一款应用于Wi-Fi 6E设备的GaAs HBT功率 放大器

摘要：针对WIFI 6E频段的设备需求，设计了一款工作在5.9 GHz~7.2 GHz的宽带砷化镓异质结双极型晶体管（GaAs HBT）功率放大器。功率放大器为三级放大拓扑结构，采用自适应偏置电路结构解决HBT晶体管在大功率输入下偏置点变化及自热效应引起增益及线性度恶化的问题。测试结果表明，在5.9 GHz~7.2 GHz频段 内，功率放大器增益＞27 dB，输出饱和功率＞1 W，附加效率＞24%，芯片面积：1.24 mm×1.27 mm。

关键词：功率放大器；WIFI 6E；GaAs HBT

近年来，随着人们对无线通信的速率和延迟的需求不断提高，WIFI 技术已经演变来到了 WIFI 6 时代，其高速率、大带宽、低延时、低功耗的特点受到人们的青睐。2020 年，WIFI 联盟将可在 6 GHz 频段运行的 WIFI 6设备命名为WIFI 6E，原有的频段扩展至6 GHz频段^[1]。功率放大器（PA）是 WIFI 终端中的一个重要器件，为了适应在多标准通信环境中更高的数据速率，PA 的线性度和多模 / 多频带能力无疑成为 PA 设计中更注重的问题。随着市场需求的不断扩大，迫切需要低成本、高线性度的功率放大器，相较于高成本的 GaN 工艺和低功率密度的互补金属氧化物半导体 (complementary metal oxide semiconductor, CMOS) 工艺，GaAs HBT技术已成为目前商用中功率放大器的首选技术。本文所设计的功率放大器采用 2 μm GaAs HBT 工艺，芯片面积：1.24 mm×1.27 mm，在 5.9 GHz~7.2 GHz 频段内实现增益大于 27 dB，饱和输出功率大于 1 W，可用于 WIFI6E 系统驱动级应用。

1 芯片电路设计与分析

1.1 电路结构

本文设计的功率放大器是一款适用于 6 GHz 频段 WIFI 发射端的功率放大器，其电路结构如图 1 所示。该结构采用三级放大结构，工作电压为 5 V，其偏置电压可根据外围配置在 3.3~5 V 可调。电路第一级偏置采用 A 类、第二级偏置采用浅 AB 类功率放大器结构以提高电路增益及线性度，第三级偏置采用深 AB 类功率放大器结构来提高电路输出功率及效率。

1.2 电路设计

电路主要包含晶体管、直流偏置结构、匹配网络。

（1）直流偏置结构偏置电路作为放大器的重要组成部分，为电路提供直流偏置点，其直接影响功率放大器的增益、效率以及线性度。GaAs HBT 工艺在大功率输入下，基级 - 发射 极电压降低以及工艺本身的自热效应，导致晶体管工作点变化，引起电路增益及线性度的变化。文献 [2] 提出一种应用于较低频率的自适应线性化偏置电路，文献 [3] 提出采用多个电容较复杂的自适应线性化偏置结构，能够提高一定的输出饱和功率。本文采用如图 2 所示自适应偏置结构^[4]。Q1、Q2 构成一个电流镜，其电流由限流电阻 R1、R2 控制，Q3 用于调节入，从而产生相等的电流。随着输电流镜的输入功率的增加，Q0 的 Vb0 电压降低，泄露到偏置电路的信号将通过 C2 旁路到地， 故 Q3 的 Vb3 保持不变，由于二极管的整流效应，Vbe3 会降低，Vb3 保持不变，从而补偿了 Vb0 的下降，使 得 Q0 的偏置点在大功率输入下保持不变，抑制了增益 压缩。当温度升高时，偏置电阻R_bias及发射极镇流电阻 R3 将有效抑制 Q0 的自热效应，提高电路的稳定性。

（2）匹配网络

由式（1）得知，品质因子正比于存储的能量与网络平均功耗之比。在射频匹配网络中，通常使用无源储能元件电容 C 与电感 L 进行匹配，LC 网络在实际电路中具有一定的阻抗，其品质因子可表示为：

从式（3）中可以看出，Q 值与电路带宽成反比，也就是说要想获得宽带匹配，其匹配网络的 Q 值不能太大。

对于多级匹配网络，其第n个节点的品质因子表示为：

从式（4）可以看出，电路带宽与多级匹配网络中 Q 值最大的节点相关，在进行电路宽带匹配时，要降低各级匹配网络的 Q 值^[5]。

输入匹配网络：根据阻抗匹配理论，在一定带宽内的匹配，其阻抗变换比越大，匹配难度及损耗随之增大。在功率放大器中，输入匹配网络主要影响电路的增益，对电路的线性度及效率影响较小，本文输入匹配网络采用 π 型网络，引入一定的损耗降低匹配网络的 Q 值以改善电路的带宽、稳定性及增益平坦度。

