《電子技術應用》
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X波段寬帶高效率連續(xù)類功率放大器芯片設計
電子技術應用
劉涵瀟1，2，喻忠軍1，2，范景鑫1，2，張德生1，2
1.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院；2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院
摘要： 為提高功率放大器的帶寬和效率，基于0.25 μm GaAs pHEMT ED工藝，通過控制輸出級二次諧波阻抗進行波形控制，實現(xiàn)連續(xù)B/J類波形，設計了一款單片集成的X波段高效率連續(xù)B/J類功率放大器。放大器由兩級構成，驅(qū)動級使用增強型晶體管實現(xiàn)高增益，輸出級使用耗盡型晶體管實現(xiàn)高效率與瓦級的輸出功率。仿真結果顯示，該功率放大器在7.3~12.2 GHz的頻帶內(nèi)實現(xiàn)了29~30.6 dBm的輸出功率，功率增益為17~18.6 dB，功率附加效率大于50%，峰值效率為59%，輸入回波損耗小于10 dB，芯片尺寸僅為2.1 mm×1.3 mm。
中圖分類號：TN722 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245892
中文引用格式： 劉涵瀟，喻忠軍，范景鑫，等. X波段寬帶高效率連續(xù)類功率放大器芯片設計[J]. 電子技術應用，2025，51(3)：39-43.
英文引用格式： Liu Hanxiao，Yu Zhongjun，F(xiàn)an 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，F(xiàn)an 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

功率放大器作為相控陣雷達T/R前端組件的關鍵模塊，其性能直接影響雷達系統(tǒng)的整體性能。隨著單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）的快速發(fā)展，相控陣雷達系統(tǒng)中集成了越來越多的功率器件，為降低功耗與熱設計成本，迫切需要研究具有高效率的功率放大器。而功率放大器在高頻段面臨著功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE）低和輸出功率不足的問題。X波段雷達在氣象監(jiān)測、目標跟蹤、火控、航空等領域都有著廣泛的應用，因此，近年來對能工作在X波段，且具有高效率、高輸出功率的寬帶功率放大器的需求一直很強烈。

傳統(tǒng)的提高功率放大器效率的方法是減小導通角，對于A、B、AB、C類功率放大器，當導通角逐漸變小時，效率逐漸增大，但輸出功率也隨之下降[1]。1958年Tyler首次提出諧波控制理論，通過調(diào)整輸出網(wǎng)絡的諧波阻抗，使各諧波頻率處電流和電壓不同時出現(xiàn)，諧波不產(chǎn)生有功功率，大大提高了功率放大器的效率[2]。但諧波控制類功率放大器對于諧波阻抗的要求十分嚴格，難以實現(xiàn)寬帶匹配。2006年，Cripps提出了連續(xù)B/J類功率放大器的概念，在基波和二次諧波阻抗中引入了電抗成分，得到涵蓋多個最優(yōu)阻抗的設計空間，這些阻抗解緊密相連，呈現(xiàn)出連續(xù)變化的特征，拓展了帶寬[3]。

自連續(xù)類理論提出至今，相關的研究成果已經(jīng)十分豐富。文獻[4-5]基于連續(xù)類理論設計實現(xiàn)了帶寬達到倍頻程的高效率功率放大器，但是它們都采用管芯進行板級實現(xiàn)，集成度較低，與如今器件小型化高集成的趨勢相悖。

因此，本文基于0.25μm GaAs pHEMT工藝，設計了一款工作頻帶覆蓋整個X波段的寬帶高效率連續(xù)類MMIC功率放大器。在工作頻帶中實現(xiàn)了59%的峰值PAE，且全X波段PAE均高于50%。放大器由兩級構成，提供30.6 dBm的峰值輸出功率和17.8±0.8 dB的平坦增益。此外，芯片采用了緊湊的結構，尺寸僅為2.1 mm×1.3 mm，實現(xiàn)了小型化。


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http://ihrv.cn/resource/share/2000006356


作者信息：

劉涵瀟1，2，喻忠軍1，2，范景鑫1，2，張德生1，2

（1.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；

2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 101408）


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