5G通信用毫米波功率放大器设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

随着CMOS工艺的进步，其特征尺寸不断下降，特征频率不断提高，这使得在CMOS工艺下设计毫米波放大器成为可能。CMOS工艺成本较低，同时可以实现射频与基带的单片集成，因而它吸引了许多研究人员的关注。但设计CMOS毫米波功率放大器也面临着一系列挑战。深亚微米CMOS工艺供电电压较低，这限制功率放大器的输出电压摆幅和饱和输出功率；中等的衬底电阻也产生了无源器件损耗。同时，在毫米波频段，各种寄生参数的影响逐渐凸显，尤其是栅-漏间的寄生电容会导致放大器趋于不稳定。毫米波频段的许多应用需要较大的相对带宽，因此宽带匹配也成为了研究重点。

为了使得工作在毫米波频段的功率放大器稳定，研究人员先后提出了多种结构。早期阶段，主要采用的稳定结构是在功率放大器的输入端串联一个RC并联网络[1]。通常，放大器在低频段从输入端看入为负阻，容易出现不稳定[2]。加入串联电阻可以引入损耗，使得输入阻抗为正，确保无条件稳定。但加入电阻使得全频段稳定性提升，增益下降。由于放大器本身的高频稳定性足够，通常在电阻旁并联电容，使高频信号走电容通过，减小高频信号损耗，减小电阻对高频增益的影响。这种方法可以比较好地控制稳定性，但必然对增益产生负面影响。

另一种方法是Cheng最早提出的中和化和单向化技术[3]。这种技术在放大器二端口网络旁并联特定网络，使得总体网络的反向传输系数为0，因而放大器成为单向放大器，保持无条件稳定。Cheng的论文只分析了单端电路，提出了变压器加电容、电感等多种组合方法。Wei L. Chan提出了用于差分电路的交叉耦合电容结构[4]，这也可以利用Cheng的网络理论进行分析。Chan提出的结构在差分电路一端的栅极和另一端的漏极之间连接电容，在忽略栅电阻的情况下该电容的值恰为栅-漏寄生电容的大小。理想情况下，中和化的放大器的S₁₂为0。这种方法可以使放大器无条件稳定的同时，最大稳定增益不受影响。但使用这种技术时值得注意的是，交叉耦合电容的值必须非常精确，过大或过小都会引入反馈，使得放大器不稳定。因而放大器的鲁棒性并不是很高。[7]提出的使用蒙特卡洛仿真来确定交叉耦合电容的值，能在较大程度上保证放大器稳定。总的来说，这种技术的优势明显，之后的许多研究中都使用了这种结构[5], [6], [7], [8]。

在毫米波频段，为了使得功率最大传递、输出功率高，放大器的匹配非常重要。匹配的时候也需要在功率、增益、带宽和效率中键进行权衡。一种方法是用分立的电感、电容构成pi;型网络匹配[9]。这种匹配方法比较灵活，适用于单端电路，但分立电感、电容的Q值较低[4]，使用这种方法进行匹配很难获得较高的增益和效率。

此外，Chowdhury提出了使用变压器进行匹配的方案[1]。变压器匹配具有一定吸引力，因为它在进行阻抗变换的同时实现了单端-双端转换；在多级放大器中，使用变压器可以方便地在变压器中心抽头处提供偏置而无需独立的电感或电容。但变压器的匹配路径比较单一，偶尔需要电容辅助才能到达匹配位置，而且耦合系数较低时插入损耗会明显增大。[10]提出的在变压器底部利用一、二层金属构成屏蔽层可以部分降低容性耦合到衬底的损耗，但是对感性耦合到衬底的损耗却无法减少。

为了进行宽带匹配，许多研究者对变压器和晶体管的进行了修改。Shakib在晶体管源极和虚地之间加上了一个小电感[7]，这个电感使得晶体管输入阻抗的实部变大，Q值变小，因而带宽得以拓展。此外，源极电感也可以减轻AM-AM效应和AM-PM效应，提高放大器的线性度。但是它会降低功率增益，也导致整体功率附加效率下降。

许多研究者充分利通变压器的自感、互感和寄生电容，构成高阶匹配网络，以期实现宽带匹配。Bassi分析了电感耦合的双谐振网络的谐振峰位置和幅值，并利用pi;型网络-T型网络变换和诺顿变换，将其转变成变压器的形式[6]。这种方法得到的功率放大器带宽为40-67 GHz，实现了51%的相对带宽。但是，通过这些等效变换产生的变压器并不都是物理可实现的（耦合系数过高等原因），因而具有一定的局限性。Wang从四阶滤波网络出发，通过上述两种变换，也得到了变压器形式的匹配网络[11]。他的设计带宽为5.2-13 GHz，得到了85%的相对带宽。他的方法由于引入了额外的电感、电容元件，有一定的设计自由度，可以调整变压器使之物理可实现。但过多的分立元件也会引入许多损耗，因而只能在相对低频段设计中使用。Vigilante通过设计低耦合变压器，实现了38%得相对带宽[8]。但低耦合变压器磁通量泄露较多，级与级之间耦合明显，因而设计时需要整体仔细仿真，流程较为繁琐。

相比于添加源极电感扩展带宽得方法，分离变压器得两个谐振频率可以轻易获得较高的相对带宽，但带内波动大，必要时还需要引入电容等其他元件使两个谐振峰的峰值相同[12]。此外，分布式放大器可以将晶体管的寄生电容构成人工传输线，从而能够突破传统放大器带宽增益积的限制，可以在较大范围得到平缓增益。但其效率受限，部分因为传输线上的损耗，部分因为不同放大器的输出幅度不同。而且也只能够提供有限的增益[6]。

未来，CMOS功率放大器的研究还将面向更宽带宽，以支持高速传输、医学影响、遥感探测等应用的需求。此外，为了支持IoT设备低功耗的需求，提高功率放大器的效率也是研究重点之一。

参考文献