Ka频段硅基毫米波功率放大器设计

摘要

随着5G毫米波频段的划定和相控阵雷达的发展，Ka频段的应用前景变得越加广阔。而硅基器件具有成本低，易于全集成的特点，使得Ka宽带收发机的广泛使用成为可能。Ka频段硅基毫米波功率放大器是推进射频收发机单片化的关键，而器件及工艺技术的进步是毫米波电路向小型化、单片化、低成本的方向发展的内在动力。作为收发机中功耗最大的功率放大器，设计能够在整个Ka频带内实现高输出功率的宽带功率放大器是收发机设计中的关键点和难点。 本论文基于0.13μm SiGe BiCMOS工艺设计Ka频段26.5-40GHz宽带功率放大器，该宽带功率放大器系统由宽带输入匹配网络、带级间中和电感的主放大电路和负载牵引网络构成。本文重点研究了宽带阻抗匹配的实现方式，使用带级间中和电感的功率放大器来拓展带宽，采用一级共射与三级共基级联（堆叠cascode）结构来增强输出功率，通过优化功率放大器版图减小寄生参数影响，给出了电路设计、前仿真、版图设计和路场混合后仿真。路场混合后仿真结果表明，在6.6V电源电压和负载为50Ω时，带内增益范围为15.5-20.1dB，输入匹配小于-10dB，输出1dB压缩点为19.1-23.4dBm，饱和输出功率最大值达到25.8dBm，功率附加效率最大值为34%。 本文设计的Ka宽带功率放大器功能正常，带宽大，满足指标要求。经过进一步优化可以应用于相控阵雷达和5G高频通信设备中。

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绪论

研究背景与意义

课题来源

课题背景

研究意义

国内外研究现状

国外研究状况

国内研究状况

研究内容与设计指标

研究内容

设计指标

论文结构

毫米波功率放大器设计基础

主要性能指标

输出功率和饱和输出功率

效率

线性度

稳定性

功率放大器的分类

功率放大器级间匹配网络

LC网络级间阻抗匹配

变压器级间阻抗匹配

微带线级间阻抗匹配

具有功率分配功能的级间阻抗匹配

功率合成电路

差分功率合成器

并串联式差分功率合成电路

分布式有源变压器技术

新型四路威尔金森功率合成电路

巴伦的几种结构

层叠片上巴伦

阻抗变换比可调巴伦

高共模抑制比巴伦

带相位补偿巴伦

有源电感构成的巴伦

marchand巴伦

宽带功率放大器结构分析

电阻并联反馈共射放大器

达林顿Cascode放大电路

T型匹配网络共射放大电路

本章小结

Ka宽带功率放大器的设计与前仿真

功率放大器工艺方案

带级间中和电感的Cascode放大电路

输出功率提高方式

Ka宽带功率放大器设计

功率放大器电路结构

功率放大器输入匹配网络设计

功率放大器输出负载牵引网络设计

功率放大器电源滤波电容设计

功率放大器前仿真结果

本章小结

Ka宽带功率放大器的版图设计与EM仿真

版图设计的关键要素

屏蔽层结构设计

垂直屏蔽层设计

网格形状屏蔽层设计

金属线电流密度分析

版图寄生参数分析

多晶体管版图匹配

功率放大器稳定性研究与设计

线性反馈

热反馈

偏置网络引起的振荡

参量型振荡

Ka宽带功率放大器的版图设计

芯片接口布局考虑

射频通路的版图布局考虑

电流密度的考虑以及对射频信号的影响

宽带Ka功率放大器的EM仿真结果

功率放大器的EM仿真

功率放大器的EM仿真结果

本章小结

工作总结与展望

工作总结

工作展望