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摘 要：介绍了一种具有高输出功率的功率放大器，设计利用的是两路伪差分电路结构，每一条支路都由两级电路构成，第一级电路为驱动级电路，第二级电路为功率级电路。电路的匹配网络由传输线和电容构成，以保证信号能够高效率地传输。用威尔金森功分器将两支路结合在一起，通过调试功率分配器使整体电路到达最优化。功率放大器属于AB类放大器，采用0.13um SiGe BiCMOS工艺，在中心频率30GHz时得到整体电路后仿真结果：输出1dB压缩点OP1dB=22.91dBm，功率增益GP=25.52dB。
关键词：高输出功率;高功率增益;两路对称;功分器
文献标识码：A
随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统对信道的容量要求越来越高。而且频谱中低频段的利用率已趋于饱和，满足不了现代无线通信发展的要求。工作在Ka波段下的通信系统拥有超高的带宽和频段。
功率放大器位于无线收发系统前端，其功率大小决定了信号传输的距离，其带宽决定了系统能够承载的信息容量。实现高功率主要有两种方法：一种是采用多路合成技术，用威尔金森功分器、定向耦合器或巴伦对各支路进行功率合成;另一种是采用晶体管堆叠的方法，实质是通过提高输出电压摆幅来提高输出功率。[1，2，3]
1 高功率放大器概述
图1是电路的整体框图，电路主要有三部分组成，即功率分配器、主体PA电路、功率合成器。功率分配器将输入信号二等分为两路完全相等的信号，然后被均分的信号分配给驱动级电路，驱动级电路主要是为驱动功率级电路而设计。功率合成器和功率分配器的结构是互易的，功率合成器将两路的功率以和的形式合成，输出给下一级。
2 功率放大器电路设计
功率放大器的每一支路的第二级电路均采用Cascode结构，这样能够增加功率放大器的稳定性。因为这种结构有效地抑制密勒效应，增强了输入输出之间的隔离度，使两者的相互影响减弱。开始电路设计时，首先对功率级电路进行设计，找到合适的静态直流工作点使管子工作在AB类状态，紧接着对电路的输入端和输出端进行匹配。为达到良好的匹配效果，尽量使用多阶匹配网络，一般使用π型或T型匹配网络。上下两个管子基极的隔交电感均用大电阻代替，电阻不仅起到隔交作用，还可通过调节其阻值改变管子偏置电流。[4]
两级电路级联时，由于驱动级电路的输出阻抗匹配和功率级电路的输入匹配分别匹配到50欧姆，导致级间匹配阶数太多，损耗增大。那么级联时，要求我们直接将驱动级和功率级进行共轭匹配，如圖2为简化后的匹配网络。[6，7]
3 版图和仿真结果
4 结论
本文在0.13um SiGe BiCMOS工艺下设计了一种拥有高输出功率的Ka波段功率放大器，使用的电路整体结构是两路对称式的伪差分结构。采用这种结构有效地提高了输出功率，另外通过进一步优化匹配网络，降低了无源器件的损耗。电路在30GHz中心工作频点下测得，OP1dB=22.9dBm，GP=25.5dB，PAEmax=17.2%。
参考文献：
[1]Jeong D，Moon K，Lee S，et al.Linear CMOS power amplifier at Ka-band with ultra-wide video bandwidth[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.IEEE，2017：220-223.
[2]Blount P，Huettner S，Cannon B.A High Efficiency，Ka-Band Pulsed Gallium Nitride Power Amplifier for Radar Applications[C].Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium.IEEE，2016：1-4.
[3]Chéron J，Campovecchio M，Quéré R，et al.High-gain over 30% PAE power amplifier MMICs in 100 nm GaN technology at Ka-band frequencies[C].Microwave Integrated Circuits Conference.IEEE，2016：262-264.
[4]Chappidi C R，Sengupta K.20.2 A frequency-reconfigurable mm-Wave power amplifier with active-impedance synthesis in an asymmetrical non-isolated combiner[C].IEEE International Solid-State Circuits Conference.IEEE，2016：344-345.
[5]Xia J，Chung A，Boumaiza S.A wideband millimeter-wave differential stacked-FET power amplifier with 17.3 dBm output power and 25% PAE in 45nm SOI CMOS[C].Microwave Symposium.IEEE，2017：1691-1694.
[6]Shakib S，Park H C，Dunworth J，et al.A Highly Efficient and Linear Power Amplifier for 28-GHz 5G Phased Array Radios in 28-nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2016，51（12）：3020-3036.
[7]Mortazavi S Y，Koh K J.A 28-GHz inverse class-F power amplifier with coupled-inductor based harmonic impedance modulator[C].Custom Integrated Circuits Conference.IEEE，2015：1-4.
[8]Liu G.A fully integrated 0.18 μm SiGe BiCMOS power amplifier[C].IEEE，International Conference on Asic.IEEE，2016：1-4.
[9]Pan R，Gu J，Yeo K S，et al.SiGe BiCMOS power amplifiers for 60GHz ISM band applications[C].Soc Design Conference.IEEE，2012：13-16.
