一款完全集成的GaAs MMIC超宽带分布式高效功率放大芯片，其分数带宽达到了107%

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A fully-integrated GaAs MMIC ultra-broadband distributed efficient power amplifier chip with 107% fractional bandwidth

本文提出了一种基于GaAs pHEMT工艺的超宽带分布式高效功率放大器（BDEPA）结构，通过全分布输入匹配网络（FDIMN）替代传统输入网络，在显著减小芯片面积的同时将工作带宽扩展至107%（3.5-11.5 GHz），并在6dB功率回退下保持23.1%-33.9%的高效率。实测输出功率达21.5-24.0 dBm，支持100MHz 64-QAM调制信号下的-31.4 dBc ACLR。

　　

陈卓胤|吴永乐|陈晓盼|赵伟|甄书晨|王伟民

北京邮电大学集成电路学院，中国北京100876，邮政信箱176

摘要

本文提出了一种新型的紧凑型超宽带分布式高效功率放大器（BDEPA）结构，采用GaAs pHEMT工艺实现。传统的分布式高效功率放大器（DEPAs）通常受到输入功率分配和相位移动网络的带宽限制。为克服这一限制，所提出的架构引入了一个（N+1）段全分布式输入匹配网络（FDIMN），替代了传统的输入网络，显著扩展了工作带宽，同时保持了较高的功率背落（PBO）效率。为了验证该概念，制造并测试了一个单片微波集成电路（MMIC）。测试结果显示，在3.5至11.5 GHz的频段内，该放大器实现了107%的分数带宽。在该频段内，BDEPA的输出功率为21.5–24.0 dBm，相应的漏极效率（DE）为28.3–39.1%。在6 dB的PBO下，DE仍保持在23.1–33.9%的高水平。在100 MHz的64-QAM调制信号下，PA在5/10 GHz时实现了16.5/15.5 dBm的平均输出功率和?32.3/-31.4 dBc的ACLR，EVM水平为?25 dB。整个芯片的面积为3.2 mm2。

引言

射频（RF）频谱的日益拥挤迫使现代通信和传感系统在多个传统上独立的频段上运行。特别是C波段和X波段承载了众多关键应用，包括卫星通信（SATCOM）、雷达系统、电子战（EW）和下一代无线回传。传统上，每个频段都需要独立的硬件，这增加了系统的体积、重量、功耗和成本（SWaP-C）。因此，一个能够提供一致超宽带性能的单一紧凑型功率放大器（PA）是一个非常有利的组件，有助于开发可重构和多功能RF系统[1]、[2]、[3]、[4]。

除了对宽带的需求外，这些先进系统还广泛采用了频谱效率高的调制技术，如正交频分复用（OFDM）。OFDM的一个显著缺点是其高峰均功率比（PAPR）较高。由此产生的信号概率密度函数（PDF）表明，PA大部分时间都在低功率水平下工作，而高功率峰值出现频率较低。为了避免信号失真，PA必须在远离饱和点的情况下运行，这意味着它大部分时间都处于效率较低的区域。因此，适用于这些新兴宽带应用的理想PA必须解决在深度PBO下保持高效率的同时，在整个超宽带范围内提供一致性能的双重挑战。

为了解决这一挑战，已经开发了几种先进的PA架构，以在宽动态范围内保持高效率。Doherty PA（DPA）是一种经典且广泛应用的解决方案，通过有源负载调制实现了出色的PBO效率[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。然而，传统Doherty PA的带宽主要受到频率依赖的四分之一波长传输线阻抗逆变器的限制，宽带操作通常依赖于改进的$\lambda$-基础结构或更复杂的阻抗转换技术。其他技术，如负载调制平衡放大器（LMBA）[10]、[11]、不平衡PA [12]和反相PA [13]、[14]，虽然可以提供更宽的带宽，但往往在宽带组合器的设计中引入了显著的复杂性，或者需要复杂的和功耗高的信号处理。

一种同时针对宽带和增强PBO效率的最新架构是分布式高效功率放大器（DEPA）[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。DEPA创新性地结合了分布式放大和类似Doherty的负载调制原理。最近在GaN HEMT工艺中的全集成实现展示了72%的分数带宽（FBW），通过使用分布式输出组合器和将传统辅助放大器分成多个单元实现[19]。此外，在分布式输出匹配网络进行电抗补偿后，DEPA的FBW可以扩展到100% [20]。尽管有这些优势，DEPA架构的占地面积通常较大。在典型的实现中，其输入结构依赖于功率分配网络以及每个辅助PA单元的单独相位补偿线和输入匹配网络。这种复杂性不仅导致芯片面积增大，阻碍了单片微波集成电路（MMIC）的实现，还导致了较大的芯片面积和额外的插入损耗[22]。尽管许多RF系统中可以实现宽带功率分频器和相位移动网络，但在全集成MMIC DEPA中实现它们需要相当大的面积，并且通常会引入不可忽视的输入损耗。这些实际限制使得基于传统分频器的输入架构不太适合紧凑型超宽带MMIC的实现。

在本文中，提出了一种新型的超宽带MMIC PA，以克服上述限制。所提出的宽带分布式高效PA（BDEPA）采用GaAs pHEMT工艺设计和制造。关键创新在于输入和输出网络的全分布式电路拓扑。引入了一个全分布式输入匹配网络（FDIMN），将有源器件的寄生电容吸收到人造传输线中。与依赖专用功率分配网络不同，所提出的FDIMN将宽带输入匹配、功率分配和相位对齐集成到一个统一的分布式结构中，从而显著减小了芯片面积并扩展了输入匹配带宽。通过将FDIMN与传统的DEPA拓扑相结合，所提出的BDEPA证明了在6 dB PBO下实现107%的超宽带分数带宽和显著提高的效率的可行性。

设计理论

图1(c)展示了所提出的BDEPA的架构。输出组合器由分布式输出匹配网络（DOMN）和后匹配网络（PMN）组成。DOMN使用-段传输线（TL）网络实现，该网络将主PA和$N$个辅助PA连接起来，这些辅助PA的特性阻抗为$Z_d$$Z_{,}$$Z_d$。PMN将$N$-段TL网络输出端口处的阻抗转换为宽带频率范围内的所需值，其中$R_L$

测量结果

图8(a)展示了制造的MMIC BDEPA的照片，芯片尺寸仅为3.2 mm2。${}^2$。图8(b)展示了$S$参数、连续波（CW）和调制测量设置。所有测量均在漏极偏压为5 V的情况下进行。图9(a)显示了在漏极电压为5 V时，BDEPA的测量和模拟小信号$S$参数，两者吻合良好。BDEPA在10.4 GHz时的峰值增益为7.5 dB，带宽为3.2至11.8 GHz。

结论

本文提出了一种新型的超宽带分布式高效功率放大器（BDEPA）架构，并通过实验进行了验证。通过采用FDIMN来克服传统输入结构的带宽限制，制造的GaAs pHEMT MMIC在3.5至11.5 GHz的频段内实现了107%的分数带宽这一先进指标。BDEPA在6 dB的功率背落下提供了21.5–24.0 dBm的输出功率，同时保持了23.1–33.9%的漏极效率，证实了其

CRediT作者贡献声明

陈卓胤：撰写——原始草案、可视化、方法论、数据管理、概念化。吴永乐：资源获取、项目管理、概念化。陈晓盼：验证、资源管理、调查。赵伟：验证、资源管理、调查。甄书晨：可视化、验证、调查。王伟民：监督、资源管理、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62320106002和U22A2014）的支持；以及部分得到了北京邮电大学（BUPT）创新与创业支持计划（编号：2025-YC-A079）的支持。