一款高三階交調點的GaAs射頻放大器

隨著社會的發展，5G 通信快速發展并運用在各個社會領域當中。網絡直播，遠程醫療，遠程操控，物聯網等領域都有了日新月異的發展。與之前的4G 通信相比，載波寬帶從20 MHz 提高到了如今的100 MHz。這使得數據的傳輸速率更快，網絡延遲時間成倍減少^[1]。在日常生活對互聯網通信的要求越來越大的今天，網絡通信已經成為了，人們生活中接觸最頻繁并且最重要的組成部分。衡量人民生活幸福質量的重要標準?，F階段針對5G 通信，通常采用高功率增益，高線性度的寬帶放大器對前級信號進行預放大處理。高線性度代表著在輸入功率提高時，整個通信系統有更少的非線性失真。

本文采用2 μm GaAs HBT 工藝，設計了一款可工作在10 MHz~4 GHz 頻率下的高線性度高增益放大器。實際測試放大器的輸出三階交調截止點大于40 dBm。并且可以滿足器件的功率增益大于20 dB，輸出1 dB 壓縮點大于20 dBm。器件測試參數結果滿足5G 通信要求，可應用于手機基站、無線圖像傳輸等通信系統當中。

1 理論分析與電路設計

1.1 電路結構

異質結晶體管 (Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。在目前主流的砷化鎵材料器件中，HBT 因具有很強的電流放大能力，從而被越來越多應用到放大器的設計當中。HBT 的集電極（C）、基極（B）、發射極（E）使用不同材料制成，所以被稱做異質結結構器件。使用了更薄的基極材料HBT 的晶體管禁帶更寬，發射極的注入效率提高，所以使晶體管的截止頻率變大，功率增益更高。晶體管的電流是垂直走向，所以具有很高的電流密度，因為HBT 具備的這些特點，所以本文選擇采用HBT 工藝對放大器進行設計。

達林頓結構是一個將晶體管串接起來的結構。將第1 個晶體管的發射極接到第2 個晶體管的基極，集電極相互連接。這樣的鏈接結構可以提高放大器增益的晶體管結構。如圖1 所示，Q1，Q2 晶體管組成了一個共集-共射結構，這就是一個簡單的達林頓結構^[2]。與典型的單管放大結構相比，加入了晶體管Q1，可以提高電流增益并且增大輸入阻抗。

與典型的放大結構相比，達林頓結構的優點有：輸入阻抗高；帶寬較大，成本低；結構簡單不需要復雜匹配，面積小。按照圖1 所連接的情況，該結構總的電流增益為是^[3]：

   (1)

這使得達林頓結構有較強的電流放大能力，較高的功率增益，并且有良好的增益平坦度。利用這個特性我們可以用這個結構來設計高增益高線性度的放大器。所以本文選擇以達林頓結構為基礎，進行調整優化后對此款放大器進行設計。

1.2 電路設計

對于寬帶放大器而言，線性度是一個可以評價性能的重要參數指標。在設計放大器時使用的晶體管是非線性的，當在小信號情況下，晶體管的輸出信號與輸入信號呈現線性的關系，此時可以忽略放大器的非線性。但當輸入信號功率變大或者信號頻率增加的時候，輸出信號的非線性會表現的很明顯。其中主要包括增益降低，諧波失真，交調失真等非線性情況。

當有兩個頻率接近的信號輸入時，我們可以將信號表示為下面的式子：

v(t) = A₁cosω₁+A₂cosω₂   (2)

把輸入信號代入公式，用泰勒級數展開后近似可以得到輸出端的信號式子，在此種情況下除了會有ω₁、ω₂頻率分量以外，還有直流分量，與頻率（2ω₁±ω₂）和（2ω₂±ω₁）相關的諧波分量，展開式子后，其中包括：

A₁²A₂a₃cos(2ω₁-ω₂)t+A₁A₂²a₃cos (2ω₂-ω₁)t   (3)

