一款應(yīng)用于Wi-Fi?6E設(shè)備的GaAs?HBT功率 放大器

摘要：針對WIFI 6E頻段的設(shè)備需求，設(shè)計了一款工作在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。功率放大器為三級放大拓撲結(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 時代，其高速率、大帶寬、低延時、低功耗的特點受到人們的青睞。2020 年，WIFI 聯(lián)盟將可在 6 GHz 頻段運行的 WIFI 6設(shè)備命名為WIFI 6E，原有的頻段擴展至6 GHz頻段^[1]。功率放大器（PA）是 WIFI 終端中的一個重要器件，為了適應(yīng)在多標準通信環(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)計中更注重的問題。隨著市場需求的不斷擴大，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)動級應(yīng)用。

1 芯片電路設(shè)計與分析

1.1 電路結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計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)。電路第一級偏置采用 A 類、第二級偏置采用淺 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

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，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 - 發(fā)射 極電壓降低以及工藝本身的自熱效應(yīng)，導(dǎo)致晶體管工作點變化，引起電路增益及線性度的變化。文獻 [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 [3] 提出采用多個電容較復(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 會降低，Vb3 保持不變，從而補償了 Vb0 的下降，使 得 Q0 的偏置點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，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，通常使用無源儲能元件電容 C 與電感 L 進行匹配，LC 網(wǎng)絡(luò)在實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。

對于多級匹配網(wǎng)絡(luò)，其第 n 個節(jié)點的品質(zhì)因子表示為：

從式（4）可以看出，電路帶寬與多級匹配網(wǎng)絡(luò)中 Q 值最大的節(jié)點相關(guān)，在進行電路寬帶匹配時，要降低各級匹配網(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。

級間匹配網(wǎng)絡(luò)：第一、二級輸出阻抗差異與第二、三級輸入阻抗差異均不大，阻抗變換比較小，所以級間匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相較簡單。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)不僅影響信號功率傳輸，同時也影響功放的效率，其設(shè)計核心在于負載線匹配。本文根據(jù)負載線匹配理論仿真確定最優(yōu)輸出阻抗點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)合實現(xiàn)負載線匹配。

（3）電路穩(wěn)定性分析

對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)射級串聯(lián)電阻與集電極基級并聯(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

本文整體電路如圖 4 所示，主要由 3 級放大結(jié)構(gòu)組成，匹配網(wǎng)絡(luò)從后往前設(shè)計，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，輸入級及級間匹配網(wǎng)絡(luò)主要保證電路的駐波、帶寬及增益等特性。

功率放大器第一級偏置設(shè)計在 A 類、第二級偏置設(shè)計在淺 AB 類以提高電路增益及線性度，第三級偏置設(shè)計在深 AB 類來提升電路輸出功率及效率。第一級采用 6 個單指 HBT 晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積 240 μm²； 第二級采用 18 個單指 HBT 晶體管并聯(lián)，發(fā)射極面積 720 μm²；第三級采用 36 個單指 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稱布局以減小各晶體管之間的相位差對線性度的影響。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 對電路進行小信號 S 參數(shù)和輸出 1 dB 壓縮點進行測試，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 壓縮點大于 29 dBm，實現(xiàn)了寬帶大功率輸出，驗證了本文所設(shè)計的 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)動級應(yīng)用，具有較強的市場應(yīng)用前景。

參考文獻：

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[5] 黃亮.面向新一代移動通訊終端的多模多頻功率放大器研究[D]. 廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2017.

[6] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設(shè)計[M].張玉興,趙宏飛,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006:151.

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