级间匹配网络：第一、二级输出阻抗差异与第二、三级输入阻抗差异均不大，阻抗变换比较小，所以级间匹配网络设计相较简单。在保证电路带宽的前提下，尽量减小匹配引入的损耗。

输出匹配网络：输出匹配网络不仅影响信号功率传输，同时也影响功放的效率，其设计核心在于负载线匹配。本文根据负载线匹配理论仿真确定最优输出阻抗点R_opt后，采取片外匹配的方式，通过传输线与 L 型网络结合实现负载线匹配。

（3）电路稳定性分析

对于功率放大器这种双端口网络，其电路稳定的 K 因子可表示为：

对于共射方式连接的 HBT 晶体管，其稳定因子 K 可表示为^[6]：

本文中采用发射级串联电阻与集电极基级并联反馈的形式来提高电路的稳定性，其结构如图 3 所示。通过仿真，本文电路在全频段 K 因子均大于 2，电路无条件稳定。

（4）整体电路设计

本文整体电路如图 4 所示，主要由 3 级放大结构组成，匹配网络从后往前设计，基于功率放大器的功能特性，输出匹配网络主要注重功率的线性传输，输入级及级间匹配网络主要保证电路的驻波、带宽及增益等特性。

功率放大器第一级偏置设计在 A 类、第二级偏置设计在浅 AB 类以提高电路增益及线性度，第三级偏置设计在深 AB 类来提升电路输出功率及效率。第一级采用 6 个单指 HBT 晶体管并联，发射极面积 240 μm²； 第二级采用 18 个单指 HBT 晶体管并联，发射极面积 720 μm²；第三级采用 36 个单指 HBT 晶体管并联，发射极面积 2 880 μm²。

整体功率放大器版图尽量为对称布局以减小各晶体管之间的相位差对线性度的影响。根据晶体管通过电流大小，合理分布接地过孔的位置及数量。本次电路设计为片外输出匹配的方式，方便后期根据使用目的不同而做出相应的带宽、功率调整。整体芯片尺寸为 1.24 mm×1.27 mm×0.1 mm。

2 测试结果与分析

图 5 为本文功率放大器 EVB 照片。功率放大器工作电压V_CC= 5 V，静态电流I_CC= 240 mA。使用是德科技网络分析仪 PNA5242B 对电路进行小信号 S 参数和输出 1 dB 压缩点进行测试，测试结果如图 6、图 7 所示。从图 6 可以看出小信号增益在工作频率 5.9~7.2 GHz 内大于 27 dB，输入回波损耗小于 -15 dB，输出回波损耗小于 -10 dB；从图 7 可以看出在工作频率内三温（-40 ℃、+25 ℃、+105 ℃） 输出 1 dB 压缩点大于 29 dBm，实现了宽带大功率输出，验证了本文所设计的 自适应偏置结构及宽带匹配网络。

3 结语

本文设计了一款 6 GHz 高增益、宽带、高线性度功率放大器单片集成电路。该功率放大器采用 2 μm GaAs HBT 工艺，芯片面积：1.24 mm×1.27 mm。测试结果 表明，工作频带为 5.9~7.2 GHz，工作频带增益典型值为 29 dB，输出饱和功率＞ 1 W。该功率放大器可用于 WIFI 6E 设备驱动级应用，具有较强的市场应用前景。

参考文献：

[1] 冯磊,赵飞,谭鑫,等.WiFi 6对5G发展的影响[J].计算机网络.2020, 46(16),39.

[2] HE X,ZHENG Y,ZHU Y,et al. InGap/GaAs HBT linear power amplifier for WLAN applications [J]. Research and Progress of Solid State Electronics,2015,35(1):46-51.

[3] NITESH R S,RAJENDRAN J,RAMIAH H,et al. A 0.8 mm2 sub-GHz GaAs HBT power amplifier for 5G application achieving 57.5% PAE and 28.5 dBm maximum linear output power [J].IEEE Access,2019,7:158808-158819.

[4] QIAN L, HAIFENG W, LINSHENG L, et al. A low-cost high linear GaAs HBT power amplifier [J].IEEE MTT-S International Wireless Symposium,2020:1-3.

[5] 黄亮.面向新一代移动通讯终端的多模多频功率放大器研究[D]. 广州:广东工业大学,2017.

[6] GREBENNIKOV A.射频与微波功率放大器设计[M].张玉兴,赵宏飞,译.北京:电子工业出版社,2006:151.

（注：本文转自《电子产品世界》杂志2022年6月期）