一款应用于Wi-Fi6E设备的GaAsHBT功率放大器

朱海 黄亮 周宏波

关键词：功率放大器;WIFI6E;GaAsHBT

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WIFI6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6GHz频段运行的WIFI6设备命名为WIFI6E，原有的频段扩展至6GHz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（complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS）工艺，GaAsHBT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2μmGaAsHBT工艺，芯片面积：1.24mm×1.27mm，在5.9GHz～7.2GHz频段内实现增益大于27dB，饱和输出功率大于1W，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6GHz频段WIFI发射端的功率放大器，其电路结构如图1所示。該结构采用三级放大结构，工作电压为5V，其偏置电压可根据外围配置在3.3～5V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。GaAsHBT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用于调节电流镜的输入，从而产生相等的电流。随着输入功率的增加，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Rbias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

对频率为ω的正弦信号网络，其品质因子Q定义如下：

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Ropt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]：

其中，rb为基级扩散电阻，gm为晶体管跨导，fT为晶体管截止频率，f为晶体管工作频率，Cμ为基-集反馈电容。gm、fT、Cμ均为晶体管工艺决定，设计中一般采取基级或发射级串联电阻、集电极基级并联反馈等方式来提高rb使电路K因子大于1，电路无条件稳定。

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240μm2;第二级采用18个单指HBT晶体管并联，发射极面积720μm2;第三级采用36个单指HBT晶体管并联，发射极面积2880μm2。

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1.24mm×1.27mm×0.1mm。

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VCC=5V，静态电流ICC=240mA。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1dB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5.9～7.2GHz内大于27dB，输入回波损耗小于-15dB，输出回波损耗小于-10dB;从图7可以看出在工作频率内三温（-40℃、+25℃、+105℃）输出1dB压缩点大于29dBm，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6GHz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2μmGaAsHBT工艺，芯片面积：1.24mm×1.27mm。测试结果表明，工作频带为5.9～7.2GHz，工作频带增益典型值为29dB，输出饱和功率>1W。该功率放大器可用于WIFI6E设备驱动级应用，具有较强的市场应用前景。