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19~21 GHz GaAs高線性功率放大器MMIC

電子技術應用

劉曉禹1，韓程浩1，阮文武1，郭潤楠1，2，劉伶1，許鑫東1，侯澤文1，莊園1，2，余旭明1，陶洪琪1，2

1.南京電子器件研究所；2.固態微波器件與電路全國重點實驗室

摘要： 基于0.15 μm GaAs高電子遷移率晶體管（pHEMT）工藝研制了一款19~21 GHz的高線性功率放大器單片微波集成電路。高峰均比信號傳輸場景中，功率放大器的效率和線性度對射頻前端性能具有關鍵影響。該放大器在功放柵極級聯冷模線性化電路，以補償放大器輻相失真特性，進而實現線性度和效率的提升，為克服冷模對電壓敏感問題，采用片上有源穩壓及溫度補償偏置電路擴展動態范圍，降低大動態失真，抑制工藝離散、外部離散等帶來的線性度惡化問題。測試結果表明，在19~21 GHz頻帶內，飽和輸出功率為22.3~22.8 dBm，飽和功率附加效率為35.3%~36.5%。在19 GHz、20 GHz和21 GHz頻點，輸出功率19 dBm時，三階互調失真均小于-30 dBc；6 dB峰均比、100 MHz正交頻分多路復用的64-QAM調制信號激勵下，平均輸出功率及對應的功率附加效率為19 dBm和27%，實現了-31.9 dBc、-33.2 dBc和-31.2 dBc的鄰道功率比及4.32%、4.13%和5.3%的誤差矢量幅度。

關鍵詞： 自適應穩壓偏置冷模高線性砷化鎵

中圖分類號：TN492；TN722.7.5 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256340
中文引用格式： 劉曉禹，韓程浩，阮文武，等. 19~21 GHz GaAs高線性功率放大器MMIC[J]. 電子技術應用，2025，51(4)：72-78.
英文引用格式： Liu Xiaoyu，Han Chenghao，Ruan Wenwu，et al. 19~21 GHz GaAs high linearity power amplifier MMIC[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：72-78.

19~21 GHz GaAs high linearity power amplifier MMIC

Liu Xiaoyu1，Han Chenghao1，Ruan Wenwu1，Guo Runnan1，2，Liu Ling1，Xu Xindong1，Hou Zewen1，Zhuang Yuan1，2，Yu Xuming1，Tao Hongqi1，2

1.Nanjing Electronic Devices Institute； 2.National Key Laboratory of Solid-state Microwave Devices and Circuits

Abstract： Based on a technology of 0.15 μm GaAs high electron mobility transistor (pHEMT), a 19~21 GHz high linearity power amplifier MMIC was demonstrated in this paper. In the scenario of signal transmission with high peak-to average power ratio（PAPR）,the efficiency and linearity of power amplifier（PA）have a critical impact on RF front-end performance. The amplifier incorporates a cold-mode linearization circuit cascaded at the power amplifier gate to compensate for the amplifier's phase distortion characteristics, thereby enhancing linearity and efficiency. To address the voltage sensitivity issue of the cold mode, an on-chip active voltage stabilization and temperature compensation bias circuit is employed to expand the dynamic range, reduce large dynamic distortion, and mitigate the deterioration of linearity caused by process variations and external discreteness. The room temperature measured results demonstrate that the achieved saturated output power of 22.3~22.8 dBm with 35.3%~36.5% saturated power-added efficiency (PAE) between 19 GHz and 21 GHz. Especially, the measured IMD3 at 19 GHz, 20 GHz and 21 GHz is below -30 dBc with an output power level of 19 dBm. For a 64-QAM orthogonal frequency division multiplexing signal with 6 dB peak-to-average power ratio and 100 MHz bandwidth，the PA exhibits an adjacent channel power ratio of -31.9 dBc、-33.2 dBc and -31.2 dBc when the error vector magnitude are 4.32%、4.13% and 5.3%.

Key words : adaptive biasing circuit；cold-mode；high linearity；GaAs

引言

隨著衛星通信系統不斷發展，低頻段頻譜資源日益枯竭，毫米波頻段的通信系統開發備受關注。同時衛星通信系統中，寬頻帶的工作要求以及高峰值平均功率比（Peak to Average Power，PAPR）調制信號環境對射頻前端的功率放大器的線性度提出越來越高的要求[1]。基于實際應用場景的功能需求，功率放大器不僅需要有充足的飽和輸出功率和效率，而且在回退區間也期望有較佳的功率性能和線性度[2]。當前，隨著工藝技術的經驗積累，GaAs pHEMT已成為毫米波高線性功率放大器的優選可靠方案。

近年來，國內外關于毫米波高線性功率放大器的研究取得頗多進展。Elgharbawy等[3]結合自適應偏置、自適應反饋以及自適應電容補償，在24~44 GHz實現了22.3 dBm的飽和輸出功率和21.75 dBm的1 dB壓縮點輸出功率，功率附加效率（Power Added Efficiency,PAE）是衡量射頻功率放大器性能的關鍵指標，其PAEmax在36%左右。Bai等[4]在傳統差分共源放大器中采用冷場效應管級間匹配網絡對電容進行補償，研制了一款超寬帶線性功放，在23~41 GHz內實現了飽和輸出功率22.3 dBm、PAE>36%同時1 dB壓縮點輸出功率21.75 dBm、PAE>34%。Chen等[5]研究了二次諧波對寬帶調制線性度的影響，在26 GHz實現了21.3 dBm的飽和輸出功率和20.8 dBm的1 dB壓縮點輸出功率，飽和PAE>26%。上述報道研究主要集中在飽和工作區域附近，增加了電路的復雜度和尺寸且均為固定多個柵壓下的性能，對柵壓敏感度極高，對工作環境的穩定性提出了較高的要求。

針對現有毫米波功率放大器方案線性化方案存在回退區域線性度不足、尺寸要求高、環境敏感性高等問題，本文采用片上集成的有源穩壓偏置電路和級聯冷模線性化電路等方法，抑制工藝離散、外部離散等帶來的線性度惡化問題，基于0.15 μm GaAs pHEMT工藝，研制了一款19~21 GHz的高線性功率放大器單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)芯片。

本文詳細內容請下載：

http://www.shi-ke.cn/resource/share/2000006398

作者信息：

劉曉禹1，韓程浩1，阮文武1，郭潤楠1，2，劉伶1，許鑫東1，侯澤文1，

莊園1，2，余旭明1，陶洪琪1，2

（1.南京電子器件研究所，江蘇南京 210016；

2.固態微波器件與電路全國重點實驗室，江蘇南京 210016）

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