摘要
随着通信速率需求的迅速增长，毫米波频段因其丰富的频谱资源得到了越来越多重视。毫米波技术具有宽通信带宽、高数据速率和低传输时延等优点，是实现5G通信高速率和高容量目标的关键技术之一。功率放大器作为毫米波收发芯片中的核心模块，其输出功率、线性度和效率决定着通信的距离和质量。因此，面向5G应用的毫米波功率放大器的研究与设计具有重要理论意义和实际应用价值。本文设计了两款应用于5G通信的毫米波功率放大器，主要内容包括： 首先，本文从设计指标和主要分类两个方面介绍了功率放大器的基础理论，并总结、分析了CMOS毫米波功率放大器常用的输出功率与效率?升技术。 随后，本文基于Tower65nmSOICMOS工艺设计了一款宽带功率放大器，可覆盖第三代移动通信伙伴项目（3GPP）5GFR2在Ka波段的所有频率范围。该功率放大器采用两级放大结构，并结合中和电容技术进一步?升放大器增益。功率放大器的匹配网络均采用基于变压器的磁耦合谐振腔网络实现宽带阻抗匹配和单双端转换功能，保证了良好的宽带特性和版图紧凑性。该功率放大器的-3dB带宽可达19.5GHz(21.5~41GHz)，核心面积为0.08mm2。仿真结果表明，当输入基波频率为28GHz的正弦信号时，该功率放大器的饱和输出功率为20.3dBm，OP1dB为18.3dBm，峰值PAE为31.2%，1dB压缩点处的AM-PM失真为3.1°；输入基波频率为32GHz的正弦信号时，该功率放大器的饱和输出功率为19.8dBm，OP1dB为18.1dBm，峰值PAE为30.6%，1dB压缩点处的AM-PM失真达到最小为1.6°，可满足64-QAM调制信号的线性度要求。 最后，基于同样工艺设计了一款面向5G通信应用的Doherty功率放大器。该功率放大器的功率级采用三层堆叠式结构，以?高输出功率并减缓匹配网络的设计压力。输出负载调制网络采用π型集总网络设计，并通过合并无源器件的方式来降低无源器件数量，从而优化了芯片面积。此外，为了进一步保证版图的紧凑性，设计了一种基于变压器的紧凑型正交功分器作为功率放大器的输入相移网络。该功率放大器的版图面积为718μm×508μm。仿真结果表明，在28GHz工作频率下，该功率放大器可实现最大输出功率22.2dBm，峰值PAE为35.8%。当功率回退6dB时，该功率放大器仍能保持25.1%的PAE。在输出功率20dBm内，整体AM-PM失真小于3°，可适用于5G毫米波通信应用。
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