《Chinese Journal of Electronics》：A 0.03 GHz to 6 GHz Gallium Nitride Monolithic Microwave Integrated Circuit Power Amplifier with Improved OIP3/Pdc Using Nonlinear Cancellation
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推荐：为应对电子战与无线通信系统中对高线性度、高效率超宽带高功率放大器（UWB-HPA）的迫切需求，研究人员提出了一种基于非线性抵消理论的栅极偏置优化方法，并采用单晶体管驱动分布式放大器（SDDA）架构设计了一款0.03-6 GHz的氮化镓（GaN）单片微波集成电路（MMIC）。结果表明，该方法成功将三阶互调“甜点”（IM3-S）移至饱和输出功率区附近，在2.6 GHz和5.6 GHz实现了领先的OIP3/Pdc比值，显著提升了放大器在饱和区附近的线性度与效率，为GaN UWB-HPA的高线性度设计提供了新思路。
在当今的无线通信和电子战系统中，多任务、多功能的需求日益增长。无论是干扰敌方信号的电子对抗，还是快速切换频段的通信设备，都需要能够覆盖极宽频率范围（例如从几十兆赫到数千兆赫）的功率放大器，而且对输出功率和效率的要求极高。这就是超宽带高功率放大器（Ultra-wideband and High-power Amplifier, UWB-HPA）的用武之地。然而，鱼与熊掌往往难以兼得。传统的UWB-HPA通常在输出功率、带宽和线性度之间做出妥协。为了满足通信系统的线性度要求，放大器常常需要工作在远离饱和输出功率的区域，这被称为“功率回退”（Output Back-Off, OBO）。虽然线性度提升了，但代价是牺牲了宝贵的输出功率和效率。因此，如何在输出功率接近饱和、效率很高的状态下，依然保持卓越的线性度，成为业界亟待攻克的一大难题。尤其对于采用氮化镓（Gallium Nitride, GaN）工艺的单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC）功率放大器，其线性度评估指标之一——输出三阶交调点与直流功耗的比值（OIP3/Pdc），通常偏低，有巨大的提升空间。为了解决这一关键挑战，一项发表在《Chinese Journal of Electronics》上的研究，提出了一种新颖的解决方案，旨在为GaN UWB-HPA带来一场“线性革命”。
为了探寻问题的答案，研究团队开展了一系列理论推导、仿真设计和实验验证工作。首先，他们深入分析了级联放大器（即驱动级和末级）中三阶互调（IM3）分量的产生机理，并基于非线性抵消理论，提出了针对级联放大器的栅极偏置优化方法。核心思想是：通过优化偏置，改变HPA中晶体管的高阶跨导，从而“生成”一个三阶互调“甜点”（IM3 Sweet Spot, IM3-S），并能够将这一线性度最优的“甜点”向饱和输出区域“移动”。为了验证该方法的有效性，研究人员利用内部开发的0.25 μm GaN工艺，设计并制造了一款采用两阶段单晶体管驱动分布式放大器（Single-transistor Driven Distributed Amplifier, SDDA）架构的MMIC UWB-HPA。他们通过一系列测试，包括单音功率测试、双音（Two-tone）互调测试等，来评估放大器的输出功率、效率、增益、稳定性和线性度等关键性能指标。
IM3在级联放大器中的分析
研究人员首先从理论上推导了在双音信号激励下，两级级联放大器中IM3分量的矢量叠加模型。分析表明，在合适的偏置和相位条件下，由驱动级和末级产生的多个IM3分量能够实现矢量抵消，从而在特定输入功率水平下形成一个IM3的最小值点，即IM3-S。通过将末级晶体管偏置在更低的静态电流（即更深的Class-AB状态），可以使IM3-S出现在更接近饱和输出功率的区域，从而在实现高输出功率和高效率的同时，显著改善线性度。这部分分析在中通过矢量图和比较进行了清晰的阐释。
SDDA的设计
基于理论分析，研究团队设计了一个两级SDDA电路。驱动级采用单个晶体管，末级采用分布式放大架构。设计过程中，考虑了晶体管尺寸、偏置电压对高阶跨导（G1, G3, G5）的影响。计算结果表明，在较低栅极偏压下，IM3-S更容易出现在接近饱和区的高输入功率处。通过将末级晶体管偏置设为Vgs2 = -2.8 V (Idq=40 mA)，并将驱动级偏置设得更深（例如Vgs1 = -3.4 V），可以将IM3-S“推向”饱和区。仿真结果显示，在2.6 GHz和5.6 GHz，通过调整驱动级和末级的栅极电压，IM3-S的位置可以在输入功率范围内移动，验证了理论预测的可行性。最终设计的SDDA电路如图所示。
测量结果
制造完成的芯片面积为2.34 x 1.88 mm2，并装配在评估板上进行测试。单音信号测量显示，在0.03 GHz至6 GHz的超宽频率范围内，放大器的饱和输出功率(Psat)超过10 W，功率附加效率(Power-Added Efficiency, PAE)大于41%。双音信号（频率间隔1 MHz）测量是验证线性度的关键。结果显示：
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在2.6 GHz，通过将IM3-S移至0.9 dB OBO处，在输出功率为39.5 dBm (约8.9 W)、PAE为41%时，IM3达到-33.8 dBc。
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在5.6 GHz，将IM3-S移至2.2 dB OBO处，在输出功率为37.7 dBm (约5.9 W)、PAE为52%时，IM3达到-35.6 dBc。
最突出的性能指标是OIP3/Pdc比值。在2.6 GHz和5.6 GHz，该放大器的OIP3/Pdc比值分别达到了39和128，与文中图和图所示的现有研究相比，达到了领先水平，实现了在UWB频率范围内兼具高输出功率、高效率和高线性度的目标。
结论与意义
本项研究通过对级联放大器中非线性抵消机制的理论分析和建模，提出了一种基于栅极偏置优化的设计方法，能够将三阶互调“甜点”主动地、可预测地移向饱和功率区。利用该方法设计并制造的基于SDDA架构的GaN MMIC UWB-HPA，在0.03-6 GHz的超宽频带内成功实现了超过10 W的饱和输出功率、超过41%的功率附加效率，并且在2.6 GHz和5.6 GHz获得了业界领先的OIP3/Pdc比值，分别达到39和128。这意味着，在输出功率和效率接近最佳状态时，放大器的线性度得到了前所未有的提升。
该研究的核心贡献在于，为设计高线性度GaN UWB-HPA提供了一种新的、高效的理论框架和设计思路。与传统的功率回退、前馈、谐波注入等线性化技术相比，本文提出的方法不显著增加电路复杂度和功耗，尤其适用于对带宽、功率和效率有苛刻要求的超宽带系统。这项成果不仅有助于推动电子战与无线通信系统（特别是多频段、多功能系统）中核心功率放大器件性能的跃升，也为未来GaN MMIC技术在更高频段、更高功率和更高线性度方向的应用开辟了新的路径。
