一体化匹配网络的Q波段Do...ty功率放大器MMIC设计_彭晨睿.pdf
《一体化匹配网络的Q波段Do...ty功率放大器MMIC设计_彭晨睿.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一体化匹配网络的Q波段Do...ty功率放大器MMIC设计_彭晨睿.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43,No.1Feb.,2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE一体化匹配网络的 Q波段 Doherty功率放大器MMIC设计彭晨睿 郭润楠 陶洪琪 余旭明(南京电子器件研究所,微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室,南京,210016)20221115收稿,20230106收改稿摘要:提出了一种毫米波 Doherty放大器一体化匹配网络的设计方法。该匹配网络将功率合成、阻抗变换和相位调节功能一体化,结合兰格耦合器,去除了传统 Doherty 功放结构中输出和输入四分之一波长线。采用0.15 m GaN 工艺研制了
2、一款 Doherty放大器 MMIC。连续波测试条件下,此放大器在 3842 GHz频段内,饱和功率达到 40 dBm,饱和 PAE 大于 24%,6 dB输出功率回退 PAE 达到 16%。在中心频率 40 GHz、20 MHz双音间隔测试条件下,输出功率回退 3 dB时,放大器的三阶交调失真 IMD3小于-21 dBc。关键词:Doherty功率放大器;单片微波集成电路;氮化镓;负载调制中图分类号:TN722 文献标识码:A 文章编号:10003819(2023)01002106Design of a Qband Doherty Power Amplifier MMIC with an I
3、ntegrated Matching NetworkPENG Chenrui GUO Runnan TAO Hongqi YU Xuming(Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory,Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing,210016,CHN)Abstract:A design method of integrated matching network was proposed for millimeter-wave Dohe
4、rty power amplifier(DPA)in this paper.The proposed matching network integrated the power combing,impedance transformation and phase offsetting functions together,and combined with Lange coupler to remove the quarter wavelength transmission-line of output and input in the traditional DPA structure.A
5、DPA MMIC had been designed and fabricated on 0.15 m GaN HEMT technique.Under continuous wave test condition,the saturated power of this amplifier reaches 40 dBm,the saturated PAE is more than 24%,and the 6 dB output power back-off PAE is 16%over 3842 GHz.Under the condition of two tone test with cen
6、ter frequency of 40 GHz and interval of 20 MHz,the third-order intermodulation distortion(IMD3)of the amplifier is less than-21 dBc at 3 dB output power back-off.Key words:Doherty power amplifier(DPA);monolithic microwave integrated circuit(MMIC);GaN;load modulation宽禁带半导体 基金项目:国家重点研发计划资助项目(2019YFB22
7、03703)联系作者:Email:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.010固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷引 言对于日益增长的通信需求,无线通信系统中采用复杂的调制技术来提高频谱利用率。由于采用了含有幅度调制的高阶调制模式,无线通信信号具有较高的峰均比(Peak to average power ratio,PAPR),这一特征要求功放必须在一定的输出功率回退区域内保持较高工作效率。而 Doherty功率放大器(DPA)正是解决此需求的优良方案。Doherty 功率放大器结构相对简单,容易实现,但由于四分之一波长线影响,传统 Doher
8、ty 放大器通常存在带宽窄、设计尺寸较大、损耗高的弊端12。2013 年张晗3分析传统 DPA 四分之一波长线对带宽的影响,并改变四分之一波长线两端阻抗比来减小此效应,设计了一款 1.92.2 GHz 的 DPA,但四分之一波长线未被消除;2019 年 G.Nikandish 4采用变压器电路代替输出四分之一波长线,提高了带宽(4.56.0 GHz);2021 年,周兴达5提出将四分之一波长线置于辅路的反向 Doherty 功放结构,设计了一款高增益 DPA。但是这些改进大多数基于较低频段应用,未考虑到毫米波寄生参数影响,对于毫米波频段 DPA 的设计改善还有待验证,并且四分之一波长线带来的不
