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第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月Vol.50，No.2Feb.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）应用于WLAN的GaAs HBT功率放大器设计傅海鹏，寇宁（天津大学 微电子学院，天津 300072）摘 要：提出了一款基于GaAs HBT工艺的高功率功率放大器（Power Amplifier，PA）.设计采用三级放大器级联的结构以提高功率放大器的功率增益，在功率晶体管的基极处串联RC有耗稳定网络来提高稳定性及改善增益平坦度，采用电流镜有源偏置的方式提升大信号输出时的功率、效率及线性度表现，同时在输出级放大器处添加功率检测电路以得到随输出功率变化的直流电压信号.EM仿真结果表明：PA的输出频率范围为5.16.5 GHz，增益为3333.7 dB，S11、S22-9.8 dB，饱和输出功率为32.834.9 dBm，峰值效率为38.7%42%，在满足无线局域网标准802.11ax、调制策略为MCS7的情况下，EVM达到-30 dB时输出功率为2021 dBm，芯片面积为1.69 mm0.73 mm.测试结果表明：S参数测试结果与仿真结果表现出较好的一致性，PA在满足前述无线局域网标准时输出功率为13.619.8 dBm.关键词：功率放大器：线性度：异质结双极晶体管（HBT）中图分类号：TN752 文献标志码：ADesign of GaAs HBT Power Amplifier in WLANFU Haipeng，KOU Ning（School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China）Abstract：A power amplifier（PA）with high outputpower based on the GaAs HBT process is proposed.The design adopts the cascade structure of three-stage amplifiers to improve the power gain of the power amplifier.And the RC lossy stabilization network is connected in series at the base of the power transistor to improve the stability and the gain flatness.Active bias is used to improve the output power，efficiency，and linearity performance of large signal output.A power detection circuit is added at the output stage amplifier to obtain a DC voltage signal that varies with the output power.The layout EM simulation results show that：the output frequency range of the PA is 5.1 6.5 GHz，and the gain is 3333.7 dB.Return loss is less than-9.8 dB，the saturated output power is 32.8 34.9 dBm，and peak efficiency is 38.7%42%.In the case of meeting the wireless LAN standard 802.11ax and the modulation strategy of MCS7，the output power is 2021 dBm when the EVM reaches-30 dB.The chip area is 1.69 mm0.73 mm.The test results show that the S-parameter test results and the simulation results show good consistency，and the output power of the PA is 13.619.8dBm when it meets the aforementioned wireless local area network standards.Key words：power amplifiers；linearity；heterojunction bipolar transistor（HBT）收稿日期：2022-03-03基金项目：国家自然科学基金资助项目（62074110），National Natural Science Foundation of China（62074110）；国家重点研发计划资助项目（2018YFB2202500），National Key Research and Development Program of China（2018YFB2202500）作者简介：傅海鹏（1985），男，黑龙江齐齐哈尔人，天津大学副教授 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）02-0122-07DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022248第 2 期傅海鹏等：应用于WLAN的GaAs HBT功率放大器设计近年来，随着无线通信数据速率的加速增长以及语音、视频等多媒体数据的数据总量不断增加，无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）等室内无线通信系统已被广泛应用于移动电话、平板电脑和笔记本电脑等便携式设备上1-2.WLAN是一种采用分布式无线电广播ISM频段，将一个区域里面两个及以上支持无线协议的设备连接起来的数据传输 系 统.