[10]Hung C C，Kuo J L，Lin K Y，et al.A 22.5-dB gain，20.1-dBm output power K-band power amplifier in 0.18-μm CMOS[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.IEEE，2010：557-560.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61372021）
关键词：高输出功率;高功率增益;两路对称;功分器
文献标识码：A
随着无线通信技术的飞速发展，无线通信系统对信道的容量要求越来越高。而且频谱中低频段的利用率已趋于饱和，满足不了现代无线通信发展的要求。工作在Ka波段下的通信系统拥有超高的带宽和频段。
功率放大器位于无线收发系统前端，其功率大小决定了信号传输的距离，其带宽决定了系统能够承载的信息容量。实现高功率主要有两种方法：一种是采用多路合成技术，用威尔金森功分器、定向耦合器或巴伦对各支路进行功率合成;另一种是采用晶体管堆叠的方法，实质是通过提高输出电压摆幅来提高输出功率。[1，2，3]
1 高功率放大器概述
图1是电路的整体框图，电路主要有三部分组成，即功率分配器、主体PA电路、功率合成器。功率分配器将输入信号二等分为两路完全相等的信号，然后被均分的信号分配给驱动级电路，驱动级电路主要是为驱动功率级电路而设计。功率合成器和功率分配器的结构是互易的，功率合成器将两路的功率以和的形式合成，输出给下一级。
2 功率放大器电路设计
功率放大器的每一支路的第二级电路均采用Cascode结构，这样能够增加功率放大器的稳定性。因为这种结构有效地抑制密勒效应，增强了输入输出之间的隔离度，使两者的相互影响减弱。开始电路设计时，首先对功率级电路进行设计，找到合适的静态直流工作点使管子工作在AB类状态，紧接着对电路的输入端和输出端进行匹配。为达到良好的匹配效果，尽量使用多阶匹配网络，一般使用π型或T型匹配网络。上下两个管子基极的隔交电感均用大电阻代替，电阻不仅起到隔交作用，还可通过调节其阻值改变管子偏置电流。[4]
两级电路级联时，由于驱动级电路的输出阻抗匹配和功率级电路的输入匹配分别匹配到50欧姆，导致级间匹配阶数太多，损耗增大。那么级联时，要求我们直接将驱动级和功率级进行共轭匹配，如圖2为简化后的匹配网络。[6，7]
3 版图和仿真结果
4 结论
本文在0.13um SiGe BiCMOS工艺下设计了一种拥有高输出功率的Ka波段功率放大器，使用的电路整体结构是两路对称式的伪差分结构。采用这种结构有效地提高了输出功率，另外通过进一步优化匹配网络，降低了无源器件的损耗。电路在30GHz中心工作频点下测得，OP1dB=22.9dBm，GP=25.5dB，PAEmax=17.2%。
参考文献：
[1]Jeong D，Moon K，Lee S，et al.Linear CMOS power amplifier at Ka-band with ultra-wide video bandwidth[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.IEEE，2017：220-223.
[2]Blount P，Huettner S，Cannon B.A High Efficiency，Ka-Band Pulsed Gallium Nitride Power Amplifier for Radar Applications[C].Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium.IEEE，2016：1-4.
[3]Chéron J，Campovecchio M，Quéré R，et al.High-gain over 30% PAE power amplifier MMICs in 100 nm GaN technology at Ka-band frequencies[C].Microwave Integrated Circuits Conference.IEEE，2016：262-264.
[4]Chappidi C R，Sengupta K.20.2 A frequency-reconfigurable mm-Wave power amplifier with active-impedance synthesis in an asymmetrical non-isolated combiner[C].IEEE International Solid-State Circuits Conference.IEEE，2016：344-345.
[5]Xia J，Chung A，Boumaiza S.A wideband millimeter-wave differential stacked-FET power amplifier with 17.3 dBm output power and 25% PAE in 45nm SOI CMOS[C].Microwave Symposium.IEEE，2017：1691-1694.
[6]Shakib S，Park H C，Dunworth J，et al.A Highly Efficient and Linear Power Amplifier for 28-GHz 5G Phased Array Radios in 28-nm CMOS[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2016，51（12）：3020-3036.
[7]Mortazavi S Y，Koh K J.A 28-GHz inverse class-F power amplifier with coupled-inductor based harmonic impedance modulator[C].Custom Integrated Circuits Conference.IEEE，2015：1-4.
[8]Liu G.A fully integrated 0.18 μm SiGe BiCMOS power amplifier[C].IEEE，International Conference on Asic.IEEE，2016：1-4.
[9]Pan R，Gu J，Yeo K S，et al.SiGe BiCMOS power amplifiers for 60GHz ISM band applications[C].Soc Design Conference.IEEE，2012：13-16.
[10]Hung C C，Kuo J L，Lin K Y，et al.A 22.5-dB gain，20.1-dBm output power K-band power amplifier in 0.18-μm CMOS[C].Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.IEEE，2010：557-560.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61372021）