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随着第五代移动通信技术(5G)的快速发展,人类社会对射频微波前端电路中的核心部件——功率放大器提出了更高的性能要求,其中包括宽带化、高效率和小型化等等,而基于GaN工艺的微波单片集成电路(MMIC)具有功率密度高、带宽大、效率高的天然优势,能够迎合5G通信对高性能功放的需求,因此本文将着重对面向5G通信的GaN MMIC功率放大器进行研究,其具体研究内容如下:1.在5G通信应用场景下,为保证小型蜂窝基站的覆盖范围和整体尺寸,功率放大器的输出功率密度需要满足要求。本文对提高功率放大器输出功率的拓扑结构——堆叠晶体管(Stacked-FET)结构进行了基本理论分析,发现StackedFET结构相比于并联晶体管来提高功放输出功率的结构,具有单级输出功率更高,等效最佳阻抗相对较大,输出匹配较容易实现的特点。因此本文提出基于Stacked-FET结构来进行相应GaN MMIC功率放大器设计的方案。在进行两款MMIC功放设计之前,采用Stacked-FET结构,利用Cree CGH40010封装晶体管进行相应设计方案的可行性验证,并设计了一款工作于1.6-2.8 GHz的功率放大器,仿真结果显示其饱和输出功率在42.7-43.3 dBm之间,饱和附加效率(PAE)为54.4%-57.6%,饱和功率增益为14.7-15.3 dB。2.高效率功率放大器的带外频谱分量丰富,会对带外其他信道的信号产生干扰,因此需要在高效率功放的末端级联具有谐波抑制功能的滤波器;然而若将功率放大器与谐波滤波器独立设计之后,再简单级联在一起的话,谐波滤波器所反射的谐波功率势必会对原本的功率放大器匹配性能造成影响,因此本文在设计高效率功放输出匹配网络时,考虑了匹配网络的谐波抑制作用,并使用Cree CGH40010封装晶体管设计了一款带有谐波抑制滤波器结构的功率放大器,实验测试性能为:1.7-2.6 GHz频段内,饱和输出功率优于41 dBm,饱和增益大于13dB,饱和附加效率为53.3%-69.8%,二次和三次谐波功率相对于基波功率抑制比优于-40 dBc。3.在5G通信应用场景下,信号具有大带宽的特点。本文采用连续类功放工作模式来实现功放的宽带高效率,并通过Stacked-FET结构与两路并联功率合成相结合的拓扑方式,来提高MMIC芯片的输出功率密度,从而满足小型蜂窝基站的覆盖范围和小型化要求,最后利用OMMIC 100 nm硅基GaN工艺,设计了一款工作在1.8-4 GHz频段内的MMIC功率放大器。在20 V漏极偏置和20 dBm输入连续波信号的情况下,其饱和输出功率为35.2-35.6 dBm,饱和增益为15.2-15.6dB,饱和PAE为49.9%-58.4%,整个芯片面积为1.6 mm×3.8 mm。4.在5G通信应用场景下,调制信号具有峰均比高的特点。本文采用对称式Doherty架构来实现功放回退区效率的提升,并通过Stacked-FET结构作为单个输出功率单元来提高输出阻抗,使得输出匹配网络更容易设计,从而舍去后匹配网络,节约芯片面积,最后使用某研究所0.25μm碳化硅基GaN工艺,设计了一款工作在3.2-3.8GHz频段内的Doherty MMIC功率放大器。仿真结果显示该功放的饱和输出功率大于40 dBm,饱和PAE为36.8%-45.6%,6 dB回退PAE为23.1%-29.8%,饱和增益为16.1-18.1 dB,整个芯片面积为3.5 mm×2.4 mm。