基于SiGe HBT的38GHz功率放大器的设计

简介：
本研究聚焦于设计一款高性能的38GHz功率放大器，采用先进的SiGe HBT技术，旨在优化无线通信系统的效率与可靠性。 功率放大器（PA）在射频前端模块中扮演着至关重要的角色，尤其是在毫米波通信系统中。随着移动互联网的快速发展以及对高数据传输速率的需求增加，毫米波频段因其丰富的可用频谱资源而受到广泛关注。SiGe HBT工艺在设计功率放大器时具有显著优势，能够提供良好的性能与成本平衡，并且具备较高的效率、大增益、优异的线性度和高功率密度。 针对38 GHz频率下晶体管增益较低及输出功率较小的问题，本段落提出了一种创新方法：通过利用HBT集电极寄生电容以及传输线谐振原理来减小芯片面积并提升性能。这种方法允许使用较短的传输线，减少了芯片尺寸，并改善了放大器的整体效率和输出功率。 采用IBM 0.13 μm SiGe工艺设计了一个单级功率放大器电路。该设计方案包括堆叠HBT以提高增益以及优化输入与输出匹配网络来确保信号的有效传输。具体而言，在输入端，50 Ω的标准阻抗被转换为晶体管输入阻抗的共轭值，从而减少了信号反射；在输出端，则通过负载线原理优化了负载阻抗，实现最大化的输出功率。 此外，在有源器件设计中选择了高速HBT以获取更高的增益。发射极面积经过精心调整来平衡输出功率与匹配难度，并且晶体管偏置设置对PA的效率、增益和线性度至关重要，需要找到一个最佳的工作点以兼顾这些性能指标。 仿真结果显示，在4 V供电电压下，该38 GHz功率放大器在1 dB压缩点下的输出功率为17.8 dBm，功率增益达到19.0 dB，同时实现了32.3%的附加效率和仅252 mW的功耗。这些性能参数表明基于SiGe HBT工艺设计的功率放大器有效地解决了毫米波频段中的挑战，并且为未来毫米波通信系统的高性能及小型化发展提供了有力支持。