目 前 较 常 见 的 WLAN 使 用 的 是 IEEE 802.11ac（Wi-Fi 5）标准.为了满足更复杂的无线通信场景以及日益增长的数据传输量，IEEE 802.11标准一直在不断发展3.最新一代IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6）标准引入了更高的调制阶数（1024QAM）、更窄的子载波间隔、上下行 OFDMA 技术，以及上下行MU-MIMO 技术等4-5.拓展的带宽以及更复杂的调制方式对收发机系统中的PA提出了更严格的要求，包括高线性度、高输出功率、高增益、高效率，以及紧凑的面积等6-8.由于多媒体技术对信号高速无线传输的要求，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术正越来越流行.采用OFDM调制方式的信号具有很高的峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）9.为了避免信号进入PA的非线性区域而导致的信号非线性失真，高 PAPR 要求PA提供比实际使用的平均输出功率更高的最大输出功率，以满足误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）的要求.因此，PA不可避免地工作在功率回退区域，从而导致效率下降10.在PA偏置电路的选择上，使用有源偏置可以提升PA的大信号性能.文献 11-12 采用的自适应偏置电路是对有源偏置电路的改进，但未在偏置电路与射频通路间进行处理，使得射频信号在大信号情况下泄漏至偏置电路中.文献 13 采用自适应线性化偏置电路提升PA线性度，但是该偏置精度易受电阻工艺偏差的影响.与 CMOS 工艺相比，InGaP/GaAs 异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）工艺具有较高的功率密度、良好的线性度和高增益14，是实现高线性度与高功率PA的很好的选择.针对上述问题，提出了一种基于GaAs HBT工艺的功率放大器.采用三级放大器级联的结构达到较高的增益，采用电流镜有源偏置以提升PA在大信号情况下的功率、效率以及线性度表现.仿真结果表明PA实现了较高的增益、较大的输出功率以及较好的线性度，S参数测试结果表现出与仿真结果较好的一致性，大信号测试结果表明电路的线性度可满足WLAN 802.11ax标准.1 电路分析与实现本文提出的PA原理图如图1所示.PA由主射频链路、偏置电路以及功率检测电路构成.主射频链路由三级放大器级联构成，偏置电路采用电流镜有源偏置.片上包括射频输入、输出pad在内的所有pad均由金丝键合线连接至片外键合点.主射频链路中，PA1为第一级驱动放大器，PA2为第二级驱动放大器，PA3为输出级放大器.第一、第二级驱动放大器在输出端使用了片上电感 L3、L5与旁路电容Cbypass.Cbypass的作用为提供等效射频地，屏蔽键合金线对匹配的影响.输出级采用金线直接键合至输出端的方案.一是由于输出级放大器在高功率输图1 提出的功率放大器原理图Fig.1 Schematic of the proposed power amplifier123湖南大学学报（自然科学版）2023 年出时需要的直流电流很大，考虑金属直流承载能力问题，如果使用与前两级相同的供电方案会使得片上电感的线宽特别宽，十分占用面积，而键合金线的电流承载能力完全可以满足输出级放大器的直流电流要求.二是由于输出级放大器功率较高、负载阻抗很低，导致键合金线对其影响较小，金线足够长时对输出级可近似视为扼流电感，且金线长度变化带来的性能变化完全在可接受范围之内.仿真时发现当金线长度大于0.7 mm后对输出级的影响很小，而实际加工后该金线长度至少为1 mm.PA 的稳定性通常由稳定因子 K 表征.K 的定义为：K=1-|S112-|S222+|22|S12|S21（1）为了提升PA的稳定性、改善增益平坦度以拓宽工作带宽，在三级放大器的基极处均串联有如图 2所示的RC有耗稳定网络.若PA在部分频带存在正反馈、环路增益大于1，则PA存在振荡可能.RC有耗稳定网络可以通过引入损耗、降低环路增益的方式提升稳定性，表现为K值的提升.由RFin端口看向晶体管T1的阻抗为Z=11R1+jC1（2）可以得到，稳定网络的阻抗Z会随频率的升高而减小，高频阻抗低、损耗小，低频阻抗高、损耗大.这在一定程度上可以缓和晶体管本身由于增益随频率升高而降低所造成的增益平坦度恶化.单级放大器有无RC有耗稳定网络的稳定因子K与最大可用增益的对比如图3所示.可以看出，使用RC有耗稳定网络可以显著提升低频段的稳定性，K在0.5 GHz处便已经大于1.同时，56.5 GHz内最大可用增益的差值由1.5 dB降为1.2 dB，有助于改善增益平坦度以拓展带宽.偏置电路的作用是为功率级晶体管提供合适的工作状态.图4为传统电阻分压偏置电路.