Ka波段高功率放大器設計

王博威 王科平

摘 要：介紹了一種具有高輸出功率的功率放大器，設計利用的是兩路偽差分電路結構，每一條支路都由兩級電路構成，第一級電路為驅動級電路，第二級電路為功率級電路。電路的匹配網絡由傳輸線和電容構成，以保證信號能夠高效率地傳輸。用威爾金森功分器將兩支路結合在一起，通過調試功率分配器使整體電路到達最優化。功率放大器屬于AB類放大器，采用0.13um SiGe BiCMOS工藝，在中心頻率30GHz時得到整體電路后仿真結果：輸出1dB壓縮點OP1dB=22.91dBm，功率增益GP=25.52dB。

關鍵詞：高輸出功率;高功率增益;兩路對稱;功分器

文獻標識碼：A

隨著無線通信技術的飛速發展，無線通信系統對信道的容量要求越來越高。而且頻譜中低頻段的利用率已趨于飽和，滿足不了現代無線通信發展的要求。工作在Ka波段下的通信系統擁有超高的帶寬和頻段。

功率放大器位于無線收發系統前端，其功率大小決定了信號傳輸的距離，其帶寬決定了系統能夠承載的信息容量。實現高功率主要有兩種方法：一種是采用多路合成技術，用威爾金森功分器、定向耦合器或巴倫對各支路進行功率合成;另一種是采用晶體管堆疊的方法，實質是通過提高輸出電壓擺幅來提高輸出功率。[1，2，3]

1 高功率放大器概述

圖1是電路的整體框圖，電路主要有三部分組成，即功率分配器、主體PA電路、功率合成器。功率分配器將輸入信號二等分為兩路完全相等的信號，然后被均分的信號分配給驅動級電路，驅動級電路主要是為驅動功率級電路而設計。功率合成器和功率分配器的結構是互易的，功率合成器將兩路的功率以和的形式合成，輸出給下一級。

2 功率放大器電路設計

功率放大器的每一支路的第二級電路均采用Cascode結構，這樣能夠增加功率放大器的穩定性。因為這種結構有效地抑制密勒效應，增強了輸入輸出之間的隔離度，使兩者的相互影響減弱。開始電路設計時，首先對功率級電路進行設計，找到合適的靜態直流工作點使管子工作在AB類狀態，緊接著對電路的輸入端和輸出端進行匹配。為達到良好的匹配效果，盡量使用多階匹配網絡，一般使用π型或T型匹配網絡。上下兩個管子基極的隔交電感均用大電阻代替，電阻不僅起到隔交作用，還可通過調節其阻值改變管子偏置電流。[4]

兩級電路級聯時，由于驅動級電路的輸出阻抗匹配和功率級電路的輸入匹配分別匹配到50歐姆，導致級間匹配階數太多，損耗增大。那么級聯時，要求我們直接將驅動級和功率級進行共軛匹配，如圖2為簡化后的匹配網絡。[6，7]

3 版圖和仿真結果

4 結論

本文在0.13um SiGe BiCMOS工藝下設計了一種擁有高輸出功率的Ka波段功率放大器，使用的電路整體結構是兩路對稱式的偽差分結構。采用這種結構有效地提高了輸出功率，另外通過進一步優化匹配網絡，降低了無源器件的損耗。電路在30GHz中心工作頻點下測得，OP1dB=22.9dBm，GP=25.5dB，PAEmax=17.2%。

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基金項目：國家自然科學基金資助項目（61372021）