基于SiGe BiCMOS工艺的220 GHz宽带功率放大器实现31.8%饱和输出功率带宽突破

《IEEE Solid-State Circuits Letters》：220 GHz, 8.5 dBm Saturated Output Power Wideband Power Amplifier in SiGe BiCMOS

本刊推荐：为解决G波段毫米波通信系统对宽带、高输出功率放大器的需求，研究人员开展基于130 nm SiGe BiCMOS工艺的宽带功率放大器(PA)研究。通过提出新型共基极晶体管基极电感增益峰值技术，实现140-238.7 GHz工作带宽，测得峰值增益27.6 dB、饱和输出功率(Psat)8.5 dBm，功率附加效率(PAE)达2.1%，其3-dB Psat带宽达31.8%，为当前硅基G波段PA的最宽带宽纪录。

　　

随着超越5G和6G通信时代的到来，毫米波(mm-wave)频段因其巨大的可用带宽(BW)资源成为实现超高速无线通信的关键。在G波段(140-220 GHz)这一黄金频段，功率放大器(PA)作为发射链路的"心脏"部件，其性能直接决定着整个通信系统的传输距离和数据吞吐能力。然而，传统硅基工艺在如此高频段面临严峻挑战——晶体管固有增益随频率升高而急剧下降，匹配网络(MN)的微小偏差就可能导致性能崩溃，更棘手的是宽带设计与增益平坦度难以兼得。以往采用双频匹配或交错调谐(staggered tuning)等技术虽能拓展带宽，但需要精密设计的匹配网络，对电磁(EM)仿真精度和工艺偏差极其敏感，犹如在针尖上跳舞。

在这项发表于《IEEE Solid-State Circuits Letters》的研究中，德国亚琛工业大学高频电子学课题组另辟蹊径，提出了一种"通用宽带放大级"创新架构。该设计摒弃了复杂的多频匹配策略，通过八级相同结构的放大单元级联，在保证超过27 dB增益的同时，实现了140-238.7 GHz的超宽工作带宽。更巧妙的是，研究人员在共基极(CB)晶体管基极引入电感增益峰值技术，如同给电路装上了"频率均衡器"，有效补偿了高频增益衰减。这种模块化设计使放大器增益和输出功率可根据系统需求灵活调整，极大提升了设计自由度。

关键技术方法包括：1)采用基极电感L_B与电容C_B构成LC谐振电路实现增益峰值扩展带宽；2)每级放大单元集成具有热失控保护的共源共栅电流镜偏置电路；3)使用接地共面波导(GCPW)传输线(TL)和线性渐变匹配节实现低品质因数匹配；4)通过奥托莫(Ohtomo)稳定性分析确保全频段无条件稳定。芯片采用IHP 130 nm SiGe BiCMOS工艺制造，该工艺晶体管最大振荡频率f_max达450 GHz。

电路设计理论突破

研究团队首次系统分析了宽带放大级中带宽、带内增益和增益平坦度之间的关联规律。如Fig.1所示，每个放大级由共发射极(CE)晶体管Q₁和共基极(CB)晶体管Q₂组成共源共栅结构，其中Q₂基极接入电感L_B形成增益峰值电路。通过推导小信号等效电路模型(Fig.2)，得到电压增益传递函数(公式1-4)，揭示出L_B和C_B的取值权衡关系：增大L_B可提升带内增益和平坦度但会压缩带宽，而增大C_B则能扩展带宽但会引入增益波动。这种定量设计方法为毫米波宽带PA提供了精确的设计指南。

实现工艺与稳定性保障

芯片采用IHP 130 nm SiGe BiCMOS工艺实现，该工艺提供两层厚金属(TM2/TM1)和五层薄金属(M5-M1)。如Fig.4所示，创新性地利用晶体管基极互联线和45μm传输线实现45 pH电感，品质因数达7.4@200 GHz；C_B采用金属-氧化物-金属(MOM)电容结构。特别值得关注的是，每个放大级旁都集成了带热失控保护的偏置电路，这种"就近护卫"策略有效防止了共源共栅管的热逃逸现象。后仿真显示(Fig.5)，单级最大可用增益(MAG)达11.8 dB，稳定因子μ全程大于1，从根源上杜绝了振荡风险。

测试性能行业领先

如Fig.6所示，芯片核心面积仅1.3×0.37 mm²。实测结果(Fig.7)显示峰值增益27.6 dB@156.8 GHz，3-dB带宽覆盖140-238.7 GHz。大信号测试(Fig.8)更展现出卓越性能：220 GHz时饱和输出功率(P_sat)达8.5 dBm，峰值功率附加效率(PAE)2.1%；3-dB P_sat带宽达70 GHz(150-220 GHz)，相对带宽31.8%创下硅基G波段PA纪录。表I与最新文献对比表明，该设计在带宽指标上显著优于同类工作，且具备唯一可扩展性优势——通过简单增减级数即可调整增益和功率，无需重新设计复杂匹配网络。

这项研究的重要意义在于突破了传统G波段功率放大器的带宽瓶颈，为未来太赫兹通信系统提供了关键硬件支撑。其提出的通用宽带放大级架构不仅实现了当前最宽的31.8%饱和功率带宽，更开创了"可定制化"设计范式——根据系统需求灵活调整性能指标，极大降低了设计复杂度。这种模块化设计思想对未来毫米波单片微波集成电路(MMIC)发展具有重要指导价值，有望推动硅基工艺在更高频段通信系统中的规模化应用。