X波段GaN高效率连续B类功率放大器芯片设计
随着无线通讯技术的不断进步，对于功率放大器（Power Amplifier，PA）的要求越来越高，特别是对于带宽和效率提出了更高的要求。本文介绍了一种基于0.25μm GaN HEMT工艺的X波段高效率连续B类功率放大器微波单片集成电路的设计方法。这项研究工作由浙江大学航空航天学院的金晨、陈伟、王志宇、郁发新等人完成，并发表在2021年6月的哈尔滨工业大学学报上。
在功率放大器的设计中，连续B类放大器模式由于其效率和线性度之间的平衡而备受关注。而GaN（氮化镓）材料由于其高电子迁移率、高击穿电压以及良好的热性能等优势，是实现高频、高效率功率放大器的理想选择。为了提升放大器的工作带宽和效率，本研究采用了末级管芯输入、输出二次谐波调谐技术，通过优化LC调谐电路，实现了宽频带内高效率的连续B类工作模式。
该功率放大器设计的核心思想在于使用输出二次谐波调谐技术，即将晶体管的输出电容并入LC并联调谐电路中，这样不仅简化了电路结构，而且能够优化并联LC调谐电路，使得宽频带内的各个频点的二次谐波负载阻抗与基波负载阻抗逐点对应，从而有效匹配，支持连续B类工作模式的宽高效率带宽。此外，研究还结合了二次谐波源阻抗牵引技术，通过在末级晶体管输入端插入串联LC调谐电路，并优化该电路以将工作频带内的二次谐波源阻抗点移至各频点的高效率区域，从而提升了功率放大器宽工作频带内的输出效率。
通过实际测试，该X波段GaN功率放大器芯片在3.2GHz至10.5GHz的工作频带内表现出了卓越的性能：饱和输出功率增益为40.2~42.2dBm，饱和输出效率达到51%~55%，功率增益为19.2~49.2dB，小信号增益为23.2~25.2dB，输入回波损耗小于-10dB。芯片尺寸为3.2mm x 2.5mm。这些测试结果证明了所设计的电路结构在提升功率放大器芯片的输出效率和带宽方面是成功的。
关键词分析：
- 功率放大器：功率放大器是在无线通信系统中将信号放大到足够大的功率以便传输的设备。它是无线通信链路中不可或缺的部分，其性能直接影响系统的通信质量和可靠性。
- 输入二次谐波调谐：该技术是指在功率放大器的输入端，利用二次谐波来优化放大器性能的技术。它能够改善放大器的线性度和效率。
- 高效率：在功率放大器设计中，效率通常是指放大器将直流电源转换为射频输出功率的能力。高效率意味着在相同的输入功率下，放大器能够提供更高的输出功率。
- 连续B类：连续B类工作模式是一种功率放大器的工作模式，它介于A类（效率低但线性度高）和C类（效率高但线性度低）之间，旨在获得一个效率和线性度的折中。
- GaNHEMT：氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN High Electron Mobility Transistor）是利用GaN材料的特性制作的高功率、高频率的晶体管器件。GaNHEMT具有耐高温、耐高压和高效率的特点，非常适合于高功率应用。
在中图分类号中提到的TN772.55代表微波放大器，在电子工程领域内，这是微波电子学中功率放大器的一个子类。文献标志码A表明这是一篇原创性的研究文章，文章编号0337-6234(2021)06-0077-09则提供了文章在学报中的具体位置。
通过上述研究内容，我们可以看到，在设计高效率的功率放大器时，二次谐波调谐技术起到了非常关键的作用，它通过优化负载阻抗匹配，显著提升了放大器的性能。这样的设计思路为未来在高频段和大功率应用领域内功率放大器的设计提供了宝贵的参考和指导。