此时，晶体管T1的偏置电压Vbias为：Vbias=R1R1+R2VDD（3）晶体管集电极电流IC与偏置电压Vbias的关系可写为：IC=IS exp(VbiasVt)（4）式中，Vt为热电压，IS为饱和电流，当忽略基极电流时，式（4）可进一步写为：IC=IS exp(R1R1+R2VDDVt)（5）由上式可以得出，因为集电极电流IC与电阻R1、R2存在指数相关性，故电阻实际加工过程中产生的误差将会极大地改变晶体管的工作状态.同时，电阻分压偏置也会影响PA的大信号性能.对于AB类偏置的放大器，当输入信号逐渐增大时，BE结二极管的整流作用使基极电流增大、偏置电压减小，从而产生增益压缩与相位失真，进而影响PA的线性度.为了减小电阻加工误差对电路的影响、提升PA的输出功率与线性度等大信号性能，偏置电路均采用如图5所示的电流镜有源偏置.其中，晶体管T2的集电极由金丝键合线连接至片外，片外提供300 A的基准电流.晶体管T2与T3采用基极与集电极短接的连接方式，等效为两个二极管串联.由于二极管的钳位作用，晶体管T4的基极电压将保持不变.晶体管T4所需的VDD为5 V供电电压，在电路版图中，三级偏置电路所需的 VDD均连接至第二级放大器 5 V供电pad，不占用额外键合点.L1为扼流电感，Cbypass为旁路图2 使用RC有耗稳定网络的单级放大器原理图Fig.2 Schematic of a single-stage amplifier using an RC lossy stabilization network图3 电路有无稳定网络最大可用增益与K值对比Fig.3 Maximum available gain and K value for circuit with or without stable network124第 2 期傅海鹏等：应用于WLAN的GaAs HBT功率放大器设计电容，其作用为防止大部分射频信号泄漏到偏置电路中.当PA工作在小信号情况时，该偏置电路为射频链路的功率晶体管提供稳定偏置.当输入信号逐渐增大时，晶体管T1需要更多的集电极电流，因此基极电流需要增大.相比于电阻分压偏置，有源偏置可以为晶体管T1提供更多的基极电流，从而补偿T1因输入信号增大而降低的偏置电压.仿真得到的功率晶体管在使用有源偏置与使用电阻分压偏置时输出功率与PAE的对比如图6所示，AM-AM失真与AM-PM失真的对比如图7所示.从图6可对比得出，使用有源偏置时功率级晶体管的饱和输出功率、峰值 PAE 分别可达到 22.5 dBm与60%，而使用电阻分压偏置时其饱和输出功率、峰值PAE仅为18.9 dBm与54%.从图7可对比得出，对于使用电阻分压偏置的功率级晶体管，其AM-AM失真与AM-PM失真比使用有源偏置的功率级晶体管更为严重.仿真结果验证了电路使用有源偏置的可行性，说明有源偏置可提升电路的输出功率、效率，降低AM-AM失真与AM-PM失真从而改善电路的线性度.功率检测电路能把大动态范围的射频输出功率转换成一个小动态范围的直流电压，从而实现对PA输出功率的检测.使用了一种如图8所示的可靠性好、结构紧凑的功率检测电路.D1、D2、D3、D4为检波二极管，C1为耦合电容，C2为滤波电容，R2为负载电阻，R2上的压降V1为功率检测电路的输出电压.该电路需要的供电电压VDD在版图中与第三级放大器的5 V供电pad相连，不占用额外的键合点.信号经过检波二极管的逐级整流变为半波信号后，被滤波电容C2过滤掉高频成分，剩余的直流成分便是需要的输出信号.图9为输出匹配与功率检测电路的3D版图.电感均采用3层金属并联的方式提升Q值、减小损耗，从而提升PA性能.整个输出匹配及功率检测电路十分紧凑，面积仅为0.61 mm0.31 mm，有利于减小芯片面积.图4 电阻分压偏置电路原理图Fig.4 Schematic of resistor divider bias circuit图5 有源偏置电路原理图Fig.5 Schematic of active bias circuit图6 电路使用电阻分压偏置与有源偏置的输出功率与PAEFig.6 Output power and PAE for circuit using resistor divider bias vs using active bias图7 电路使用电阻分压偏置与有源偏置的AM-AM失真与AM-PM失真Fig.7 AM-AM distortion and AM-PM distortion for circuit using resistor divider bias vs using active bias125湖南大学学报（自然科学版）2023 年2 结果与分析本节将介绍芯片的仿真与测试结果.芯片的显微镜照片如图 10 所示.芯片面积为 1.69 mm0.73 mm.测试时，芯片的所有pad均由金丝键合线连接至片外测试板.测试板照片如图11所示.测试板使用4350板材.S参数的仿真与测试结果对比如图12所示.仿真结果表明，在 5.16.5 GHz 内，PA 的 S21 为 33 33.7 dB，S11-9.8 dB，S22-11.5 dB.测试结果表明，在相应频带内，S21为2931.8 dB，S11-7.6 dB，S22-12 dB.S参数的测试结果与仿真结果较为一致.仿真得到的饱和输出功率与PAE如图13所示.在5.16.5 GHz内，饱和输出功率为32.834.9 dBm，PAE 为 38.7%42%.5.5 GHz、5.7 GHz 与 6 GHz 处，增益与 PAE 随输出功率变化的实测结果如图 14所示.仿真的EVM随输出功率变化的结果如图15所示.在满足无线局域网标准 802.11ax、调制策略为MCS7的情况下，EVM达到-30 dB时，PA的输出功率为2021 dBm.实际测试时，PA在5.3 GHz与5.8 GHz处，调制策略分别为MCS7、MCS9与MCS11，且EVM分别为-30 dB、-35 dB与-43 dB时的输出功率如表1所示.