X波段宽带高效率连续类功率放大器芯片设计-AET-电子技术应用

X波段宽带高效率连续类功率放大器芯片设计

电子技术应用

刘涵潇1，2，喻忠军1，2，范景鑫1，2，张德生1，2

1.中国科学院空天信息创新研究院；2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院

摘要： 为提高功率放大器的带宽和效率，基于0.25 μm GaAs pHEMT ED工艺，通过控制输出级二次谐波阻抗进行波形控制，实现连续B/J类波形，设计了一款单片集成的X波段高效率连续B/J类功率放大器。放大器由两级构成，驱动级使用增强型晶体管实现高增益，输出级使用耗尽型晶体管实现高效率与瓦级的输出功率。仿真结果显示，该功率放大器在7.3~12.2 GHz的频带内实现了29~30.6 dBm的输出功率，功率增益为17~18.6 dB，功率附加效率大于50%，峰值效率为59%，输入回波损耗小于10 dB，芯片尺寸仅为2.1 mm×1.3 mm。

关键词： 功率放大器高效率 X波段连续类单片微波集成电路

中图分类号：TN722 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245892
中文引用格式： 刘涵潇，喻忠军，范景鑫，等. X波段宽带高效率连续类功率放大器芯片设计[J]. 电子技术应用，2025，51(3)：39-43.
英文引用格式： Liu Hanxiao，Yu Zhongjun，Fan Jingxin，et al. Design of an X-band high efficiency continuous-mode power amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(3)：39-43.

Design of an X-band high efficiency continuous-mode power amplifier

Liu Hanxiao1，2，Yu Zhongjun1，2，Fan Jingxin1，2，Zhang Desheng1，2

1.Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences； 2.School of Electronic， Electrical and Communication Engineering， University of Chinese Academy of Sciences

Abstract： To improve the bandwidth and efficiency of power amplifier, a monolithically integrated X-band high-efficiency continuous B/J power amplifier is designed based on the 0.25 μm GaAs pseudomorphic high electron mobility transistor (pHEMT) process. Continuous B/J waveform is achieved by controlling the second harmonic impedance of the output stage. The amplifier consists of two stages, with the driver stage using enhanced transistors for high gain and the output stage using depletion transistors for high efficiency and watt-level output power. The simulation results show that the power amplifier achieves an output power of 29~30.6 dBm in the frequency band of 7.3~12.2 GHz, with a power gain of 17~18.6 dB, a power added efficiency of more than 50%, a peak efficiency of 59%, an input return loss of less than 10 dB, and a chip size of only 2.1 mm × 1.3 mm.

Key words : power amplifier；high efficiency；X-band；continuous-mode；monolithic microwave integrated circuit

引言

功率放大器作为相控阵雷达T/R前端组件的关键模块，其性能直接影响雷达系统的整体性能。随着单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）的快速发展，相控阵雷达系统中集成了越来越多的功率器件，为降低功耗与热设计成本，迫切需要研究具有高效率的功率放大器。而功率放大器在高频段面临着功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE）低和输出功率不足的问题。X波段雷达在气象监测、目标跟踪、火控、航空等领域都有着广泛的应用，因此，近年来对能工作在X波段，且具有高效率、高输出功率的宽带功率放大器的需求一直很强烈。

传统的提高功率放大器效率的方法是减小导通角，对于A、B、AB、C类功率放大器，当导通角逐渐变小时，效率逐渐增大，但输出功率也随之下降[1]。1958年Tyler首次提出谐波控制理论，通过调整输出网络的谐波阻抗，使各谐波频率处电流和电压不同时出现，谐波不产生有功功率，大大提高了功率放大器的效率[2]。但谐波控制类功率放大器对于谐波阻抗的要求十分严格，难以实现宽带匹配。2006年，Cripps提出了连续B/J类功率放大器的概念，在基波和二次谐波阻抗中引入了电抗成分，得到涵盖多个最优阻抗的设计空间，这些阻抗解紧密相连，呈现出连续变化的特征，拓展了带宽[3]。

自连续类理论提出至今，相关的研究成果已经十分丰富。文献[4-5]基于连续类理论设计实现了带宽达到倍频程的高效率功率放大器，但是它们都采用管芯进行板级实现，集成度较低，与如今器件小型化高集成的趋势相悖。

因此，本文基于0.25μm GaAs pHEMT工艺，设计了一款工作频带覆盖整个X波段的宽带高效率连续类MMIC功率放大器。在工作频带中实现了59%的峰值PAE，且全X波段PAE均高于50%。放大器由两级构成，提供30.6 dBm的峰值输出功率和17.8±0.8 dB的平坦增益。此外，芯片采用了紧凑的结构，尺寸仅为2.1 mm×1.3 mm，实现了小型化。

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作者信息：

刘涵潇1，2，喻忠军1，2，范景鑫1，2，张德生1，2

（1.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100190；

2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 101408）

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