《电子技术应用》
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19~21 GHz GaAs高线性功率放大器MMIC
电子技术应用
刘晓禹1，韩程浩1，阮文武1，郭润楠1，2，刘伶1，许鑫东1，侯泽文1， 庄园1，2，余旭明1，陶洪琪1，2
1.南京电子器件研究所；2.固态微波器件与电路全国重点实验室
摘要： 基于0.15 μm GaAs高电子迁移率晶体管（pHEMT）工艺研制了一款19~21 GHz的高线性功率放大器单片微波集成电路。高峰均比信号传输场景中，功率放大器的效率和线性度对射频前端性能具有关键影响。该放大器在功放栅极级联冷模线性化电路，以补偿放大器辐相失真特性，进而实现线性度和效率的提升，为克服冷模对电压敏感问题，采用片上有源稳压及温度补偿偏置电路扩展动态范围，降低大动态失真，抑制工艺离散、外部离散等带来的线性度恶化问题。测试结果表明，在19~21 GHz频带内，饱和输出功率为22.3~22.8 dBm，饱和功率附加效率为35.3%~36.5%。在19 GHz、20 GHz和21 GHz频点，输出功率19 dBm时，三阶互调失真均小于-30 dBc；6 dB峰均比、100 MHz正交频分多路复用的64-QAM调制信号激励下，平均输出功率及对应的功率附加效率为19 dBm和27%，实现了-31.9 dBc、-33.2 dBc和-31.2 dBc的邻道功率比及4.32%、4.13%和5.3%的误差矢量幅度。
中图分类号：TN492；TN722.7.5 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256340
中文引用格式： 刘晓禹，韩程浩，阮文武，等. 19~21 GHz GaAs高线性功率放大器MMIC[J]. 电子技术应用，2025，51(4)：72-78.
英文引用格式： Liu Xiaoyu，Han Chenghao，Ruan Wenwu，et al. 19~21 GHz GaAs high linearity power amplifier MMIC[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(4)：72-78.
19~21 GHz GaAs high linearity power amplifier MMIC
Liu Xiaoyu1，Han Chenghao1，Ruan Wenwu1，Guo Runnan1，2，Liu Ling1，Xu Xindong1，Hou Zewen1，Zhuang Yuan1，2，Yu Xuming1，Tao Hongqi1，2
1.Nanjing Electronic Devices Institute； 2.National Key Laboratory of Solid-state Microwave Devices and Circuits
Abstract： Based on a technology of 0.15 μm GaAs high electron mobility transistor (pHEMT), a 19~21 GHz high linearity power amplifier MMIC was demonstrated in this paper. In the scenario of signal transmission with high peak-to average power ratio（PAPR）,the efficiency and linearity of power amplifier（PA）have a critical impact on RF front-end performance. The amplifier incorporates a cold-mode linearization circuit cascaded at the power amplifier gate to compensate for the amplifier's phase distortion characteristics, thereby enhancing linearity and efficiency. To address the voltage sensitivity issue of the cold mode, an on-chip active voltage stabilization and temperature compensation bias circuit is employed to expand the dynamic range, reduce large dynamic distortion, and mitigate the deterioration of linearity caused by process variations and external discreteness. The room temperature measured results demonstrate that the achieved saturated output power of 22.3~22.8 dBm with 35.3%~36.5% saturated power-added efficiency (PAE) between 19 GHz and 21 GHz. Especially, the measured IMD3 at 19 GHz, 20 GHz and 21 GHz is below -30 dBc with an output power level of 19 dBm. For a 64-QAM orthogonal frequency division multiplexing signal with 6 dB peak-to-average power ratio and 100 MHz bandwidth，the PA exhibits an adjacent channel power ratio of -31.9 dBc、-33.2 dBc and -31.2 dBc when the error vector magnitude are 4.32%、4.13% and 5.3%.
Key words : adaptive biasing circuit；cold-mode；high linearity；GaAs

引言

随着卫星通信系统不断发展，低频段频谱资源日益枯竭，毫米波频段的通信系统开发备受关注。同时卫星通信系统中，宽频带的工作要求以及高峰值平均功率比（Peak to Average Power，PAPR）调制信号环境对射频前端的功率放大器的线性度提出越来越高的要求[1]。基于实际应用场景的功能需求，功率放大器不仅需要有充足的饱和输出功率和效率，而且在回退区间也期望有较佳的功率性能和线性度[2]。当前，随着工艺技术的经验积累，GaAs pHEMT已成为毫米波高线性功率放大器的优选可靠方案。

近年来，国内外关于毫米波高线性功率放大器的研究取得颇多进展。Elgharbawy等[3]结合自适应偏置、自适应反馈以及自适应电容补偿，在24~44 GHz实现了22.3 dBm的饱和输出功率和21.75 dBm的1 dB压缩点输出功率，功率附加效率（Power Added Efficiency,PAE）是衡量射频功率放大器性能的关键指标，其PAEmax在36%左右。Bai等[4]在传统差分共源放大器中采用冷场效应管级间匹配网络对电容进行补偿，研制了一款超宽带线性功放，在23~41 GHz内实现了饱和输出功率22.3 dBm、PAE>36%同时1 dB压缩点输出功率21.75 dBm、PAE>34%。Chen等[5]研究了二次谐波对宽带调制线性度的影响，在26 GHz实现了21.3 dBm的饱和输出功率和20.8 dBm的1 dB压缩点输出功率，饱和PAE>26%。上述报道研究主要集中在饱和工作区域附近，增加了电路的复杂度和尺寸且均为固定多个栅压下的性能，对栅压敏感度极高，对工作环境的稳定性提出了较高的要求。

针对现有毫米波功率放大器方案线性化方案存在回退区域线性度不足、尺寸要求高、环境敏感性高等问题，本文采用片上集成的有源稳压偏置电路和级联冷模线性化电路等方法，抑制工艺离散、外部离散等带来的线性度恶化问题，基于0.15 μm GaAs pHEMT工艺，研制了一款19~21 GHz的高线性功率放大器单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)芯片。


本文详细内容请下载：

https://www.chinaaet.com/resource/share/2000006398


作者信息：

刘晓禹1，韩程浩1，阮文武1，郭润楠1，2，刘伶1，许鑫东1，侯泽文1，

庄园1，2，余旭明1，陶洪琪1，2

（1.南京电子器件研究所，江苏 南京 210016；

2.固态微波器件与电路全国重点实验室，江苏 南京 210016）


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