段 K 因子均大于 2，電路無條件穩(wěn)定。

（4）整體電路設(shè)計(jì)

本文整體電路如圖 4 所示，主要由 3 級(jí)放大結(jié)構(gòu)組成，匹配網(wǎng)絡(luò)從后往前設(shè)計(jì)，基于功率放大器的功能特性，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)主要注重功率的線性傳輸，輸入級(jí)及級(jí)間匹配網(wǎng)絡(luò)主要保證電路的駐波、帶寬及增益等特性。

功率放大器第一級(jí)偏置設(shè)計(jì)在 A 類、第二級(jí)偏置設(shè)計(jì)在淺 AB 類以提高電路增益及線性度，第三級(jí)偏置設(shè)計(jì)在深 AB 類來提升電路輸出功率及效率。第一級(jí)采用 6 個(gè)單指 HBT 晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積 240 μm²； 第二級(jí)采用 18 個(gè)單指 HBT 晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積 720 μm²；第三級(jí)采用 36 個(gè)單指 HBT 晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積 2 880 μm²。

整體功率放大器版圖盡量為對(duì)稱布局以減小各晶體管之間的相位差對(duì)線性度的影響。根據(jù)晶體管通過電流大小，合理分布接地過孔的位置及數(shù)量。本次電路設(shè)計(jì)為片外輸出匹配的方式，方便后期根據(jù)使用目的不同而做出相應(yīng)的帶寬、功率調(diào)整。整體芯片尺寸為 1.24 mm×1.27 mm×0.1 mm。

2 測試結(jié)果與分析

圖 5 為本文功率放大器 EVB 照片。功率放大器工作電壓 V_CC = 5 V，靜態(tài)電流 I_CC = 240 mA。使用是德科技網(wǎng)絡(luò)分析儀 PNA5242B 對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào) S 參數(shù)和輸出 1 dB 壓縮點(diǎn)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖 6、圖 7 所示。從圖 6 可以看出小信號(hào)增益在工作頻率 5.9~7.2 GHz 內(nèi)大于 27 dB，輸入回波損耗小于 -15 dB，輸出回波損耗小于 -10 dB；從圖 7 可以看出在工作頻率內(nèi)三溫（-40 ℃、+25 ℃、+105 ℃） 輸出 1 dB 壓縮點(diǎn)大于 29 dBm，實(shí)現(xiàn)了寬帶大功率輸出，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的 自適應(yīng)偏置結(jié)構(gòu)及寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款 6 GHz 高增益、寬帶、高線性度功率放大器單片集成電路。該功率放大器采用 2 μm GaAs HBT 工藝，芯片面積：1.24 mm×1.27 mm。測試結(jié)果 表明，工作頻帶為 5.9~7.2 GHz，工作頻帶增益典型值為 29 dB，輸出飽和功率＞ 1 W。該功率放大器可用于 WIFI 6E 設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)用，具有較強(qiáng)的市場應(yīng)用前景。

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（注：本文轉(zhuǎn)自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）