基于变压器架构的Ka波段双模CMOS功率放大器：提升回退效率新策略

《IEEE Journal of Microwaves》：A Transformer-Based Dual-Mode Ka-Band CMOS Power Amplifier With Enhanced Back-Off Efficiency

本文报道了一种创新型差分-单端负载调制(DISEL)功率放大器，针对5G/6G毫米波系统高峰均比(PAPR)信号导致的效率下降问题，研究团队通过变压器耦合的三堆叠FET结构实现了双模可重构操作。测量结果表明，在28 GHz工作频率下，高功率模式饱和输出功率达23.1 dBm，峰值功率附加效率(PAE)为28.5%；低功率模式在10 dB输出回退(OBO)条件下PAE提升2.3个百分点，为大规模相控阵发射机提供了高集成度解决方案。

　　

随着5G和6G无线通信系统的快速发展，高数据速率传输需求推动了对高阶调制和OFDM信号的应用，这些信号具有高峰均功率比(PAPR)特性，导致功率放大器经常工作在输出功率回退区域。传统功率放大器在回退条件下功率附加效率(PAE)急剧下降，如同文档图1所示，这成为毫米波大规模相控阵发射机系统功耗和热管理的关键挑战。

为解决这一难题，研究者提出了包络跟踪、异相法和Doherty架构等效率提升技术，但这些方法往往需要复杂的控制电路和阻抗匹配网络，增加了系统复杂性和芯片面积。在此背景下，双模功率放大器架构通过选择性关闭部分放大路径来实现回退效率优化，为高集成度毫米波发射机提供了新思路。

本研究团队设计了一种基于变压器结构的差分-单端负载调制(DISEL)功率放大器，采用65纳米RFCMOS工艺实现Ka波段双模操作。该创新架构在高功率模式下工作于全差分三堆叠FET结构以提供高输出功率，在低功率模式下通过切换至单端操作提升负载阻抗，从而优化回退效率，同时保持线性度。

关键技术方法包括：采用变压器耦合的双级放大结构，驱动级为共源极配置，功率级采用三堆叠FET设计；利用三重阱工艺实现独立体电位控制，确保器件可靠性；通过可重构开关网络实现差分与单端模式切换；基于电磁仿真的无源元件优化设计。

研究结果

一、DISEL功率放大器工作原理分析

通过理论推导建立了负载电阻(R_L)与输出功率(P_OUT)和功率附加效率(PAE)的数学关系，揭示了效率与输出功率之间的固有矛盾。高功率模式下差分操作使每个晶体管看到的有效负载电阻R_L,HM = R_T/2，而低功率模式单端操作时负载电阻提升至R_L,LM = R_T，为效率优化提供理论依据。

二、双模DISEL功率放大器设计实现

功率级采用448微米栅宽的三堆叠FET结构，负载牵引仿真显示传统差分结构峰值PAE达49.4%，加入模式切换开关后仅下降1.7%，证明双模架构可行性。通过分拆布局技术优化电容C_q,P2和C_q,P3，并应用电容中和技术提升稳定性和增益。

三、偏置优化与可靠性验证

通过独立控制"部分N"中M_P2的栅极电压(V_G,N2)实现模式切换，避免直流阻塞电容引入的损耗。电压波形仿真证实所有晶体管漏源电压(V_DS)均低于2.5V可靠性限值，确保器件在P1dB条件下安全工作。

四、性能验证与对比分析

测量结果显示，在26-30 GHz频段内，高功率模式实现P1dB超过22 dBm，峰值PAE高于28%；低功率模式在10 dB回退点PAE达到9.2%以上，较传统操作提升2.3个百分点。64-QAM调制测试证实，在-25 dB误差向量幅度(EVM)阈值下，低功率模式在平均输出功率9.5 dBm时实现PAE_AVG达9.0%。

研究结论与意义

DISEL功率放大器架构成功实现了在保持高峰值输出功率的同时，显著提升回退效率的设计目标。该方案通过简单的模式切换机制替代复杂的阻抗匹配网络，核心面积仅0.090 mm²，为大规模相控阵集成提供了理想解决方案。虽然低功率模式效率优化尚有提升空间，但本研究为未来可重构匹配网络等进一步优化指明了方向。这项发表于《IEEE Journal of Microwaves》的工作证实了双模操作在毫米波功率放大器设计中的实用价值，为5G及未来通信系统的高能效发射机设计奠定了技术基础。