砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)广泛应用于射频功率放大器的设计。功放是射频前端模块中耗能最多的器件之一,因此要求功放具有高效率的特点。推挽放大器的上、下两支路在一个射频信号周期内轮流导通,是一种常用的提高效率的电路结构。但是GaAs HBT互补推挽电路中,将P型和N型晶体管制作在同一个GaAs衬底上,由于最优电流密度的不同,限制了电路的功率处理能力;并且为了得到最佳性能,所需要的外延结构有很大区别,制作工艺复杂,成本很高。在传统的非互补推挽结构中,输入和输出端口均需要变压器或者无源巴伦,输入端是为了形成一对幅度相等、相位相反的输入信号,输出端则是为了反相合成上下支路晶体管集电极的输出信号。但是变压器和巴伦的物理尺寸比较大,不利于片上集成。本文首先对基于N型GaAs HBT工艺的高效率、单端口输入和输出的非互补推挽射频功放进行了研究;然后基于上述研究结果,从差分电路结构、热分布优化技术、自适应线性化偏置技术、宽带匹配技术以及电路实现等方面对宽带、高效率、高线性的差分推挽射频功放展开研究。论文的主要研究工作和创新如下:(1)基于N型GaAs HBT工艺以及晶体管集电极和发射极输出信号反相的特性,改进了传统非互补推挽电路结构,提出了一种高效率、单端口输入和输出的推挽电路,输入和输出均不需要采用变压器或无源巴伦。仿真结果表明,工作频点为2.1GHz时,电路的功率增益为21dB,输出功率为32dBm,功率附加效率(PAE)为50%。此外,与传统共射极射频功放相比,输出功率相当的情况下,该电路结构的二次谐波分量减少了4.04dB,三次谐波分量减少了 9.19dB,明显提高了功放的线性度。(2)基于差分结构线性度的优势和两组同样的N型非互补推挽电路,提出了一种高线性的差分推挽电路结构,有效地减小了单组N型非互补推挽结构由于上下支路不对称性导致的输出波形正负半周的差异,同时提高了输出信号的摆幅。并且输入端利用HBT晶体管替代无源巴伦以减小版图面积。仿真结果表明:一款工作频段为1.8GHz-2.4GHz的差分推挽功放,单组推挽和差分推挽输出波形正负半周峰值的差异分别为1.49V和1.02V,差异分别占相应输出电压摆幅的15.38%和5.09%,改善了 10.29%。(3)提出了一种新型热分流结构,通过引入集电极金属,新增加一条热源到地的散热路径,改善功放的热分布,同时提高电路的PAE。相较于传统的热分布优化技术,该热分流结构可以针对性的降低基极-集电极结温度。仿真结果表明,功放正常工作时,温度分布达到稳态后,传统版图布局结构中HBT热源处温度最高为163℃,新结构为148℃,较传统结构下降了 15℃,改善了 9.2%,同时电路PAE提高了 2%。(4)综合上述研究工作,基于N型2μm GaAs HBT工艺设计并实现了一款工作频段为1.5GHz-2.7GHz的宽带、高效率、高线性差分推挽功率放大器:基于自适应线性化偏置技术电路增益提高了 1dB;基于阶梯型行波传输匹配技术将电路带宽拓展至1.2GHz;基于差分推挽结构将输出波形差异改善了 10.45%。芯片面积为0.9×1.5mm2,测试时在片外利用了一个传输线巴伦对推挽级输出波形进行合成。测试结果表明供电电压12V时,在1.78GHz-2.67GHz的频段内电路输入回波损耗S11低于-15dB;2.1GHz时小信号增益S21为27dB,输出功率P1dB为34dBm,PAE达到45%。论文基于以上工作,实现的功率放大器在1.5GHz-2.7GHz频段内具有高效率、高线性、高功率的特点,可应用于北斗卫星定位、LTE、WLAN等多种通信系统。