一种带非线性补偿的宽带GaAs HBT驱动功率放大器设计

黄 亮，朱 海，要 栗

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

0 引言

随着第五代移动通信系统（5G）的大规模应用，驱动功率放大器成为移动通信系统发射链路不可缺少的器件之一。为了满足各种通信协议所覆盖的频率范围[1]，射频前端需要通过多路射频放大通路，通过开关切换来实现需求。此外，5G 基站应用对驱动放大器提出了更大输出功率、更宽工作带宽以及更高工作效率的要求。

本文介绍一个工作在4～6 GHz 频段，基于GaAs HBT 工艺的三级驱动功率放大器电路设计。基于GaAs HBT 晶体管大信号的非线性特性，本文分析了有源偏置电路进行大信号非线性补偿的原理，并通过调整三级放大级非线性补偿提升放大器输出功率线性度，还采用微带线与集总元件结合的输出匹配网络结构以实现宽带大信号输出。经流片后芯片测试验证，测试结果良好，实现了驱动放大器宽带、高线性度信号的输出。

1 电路设计与分析

1.1 偏置电路

GaAs HBT 晶体管正常工作时，其基-发射结具有二极管整流特性。随着射频输入信号的增大，晶体管进入饱和区后，大信号的消减等效二极管整流特性，其基-发射结电压差（Vbe）减小，进而跨导减小，最终导致输出信号的增益压缩和失真。另外，GaAs HBT 晶体管具有热敏感特性，晶体管特性受自热效应以及环境温度影响明显[2]。

因此，本文采用带有温度补偿模块的片上有源偏置电路[3]，如图1 所示。该偏置电路包含温度补偿电路和非线性补偿电路。温度补偿模块由电阻Rt 和晶体管Q2、晶体管Q3 形成的温度特性负反馈网络，在高低温下补偿偏置电路偏置电流的变化。电容C1、晶体管Q1 和镇流电阻Rb 构成非线性补偿网络，可以通过调试电容C1 和镇流电阻Rb，对放大器进行增益扩展或者增益压缩补偿，改善放大器大信号时的非线性，提升输出线性度。

1.2 三级放大器非线性补偿分析

驱动功率放大器的线性度可以通过三阶交调失真（IMD3）指标体现。因此，分析三级放大器级联之后的非线性机理，可以对放大器设计起到指导作用。对一个三级放大器进行Volterra 级数展开后，各级的非线性转移特性表达式[4]可表示为：

式中：V1,in(t)，V2,in(t)，V3,in(t)和V1,out(t)，V2,out(t)，V3,out(t)分别表示放大器各级的输入电压信号和输出电压信号，ai，bi和ci分别是各级Volterra 级数展开后的各项次系数，这些系数均为包含相位信息的复数。

假设放大器第一级输入信号为：

式中：A是输入信号的电压幅度，ω1和ω2分别是输入信号的中心频率。通过公式推导，第三级输出的基频电压信号以及三阶交调信号可以表示为：

以上公式推导结果忽略了高次项。从式（6）可以看出，第三级输出的三阶交调信号由各级产生的IM3 电压信号矢量相加得到。根据各级的Volterra级数展开式可知，在式（6）中，如果a3/a1，b3/b1，c3/c1都为正，则输出信号将会有一定的增益扩展；相反，输出信号则会有一定的增益压缩。经过分析可知，通过优化各级偏置电路，可有效改善IMD3。其中，第一级的非线性补偿对总体线性度影响最大。

1.3 宽带输出匹配网络设计

功率放大器输出匹配网络决定了输出信号的工作带宽以及输出功率[5]。根据RLC 匹配网络的3 dB 带宽理论，匹配网络的带宽与匹配网络节点的品质因子Q 值成反比。基于传统的LC 集总元件的L 型匹配结构，相比使用微带线与电容形成的L 型匹配结构，同样Q 值下阻抗可变化范围更小。使用本文所采用的微带线与电容结合的L 型匹配结构能实现更高的阻抗变换比，提升匹配网络带宽。

2 三级驱动功率放大器的实现

基于以上的理论分析和电路优化思路，设计一个基于GaAs HBT 工艺，工作频率在4～6 GHz 的三级驱动功率放大器，原理结构如图2 所示。其中，各级偏置电路均采用图1 所示结构，输入匹配网络和两级间匹配网络均采用两级LC 级联结构以保证宽带特性。

图2 三级驱动功率放大器原理图

本文设计的三级驱动功率放大器使用2 μm GaAs HBT 工艺成功进行流片。原理图仅输出匹配网络采用片外实现，以便于调试。该裸芯片（die）的尺寸为1 200 μm×1 250 μm。放大器各级放大管面积分别为360 μm2、960 μm2和3 600 μm2。为了进行芯片性能评估测试，将裸芯片直接贴装到PCB 板上，然后再键合、测试。测试板局部照片如图3 所示。片外输出匹配网络如图3 中方框区域所示。

图3 芯片测试板局部照片

3 测试结果与分析

放大器的电源电压为5.0 V。各级静态工作电流分别为38 mA、70 mA 和152 mA。使用安捷伦的网络分析仪PNA5242A 对电路分别进行小信号S参数测试和输出功率1 dB 压缩点（P-1dB）测试。测试结果分别如图4 和图5 所示。

从图4 中可以看出，常温下，在频率4～6 GHz 范围内，小信号测试结果良好，实现了宽带小信号输出，其中主要频率范围增益超过30 dB。图5 中，输出P-1 dB 三温（-40 ℃，25 ℃和105 ℃）测试结果在频率4～6 GHz 范围内，三温下输出P-1 dB 基本在30 dBm 以上，实现了宽带大信号输出，验证了本文所设计的宽带输出匹配网络结构。

图4 放大器小信号S 参数测试结果

图5 输出P-1dB 三温测试结果

在频率点5.9 GHz 处，采用连续波，信号间隔1 MHz，常温输出功率线性度OIP3 测试结果如图6所示。输出功率在24 dBm 以下OIP3 超过34 dBm；在输出功率24 dBm 处，OIP3 达到了43 dBm。随着射频前端GaN 功率放大器的应用越来越多，本文设计的驱动放大器的性能有很高的应用价值。

图6 输出功率线性度OIP3 测试结果

4 结语

通过分析GaAs HBT 功率放大器非线性补偿原理和宽带匹配结构，针对放大器输出功率线性度和射频信号带宽问题，分别提出了改善方法。基于2 μm GaAs HBT 工艺，本文设计了一种宽带驱动功率放大器。最终的芯片测试结果表明，该驱动功率放大器在4～6 GHz 范围内具有较高的P-1 dB 和OIP3。本文实现的驱动功率放大器芯片集成度高、带宽宽，能有效简化射频通信链路，具有较高的实际意义。