在式（3）的分量中可以存與頻率ω₁、ω₂相關的頻率分量。當ω₁與ω₂接近的情況下，2ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁是與主信號頻率（ω₁、ω₂）接近的兩個信號頻率^[4]。因為過于接近，所以這兩個新產生的交調量難以濾除。這一個三階交調分量是對放大器性能的主要干擾，為了衡量這一個指標，采用輸出三階交調點（Output thirdorder Intercept Point, OIP₃）指標來表示三階交調分量對信號的干擾程度。圖2 是三階交調截止點的示意圖，三階交調信號線的斜率更大，隨著輸入功率的增加，它上升的更快。將兩條線虛擬延伸，得到一個交點，此時的輸出功率與三階交調的輸出功率相等，把這兩根線條的交點叫做輸出三階交調截止點。

1.3 仿真設計

為了提高放大器的線性度，設計時在前文介紹的達林頓結構的基礎上添加了偏置結構。晶體管Q₁與電阻R₁，R₂，R₃組成的偏置結構可以穩定電路的直流偏置點，提高電路的線性度。同時可以使得電路在高溫和低溫狀態下的工作性能可以盡量與常溫狀態下保持一致。Q₂與Q₃，Q₄~Q₉晶體管組成達林頓結構。因為功率較高第二級晶體管上需要通過較大的電流，所以在設計當中采用了并聯晶體管的方式，降低了每個晶體管上通過的電流，降低可能因為電流過大的產生的熱效應，提高晶體管的耐功率裕度，并且并聯結構可以降低電路的噪聲系數。電阻R₆~R₁₃在晶體管的發射極連接到地電位，起到負反饋的作用^[5]。電路基本結構原理圖如圖3 所示。

Q₂，Q₃晶體管的尺寸選擇1.9 μm×8 μm, Q₄~Q₉的尺寸原則為2 μm×10 μm。因為第二級晶體管為并聯，所以面積大約是第一級放大器的3.9 倍^[6]。Q₁ 的尺寸選擇1.6 μm×6 μm，從仿真過程中看，減小面積可以提高放大器的線性度。并且它的基級與第二級晶體管基級相連，保證了溫度變化下的直流特性。在繪制版圖時合理布局最終得到的芯片尺寸為0.56 mm×0.61 mm。

2 測試與驗證分析

電路采用SOT89 塑封封裝管殼，應用驗證板如圖4。測試條件為電源電壓V_CC=5 V。使用網絡分析儀對電路進行三階交調截止點等參數進行測試，三階交調點測試曲線如圖5。器件的工作頻率為10 MHz~4 GHz。在輸入信號100 MHz ~1 GHz 范圍內，輸出三階交調點超過40 dBm。且能夠保證功率增益達到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點達到21 dBm，電路在大功率輸入情況下也擁有較好的線性度。測試結果表明實際測試與仿真結果基本一致，電路實現了高三階交調點。說明本文中采用的以達林頓結構為基礎，添加偏置結構對電路進行優化的方法可行有效。

圖4 測試驗證板

3 結束語

本文基于達林頓晶體管放大結構設計了一款高增益高三階交調點的射頻放大器。使用2 μm GaAs HBT 工藝流片設計，對晶體管結構進行優化，提高了工作帶寬，利用HBT 晶體管搭建的達林頓結構抑制了三階諧波分量，提高了OIP₃ 參數，輸出三階交調點40 dBm，提升了電路的線性度。此時功率增益達到20 dB，且增益曲線平坦，輸出1 dB 壓縮點達到21 dBm。電路滿足5G通信使用頻率并具有高增益，高線性度的特點，可用于通信收發鏈路當中，具有很強的應用前景。

圖5 三階交調點測試曲線

參考文獻：

[1] 宋楠. 基于GaAs HBT 的增益放大器研究與設計[D].上海:復旦大學, 2014.

[2] 張博,李力陽.0.1~6 GHz 高線性度低功耗 InGaP/GaAs HBT射頻放大器[J].電子元件與材料,2019, 39(10): 59-65.

[3] WEI Y, STAUDINGER J, MILLER M. High efficiency linear GaAs MMIC amplifier for wireless base station and Femto cell applications[C] // 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications. IEEE, 2012: 49-52.

[4] B.RAZAVI. RF Microelectronics, Second Edition[M].北京:機械工業出版社, 2016.

[5] COERS M, BOSCH W. DC to 6.5 GHz highly linear low-noise AlGaN/GaN traveling wave amplifier with diode predistortion[C]//2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014). IEEE, 2014: 1-4.

[6] 梁永明.毫米波低噪聲放大器研究與設計[D].浙江:杭州電子科技大學,2018.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年6月期）