9、利影响并没有完全消除。本文分析了毫米波频段下 DPA 传统电路设计的缺陷,对负载网络结构进行改进,并通过相位调节控制,结合兰格耦合器,去除了传统电路中的输入输出波长线,削减了四分之一波长线带来的不利影响,电路结构更为简单。1 毫米波 Doherty功放分析 图 1 是传统负载 Doherty 功率放大器输出结构示意图,传统理想 Doherty PA 的组成结构一般由载波功放(Carrier PA)、峰值功放(Peak PA)、输入输出匹配(IMN,OMN)、阻抗变换线、后匹配网络、相位补偿线组成56。载波功放的负载阻抗需从(1+2)ZL至 ZL变换(为峰值与载波功放功率之比),此变换由阻抗变换
10、网络和后匹配网络结构实现。传统设计中,常常用四分之一波长线来设计阻抗变换网络和后匹配电路,设计相对简单。但四分之一波长线往往会带来多种弊端:/4 传输线会造成功放带宽的缩减3;毫米波频段内,/4 传输线和后匹配网络将增加负载网络损耗,从而造成整体输出效率的下降;/4传输线将造成载波功放与峰值功放的输出信号相位差,需要额外引入相位补偿线来进行相位补偿,增加了电路的复杂度和整体尺寸。另外,在频率较低的频段,由于寄生参数影响较小,管芯的匹配最佳阻抗接近于实阻抗。而在毫米波频段,管芯的匹配最佳阻抗受寄生效应影响较大,阻抗虚部值较大。在毫米波频段,传统回退6 dB DPA 设计方法需要复杂的匹配电路将电
11、流源端面阻抗匹配至实阻抗 R。这种匹配方式,在毫米波频段会带来较大的功率损耗,并且匹配电路 Q 值过高,进一步影响带宽。并且,在 MMIC 电路中,要实现高功率输出,需要复杂的功率合成网路和匹配电路,在 Doherty 功放处于回退状态时,载波功放的负载阻抗所映射的管芯端面(电流源端面)阻抗很难匹配至高效率状态,导致调制不充分。经典回退 6 dB Doherty 功放合路点处阻抗一般取 Zopt/2,与负载阻抗不一致,因此需要后匹配网络或一段四分之一波长线进行阻抗变换。针对以上问题,提出了图 2 中所示的一体化匹配网络,将合路点处阻抗与负载阻抗调节一致,去除后匹配网络,降低了损耗。为补偿寄生效
12、应影响,将晶体管寄生参数、功率合成匹配网络和阻抗图 1 传统 6 dB回退 DPA的结构Fig.1 The structure of traditional 6 dB back-off DPA图 2 提出的一体化 DPA结构Fig.2 The proposed integrated DPA structure221期彭晨睿等:一体化匹配网络的 Q波段 Doherty功率放大器 MMIC设计变换网络一体化设计,将阻抗变换和匹配的功能同时实现。为消除较长微带线带来的带宽缩减,电路中尽量使用 LC 网络进行阻抗匹配,并采用兰格耦合器实现相位补偿和功率分配功能。2 Q波段 Doherty功放 MMIC
13、设计 依托于南京电子器件研究所氮化镓工艺平台,选用 0.15 m GaN HEMT 工艺进行设计。该工艺在 Q 波段具有良好的频率特性,在漏压 Vd=24 V、栅压 Vg=-2 V 的情况下,能够提供 3.5 W/mm 的功率密度。本文采用三级放大的对称式 Doherty 功放结构,主辅路功放末级均选用八个单胞 4指、单指栅宽 50 m 的管芯,功率推动比为 1 2 4,末级总栅宽为 3.2 mm。2.1 载波功放负载网络设计在毫米波频段,漏极寄生电容 Cds制约着功放的输出功率,效率等关键指标,这主要是 Cds对管芯的最佳负载阻抗 Zopt的虚部影响较大。为补偿 Cds带来的影响,需要提取大
14、信号激励下 Cds的值。图 3展示了 经 典 GaN HEMT 器 件 等 效 输 出 阻 抗 的 电 路模型。Loadpull 的测试结果表明,饱和状态下,选用的末级管芯的最佳负载阻抗实部 Ropt sat=20,寄生电容 Cds=0.72 pF。在负载牵引时,补偿寄生电容带来的影响,能更直观地观察到回退时管芯处的最佳负载阻抗。在管芯大信号模型分析的基础上,对管芯输出电路进行拟合,并在仿真电路中加入补偿电路,补偿寄生电容影响,再进行负载牵引分析,由传统公式,平衡式 Doherty功放回退 6 dB 处的最佳负载阻抗的实部应当取载波功放回退 3 dB 处的最佳阻抗的实部3,载波回退最佳阻抗 Z
15、opt_c的实部 Ropt_c OBO=1.9Roptsat=38。匹配网络的阻抗变换在功放饱和时和回退时应当分别满足以下条件:Ropt_c=Ropt_c sat Zc=2RL=100(1)Ropt_c=Ropt_c OBO Zc=RL=50(2)图 4(a)展示了实际的最佳阻抗与匹配的负载阻抗值对比。在负载网络设计时,需将载波功放的功率合成匹配网络和阻抗逆变网络合并考虑设计,并将本征端口的寄生电容和电感纳入网络中设计,以消除输出四分之一波长线和寄生效应的不利影响。由于大功率下,管芯最佳阻抗值低,匹配网络两端阻抗比高(1 5),阻抗逆变难以实现。如图 4(b)所示,选择三级 LC 电路实现匹配
16、,将阻抗逆变分解为多次实现,以提高 Q值。2.2 峰值功放负载网络设计设计过程中,峰值功放的负载网络需将饱和状态下管芯最佳阻抗至输出端阻抗,同时为防止低功率注入状态下载波功放功率泄露,还要实现峰值功放在关断情况下负载端面的高阻态。参考上文的载波功放设计,补偿峰值功放的寄生参数,并将负图 3 HEMT的输出等效电路Fig.3 The output equivalent circuit of HEMT图 4(a)载波功放最佳效率阻抗与实际匹配阻抗;(b)载波功放的输出匹配网络Fig.4(a)The optimum efficiency impedance and actual matched im
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一体化 匹配 网络 波段 Do ty 功率放大器 MMIC 设计 彭晨睿
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。