仿真的功率检测点输出电压随输出功率变化的图8 功率检测电路原理图Fig.8 Simplified schematic of power detector图9 输出匹配与功率检测3D版图Fig.9 3D layout for output matching and power detector图10 芯片显微镜照片Fig.10 Microscope photo of the chip图11 测试板照片Fig.11 Photo of the test board图12 S参数仿真与测试结果Fig.12 Simulation and test results for S-parameters126第 2 期傅海鹏等：应用于WLAN的GaAs HBT功率放大器设计结果如图16所示.当输出功率从030 dBm变化时，功率检测点电压为 0.271.3 V，在输出功率 30 dBm处不同频率的电压差值0.25 V.3 结论本文提出了一款基于GaAs HBT工艺的高功率、高线性度、面积紧凑的功率放大器.设计采用RC有耗稳定网络提升放大器稳定性、改善增益平坦度，采用有源偏置提升PA在大信号情况下的功率、效率与线性度表现.后仿真结果表明电路增益为 33 33.7 dB，饱和功率为32.834.9 dBm，PAE为38.7%42%.S参数测试结果与仿真结果表现出较好的一致性，大信号测试结果表明电路的线性度可满足图16 功率检测电压随输出功率变化的仿真结果Fig.16 Simulation results of power detection voltage versus output power图13 饱和输出功率与PAE的仿真结果Fig.13 Simulation results of saturated output power and PAE图15 EVM随输出功率变化的仿真结果Fig.15 Simulation results of EVM versus output power图14 不同频率下增益与PAE随输出功率变化的测试结果Fig.14 Test results of PAE and gain versus output power at different frequencies表2 提出的功率放大器性能比较Tab.2 Performance comparison of the presented power amplifier参数工艺频率/GHz增益/dB输入信号类型线性输出功率/dBm本文GaAs HBT5.16.52931.8802.11ax MCS713.619.8EVM=-30 dB文献 13GaAs HBT4.95.92654Mb/s 64 QAM OFDM19.520.5EVM=-26 dB文献 12SiGe HBT2.4526.6802.11g 54 Mb/s16.6EVM=-25 dB表1 输出功率测试结果Tab.1 Test results of output power调制策略与EVM要求MCS7，EVM=-30 dBMCS9，EVM=-35 dBMCS11，EVM=-43 dB5.3 GHz处实测输出功率/dBm13.67.83.55.8 GHz处实测输出功率/dBm19.811.54.5注：根据802.11ax的设计要求，调制策略为MCS7、MCS9、MCS11时需要达到的EVM值分别为-27 dB、-32 dB与-35 dB.127湖南大学学报（自然科学版）2023 年WLAN 802.11ax标准.参考文献1YANG X，SUGIURA T，OTANI N，et al5-GHz band SiGe HBT linear power amplifier IC with novel CMOS active bias circuit for WLAN applications C/2014 9th European Microwave Integrated Circuit ConferenceRome，Italy：IEEE，2014：428-4312胡锦，翟媛，郝明丽，等.应用于WLAN的SiGe射频功率放大器的设计 J.湖南大学学报（自然科学版），2012，39（10）：56-59.HU J，ZHAI Y，HAO M L，et alDesign of SiGe RF power amplifier for WLANJ Journal of Hunan University（Natural Sciences），2012，39（10）：56-59（in Chinese）3PRIBADI A A，MARDIANA V A，ALAM B RDesign power amplifier using load pull method in WLAN 802.11 ax access point applicationC/2017 International Symposium on Electronics and Smart Devices（ISESD）Yogyakarta，Indonesia：IEEE，2017：304-3094LIU B，MAO M D，BOON C C，et alA fully integrated class-J GaN MMIC power amplifier for 5-GHz WLAN 802.11ax applicationJ IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2018，28（5）：434-4365WAN S，CHEN 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