X波段GaN MMIC负载调制平衡功率放大器：突破宽带高效率瓶颈的新架构探索

《IEEE Journal of Microwaves》：MMIC Implementation of the Load Modulated Balanced Amplifier and its Variants

为破解高PAPR宽带信号下功率放大器效率-带宽-线性度三难困境，研究团队系统评估MMIC级LMBA与S-LMBA设计空间，通过外置与片内控制PA对比实验证实：即使控制PA效率仅25%，负载调制仍使8 dB回退PAE提升6百分点，首次在X波段GaN MMIC上验证S-LMBA更优回退效率，为下一代通信与雷达发射机提供可扩展的宽带高效解决方案。

　　

研究背景 当5G-A、卫星通信与电子战系统把信号带宽推高到数GHz、峰均比(PAPR)推到10 dB以上时，传统功率放大器(PA)陷入“宽带-高效-线性”三角魔咒：Doherty受限于λ/4支线，带宽难超20%；outphasing对相位校准的nm级误差极度敏感，MMIC实现损耗大。2016年诞生的负载调制平衡放大器(LMBA)把控制信号注入平衡放大器(BA)隔离口，用有源阻抗匹配把主功放“看不见”的阻抗实时改写，理论上可突破带宽枷锁，却留下三大悬念：MMIC尺度下控制功放(CPA)该做多大？效率-尺寸-功率如何折中？先开后关的LMBA与先关后开的S-LMBA谁更适合毫米波GaN？正因此，美国科罗拉多大学团队以X波段GaN MMIC为试金石，首次系统拆解LMBA设计空间，欲为宽带高效发射机解锁新范式。

关键技术方法 研究基于WIN Semiconductors NP12 0.12 μm GaN-on-SiC工艺，设计2.6 mm×2.8 mm MMIC，集成4×75 μm主单元与3×50 μm控制单元；采用双音+CW双驱动测试台，外置R&S SMW200A同步源与F SW43矢量仪，结合外部Mini-Circuits ZVE-3W-183+与片内CPA两种激励方式；通过负载牵引与k因子/Nyquist指数联合仿真，在6–12 GHz频段内提取阻抗-效率-功率三维曲面，建立α=P_{/P与|Γ|定量映射模型；利用键合线跳线切换，实现BA、LMBA、S-LMBA三种模式可重构测试。}

研究结果 II. LMBA效率与驱动策略 建立计及CPA直流功耗的系统PAE解析式，揭示当|Γ_{|=0.7时，控制功放需2倍于单路主功放尺寸(α≈2)，而|Γ|=0.2时α≈0.4即可覆盖0–0.58反射系数区间；给出LMBA与S-LMBA驱动时序图，指出前者在回退区仅BA工作、CPA关闭，后者反之，由此导出OMN需分别对应低|Γ|或高|Γ|匹配。}

III. 演示MMIC设计 BA单元负载牵引目标阻抗110+j140 Ω(|Γ_{|=0.72)，经宽带匹配网络把|Γ|压缩至0.06–0.29；采用50 Ω欠耦合Lange耦合器，兼顾面积与损耗；片内CPA仅7–11 GHz带宽，因0.72 pF串容对工艺偏差敏感，实测饱和功率比仿真低2 dB，PAE低6百分点。}

IV. (S)-LMBA特性验证 外部CPA实验表明，当控制功率21 dBm、漏极效率η_{=25%、增益8 dB时，8 GHz处8 dB回退系统PAE仍比BA高6百分点；图17效率等高线显示，峰值条件下只要η＞30%即可超越BA基准；图18在7 dB OBO下η＞20%即获增益，证实负载调制对CPA性能容忍度高于预期。}

V. 片内(S)-LMBA实测 键合线限制带宽至7.4–9.4 GHz；8 GHz处S-LMBA在8 dB OBO PAE达21%，优于LMBA的18%；LMBA增益平坦性更佳；两种策略均显著高于BA单独工作时的16%，且S-LMBA回退效率优势与理论预测一致。

结论与讨论 该文首次在X波段GaN MMIC尺度上量化证明：只要控制功放效率≥20–30%，LMBA与S-LMBA即可在宽带范围内显著提升回退效率，其中S-LMBA更适合深回退应用，LMBA兼顾增益线性；研究同时揭示MMIC中耦合器损耗与键合线电感是限制带宽的主因，为后续采用低阻耦合器、片上变压器或异构集成提供明确改进路径。成果发表于《IEEE Journal of Microwaves》，为下一代通信、雷达与电子战系统实现“单芯片宽带高效发射”奠定可扩展的架构基础。