W波段硅基功率放大器研究

发布时间：2020-05-13 20:28

【摘要】：近年来,随着无线通信技术的不断发展,人们对于通信速率和带宽的需求越来越高,毫米波频段具有丰富的频谱资源和通信带宽已逐渐成为研究热点。本文针对毫米波系统的关键部件之一的功率放大器开展研究,采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺,设计了W波段毫米波功率放大器芯片。论文首先分析了毫米波功放中的有源和无源器件,如HBT晶体管、电感电容、传输线以及巴伦变压器等,采用仿真软件进行建模,分析毫米波频段的器件特性。在此基础上采用0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计了三级全差分Cascode(共射共基)结构的W波段功率放大器,利用Marchand巴伦实现输入输出端口差分转单端,巴伦仿真损耗为1.4dB,在Cascode结构中利用传输线电感提高了功放的稳定性。流片测试结果表明,该功放在104GHz时最大增益为17dB,饱和输出功率为6.1dBm,3dB带宽为15GHz(95-110GHz),包括静电防护(ESD)结构在内的芯片面积为0.9mm~2。论文采用相同工艺仿真设计了另一款W波段功放。利用变压器实现级间匹配,输入输出巴伦基于变压器结构,仿真显示在100GHz时增益为15dB,最大PAE为4.5%,饱和输出功率为12.8dBm,核心版图面积为0.21mm~2。
【图文】：

电流波形,功放,电流波形,输出电压

东南大学硕士学位论文。根据管子对信号放大的线性度划分,功率放大器分为线性放大器和非线性放大器两类性放大器包括 A 类,AB 类,B 类,非线性放大器包括 C 类,D 类,E 类,F 类等。本文主要研是线性功率放大器。毫米波功率放大器中常见的放大器都为 A 类，AB 类功率放大器。A 类放大器是有类型中线性度最好的,晶体管在输入信号的全部周期内都导通,导通角为360°,但是其率非常低,最理想的状态下也只有 50%,在实际应用中,一般都在 30%以下。A 类放大器一般的小信号放大器最大的区别在于 A 类放大器的信号电流了偏置电路很大一部分。图 2-1(a)是一个典型的 A 类放大器的漏极电压和电流。而 AB 类放大器的工作状态是放在全部周期内，有一小部分时间是不导通的，如图 2-1(b)，可以明显看出 A 类和类功放的波形区别。AB 类功放的导通是在 180°~360°之间，其功放效率是介于 A 类 B 类之间，在 50%~78.5%范围内。

功率匹配,负载线,信号源

图 2-2 功率匹配和负载线匹配[18]号源的输出电压受限时，此时信号源输出电流会变小，负载上能得到小，如图 2-2 中 a 线所示。在另一种极端情况下，信号源可能会遇到因为电流小，这时信号源上的电压会变小，所以负载上得到的功率也中 b 线所示。为了使信号源尽可能大的输出功率，可以通过优化负载时达到最大承受电压和最大输出电流的限制条件，如图 2-2 中 c 线所 maxo s LmaxVR R RI Ro称为负载匹配条件。它可以使信号源在受到最大承受电压和最大，，能使负载上得到最大功率。在功率放大器中，晶体管的输出电流和件特性的限制，对于进入深亚微米的工艺更是如此，因此负载线匹配计中得到广泛的应用。和 AB 类功率匹配分析
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722.75

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