一款應用于Wi-Fi?6E設備的GaAs?HBT功率 放大器

摘要：針對WIFI 6E頻段的設備需求，設計了一款工作在5.9?GHz~7.2?GHz的寬帶砷化鎵異質(zhì)結雙極型晶體管（GaAs HBT）功率放大器。功率放大器為三級放大拓撲結構，采用自適應偏置電路結構解決HBT晶體管在大功率輸入下偏置點(diǎn)變化及自熱效應引起增益及線(xiàn)性度惡化的問(wèn)題。測試結果表明，在5.9?GHz~7.2?GHz頻段 內，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(lái)，隨著(zhù)人們對無(wú)線(xiàn)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(lái)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 頻段運行的 WIFI 6設備命名為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(gè)重要器件，為了適應在多標準通信環(huán)境中更高的數據速率，PA 的線(xiàn)性度和多模 / 多頻帶能力無(wú)疑成為 PA 設計中更注重的問(wèn)題。隨著(zhù)市場(chǎng)需求的不斷擴大，迫切需要低成本、高線(xiàn)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 頻段內實(shí)現增益大于 27 dB，飽和輸出功率大于 1 W，可用于 WIFI6E 系統驅動(dòng)級應用。

1 芯片電路設計與分析

1.1 電路結構

本文設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，其電路結構如圖 1 所示。該結構采用三級放大結構，工作電壓為 5 V，其偏置電壓可根據外圍配置在 3.3~5 V 可調。電路第一級偏置采用 A 類(lèi)、第二級偏置采用淺 AB 類(lèi)功率放大器結構以提高電路增益及線(xiàn)性度，第三級偏置采用深 AB 類(lèi)功率放大器結構來(lái)提高電路輸出功率及效率。

1.2 電路設計

電路主要包含晶體管、直流偏置結構、匹配網(wǎng)絡(luò )。

（1）直流偏置結構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(xiàn)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，導致晶體管工作點(diǎn)變化，引起電路增益及線(xiàn)性度的變化。文獻 [2] 提出一種應用于較低頻率的自適應線(xiàn)性化偏置電路，文獻 [3] 提出采用多個(gè)電容較復雜的自適應線(xiàn)性化偏置結構，能夠提高一定的輸出飽和功率。本文采用如圖 2 所示自適應偏置結構 ^[4]。Q1、Q2 構成一個(gè)電流鏡，其電流由限流電阻 R1、R2 控制，Q3 用于調節入，從而產(chǎn)生相等的電流。隨著(zhù)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(guò) C2 旁路到地， 故 Q3 的 Vb3 保持不變，由于二極管的整流效應，Vbe3 會(huì )降低，Vb3 保持不變，從而補償了 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。當溫度升高時(shí)，偏置電阻 R_bias 及發(fā)射極鎮流電阻 R3 將有效抑制 Q0 的自熱效應，提高電路的穩定性。

（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(wú)源儲能元件電容 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(shuō)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(gè)節點(diǎn)的品質(zhì)因子表示為：

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

輸入匹配網(wǎng)絡(luò )：根據阻抗匹配理論，在一定帶寬內的匹配，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(xiàn)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 )設計相較簡(jiǎn)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(shí)也影響功放的效率，其設計核心在于負載線(xiàn)匹配。本文根據負載線(xiàn)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(guò)傳輸線(xiàn)與 L 型網(wǎng)絡(luò )結合實(shí)現負載線(xiàn)匹配。

（3）電路穩定性分析

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

對于共射方式連接的 HBT 晶體管，其穩定因子 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(lái)提高電路的穩定性，其結構如圖 3 所示。通過(guò)仿真，本文電路在全頻段 K 因子均大于 2，電路無(wú)條件穩定。

（4）整體電路設計

本文整體電路如圖 4 所示，主要由 3 級放大結構組成，匹配網(wǎng)絡(luò )從后往前設計，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(xiàn)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計在 A 類(lèi)、第二級偏置設計在淺 AB 類(lèi)以提高電路增益及線(xiàn)性度，第三級偏置設計在深 AB 類(lèi)來(lái)提升電路輸出功率及效率。第一級采用 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稱(chēng)布局以減小各晶體管之間的相位差對線(xiàn)性度的影響。根據晶體管通過(guò)電流大小，合理分布接地過(guò)孔的位置及數量。本次電路設計為片外輸出匹配的方式，方便后期根據使用目的不同而做出相應的帶寬、功率調整。整體芯片尺寸為 1.24 mm×1.27 mm×0.1 mm。

2 測試結果與分析

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(jìn)行小信號 S 參數和輸出 1 dB 壓縮點(diǎn)進(jìn)行測試，測試結果如圖 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三溫（-40 ℃、+25 ℃、+105 ℃） 輸出 1 dB 壓縮點(diǎn)大于 29 dBm，實(shí)現了寬帶大功率輸出，驗證了本文所設計的 自適應偏置結構及寬帶匹配網(wǎng)絡(luò )。

3 結語(yǔ)

本文設計了一款 6 GHz 高增益、寬帶、高線(xiàn)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 設備驅動(dòng)級應用，具有較強的市場(chǎng)應用前景。

參考文獻：

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

（注：本文轉自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年6月期）