深港微电子学院方小虎课题组在TCAS-I和TCAS-II发表GaN MMIC功率放大器新成果

2023-09-25 科研聚焦 浏览量：7021

南方科技大学深港微电子学院助理教授方小虎团队在GaN MMIC高效率C波段F类功率放大器和高效率宽带毫米波功率放大器研究领域中取得进展。其中，高效率C波段F类功率放大器以“Design of a Highly Efficient Class-F GaN MMIC Power Amplifier Using a Multi-Function Bias Network and a Harmonic-Isolation L-C Resonator”为标题发表在集成电路设计领域国际高水平期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers。方小虎团队博士生石杰为论文第一作者，方小虎助理教授为通讯作者，南科大为论文第一通讯单位。

另外，高效率宽带毫米波功率放大器以“Novel Wideband Millimeter-wave GaN Power Amplifier Design using Transistors with Large Drain Capacitance and High Optimum Load Impedance”为标题发表在集成电路设计领域国际高水平期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs。方小虎团队博士生石杰为论文第一作者，方小虎助理教授为通讯作者，南科大为论文第一通讯单位，该成果也得到深港微电子学院余浩教授的项目支持。

高效率C波段F类功率放大器

C波段(4-8 GHz)射频功率放大器是远距离无线能量传输、合成孔径雷达SAR、卫星通信、现代无线通信等系统中的核心器件，其输出功率和效率极大的影响了系统的传输距离、能效比、通信速率、散热设计和成本。由于这些系统广泛采用大规模有源天线阵列与波束成形技术来提升系统性能，因而在发射机链路中将需要使用成百上千个功放器件。高能效小体积的功放有助于降低整个有源天线阵列的体积、热设计复杂度和成本，并提升系统可靠性。因此，提升功放效率并降低功放体积极其重要。论文基于上述的应用背景，提出一种新型高能效输出匹配网络设计方法，该方法能够控制基波阻抗至四次谐波阻抗，在C波段实现高效率的F类功放工作模式。测试结果表明，应用该方法设计的F类功放能够实现能效比高于70%。

图1：芯片照片与测试结果 

高效率宽带毫米波功率放大器

为了实现超高速率无线信息传输，5G毫米波系统需要应用大规模有源天线阵列和波束成形技术，因而对功放(PA)体积、带宽、能耗和输出功率提出了新的要求。在5G毫米波设计频段(24.25-29.5 GHz)，由于晶体管的寄生参数的影响，导致功放的匹配网络带宽受限于Bode-Fano条件。传统方法应用多阶LC网络实现宽带的匹配性能，然而这种方式增加芯片面积与电路损耗，降低功放效率。为了解决在功放芯片的面积、带宽和性能之间的折衷问题，论文提出一种宽带设计方法，该方法使用简单的匹配网络，能够补偿晶体管的寄生电容，同时控制二次谐波阻抗，实现在24.5-29.5 GHz的宽带匹配。

图2：毫米波功放芯片照片与测试结果

相关论文链接：

Jie Shi, Xiaohu Fang, Hao Yu, Jiangwei Sui and Kwok-Keung M. Cheng, "Novel Wideband Millimeter-wave GaN Power Amplifier Design using Transistors with Large Drain Capacitance and High Optimum Load Impedance," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, doi: 10.1109/TCSII.2023.3291383. （https://ieeexplore.ieee.org/document/10171216）

Jie Shi, Xiaohu Fang, Changning Wei, Tao Lin, Luyu Zhao and Kwok-Keung M. Cheng, "Design of a Highly Efficient Class-F GaN MMIC Power Amplifier Using a Multi-Function Bias Network and a Harmonic-Isolation L-C Resonator," in IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, doi: 10.1109/TCSI.2023.3313639. (https://ieeexplore.ieee.org/document/10255372)