一种具有任意阻抗变换比的全匹配顺序式线性矩阵倍增器（LMBA）：分析理论与设计方法

《AEU - International Journal of Electronics and Communications》：A fully-matched sequential LMBA with arbitrary impedance transformation ratio: Analytical theory and design methodology

提出一种全匹配顺序加载调制平衡放大器（FM-SLMBA）架构，通过新型输出匹配策略和相位补偿方案，突破传统设计受寄生参数和最佳阻抗限制的带宽瓶颈，实现0.5-2.5 GHz超宽带覆盖，实测输出功率45.8-47.9 dBm，OBO效率42.0-57.5%，并通过数字预失真使100 MHz带宽信号ACLР优于-45.5 dBc。

　　

高瑞斌|庞静洲

重庆大学微电子与通信工程学院，中国重庆400044

摘要

本文提出了一种全匹配序列负载调制平衡放大器（FM-SLMBA）架构。该设计采用了一种新颖的输出匹配策略，并结合了特定的相位补偿方案。这种方法使得在平衡路径内实现具有任意相位特性的复杂输出匹配网络成为可能，同时实现了平衡路径晶体管的任意最佳阻抗与输出耦合器的特性阻抗之间的匹配。因此，FM-SLMBA实现了宽带匹配，不受有源器件寄生参数或最佳阻抗限制的影响。本文详细推导了FM-SLMBA的工作原理，并提供了匹配网络的解析解。为了验证理论，设计、制造并测试了一个使用商用氮化镓（GaN）晶体管的超宽带RF输入SLMBA。所制造的FM-SLMBA在0.5–2.5 GHz频率范围内工作，输出功率达到45.8–47.9 dBm。在10 dB输出功率背落（OBO）条件下，其漏极效率为42.0–57.5%。此外，在100 MHz带宽的调制信号测试中，经过数字预失真（DPD）处理后，放大器的交流功率损耗（ACLR）优于-45.5 dBc。

引言

近几十年来，无线通信服务的指数级增长推动了相关技术的持续探索和创新。随着5G、6G等技术的出现，对更高数据速率、更宽带宽和更高效功率利用的需求不断增长，先进功率放大器（PA）架构的开发已成为一个紧迫的研究课题。有两个关键挑战需要特别关注：一是提高PA的工作带宽，以便用单个设备覆盖多个频段；二是提高PA在放大高阶调制信号时的效率，这些信号具有较高的峰均功率比（PAPR）。

有源负载调制技术通过根据输入功率的变化动态调整PA负载，使PA在一定的动态范围内保持高效率。Doherty功率放大器（DPA）因其简单可靠的结构和显著的改进潜力，成为研究与应用最广泛的基于有源负载调制的PA架构之一。通过结合各种改进技术[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，在扩展DPA的带宽方面取得了显著进展。诸如从分布式PA扩展而来的分布式高效功率放大器（DEPA）[15]、[16]、利用环形器组合网络的环形器负载调制放大器（CLMA）[17]以及无开关的G类（SLCG）PA [18]等架构也在带宽和其他性能指标上表现出优势。然而，对于这些架构来说，实现多倍频段的带宽仍然是一个挑战。特别是在高输出功率条件下考虑晶体管的复杂寄生特性时，实现超宽带变得更加困难。其他架构如移相[19]、[20]、[21]、[22]和包络跟踪（ET）[23]也可以提高PA的输出功率背落（OBO）效率，但与DPA相比，它们的带宽限制更为明显。

近年来，提出了一种新型的有源负载调制PA架构——负载调制平衡放大器（LMBA）[24]、[25]、[26]。LMBA在平衡端口进行有源负载调制是通过将控制信号注入耦合器的隔离端口来实现的。得益于耦合器易于实现的宽带特性，LMBA在带宽和OBO范围等方面表现出独特优势。与DPA类似，LMBA也有很大的改进潜力。已经发表了大量关于LMBA架构探索和改进的研究[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。这些变体大大扩展了LMBA技术的性能极限和应用范围。

在众多关于LMBA的研究中，序列LMBA（SLMBA）[29]（也称为伪Doherty LMBA（PD-LMBA）[30]）利用控制路径PA作为载波PA，平衡路径PA作为峰值PA，在带宽和OBO范围方面表现出优异的特性。在[33]中，通过直接将平衡路径晶体管连接到输出耦合器，省略输出匹配网络（OMN），并使用漏极供电线来抵消晶体管的寄生电容效应，实现了一个具有多倍频段带宽的超宽带高效PD-LMBA。然而，这种方法实现的超宽带性能仍受若干限制：它仅适用于寄生参数较小的晶体管（在这种情况下，寄生效应可以通过并联接地电感来抵消），并且其平衡路径OMN不支持使用高阶复杂网络。此外，[36]讨论了晶体管固有寄生电容对SLMBA设计的影响，指出平衡路径中使用的高功率晶体管的较大寄生电容将限制SLMBA的带宽。从调制阻抗的角度来看，[36]分析并提出了一种宽带SLMA架构，允许在平衡路径中集成匹配网络。该架构解决了SLMBA无法与复杂晶体管寄生特性和宽带兼容的问题，并实现了一个输出功率为200 W的高功率、宽带双输入SLMA。[37]进一步从信号流图的角度分析了这一架构，实现了性能优异的超宽带PD-LMBA。然而，在此基础上，仍需要更全面和通用的理论分析以及更明确的设计程序。

为了解决这个问题，本文提出了一种全匹配的SLMBA（FM-SLMBA）。详细分析了FM-SLMBA的完整电路参数（包括控制路径和平衡路径的匹配网络参数、晶体管的输出电流能力以及漏极供电电压水平和相位关系）。下一节的表1中列出了涉及的电路参数，本文提供了所有参数的解析解。详细分析了各种参数对FM-SLMBA性能的影响（如其OBO范围和效率），并评估了平衡路径OMN所需的阻抗转换比与FM-SLMBA带宽之间的关系。此外，基于本文提供的全面理论推导，本文提出了一种详细的设计方法：从所需的输出功率和OBO范围开始，根据本文提出的理论，提出了确定所有电路参数和选择晶体管的特定方法。本文提出的设计方法更加直观方便，因为所有输出匹配网络只需基于确定的解析解实现实数到实数的阻抗匹配。所提出的架构允许在平衡路径中使用复杂的高阶OMN，同时保持宽带特性。高阶网络可以用来吸收晶体管的寄生电容，并实现较大的阻抗转换比，从而消除了对平衡路径晶体管选择的限制。这使得可以从平衡路径晶体管的最佳阻抗匹配到输出耦合器的特性阻抗，支持这两个阻抗之间任意所需的阻抗转换比。

本文的其余部分组织如下。第2节详细讨论了传统SLMBA中由平衡路径OMN的相位特性和阻抗转换比引起的带宽限制。随后介绍了所提出的FM-SLMBA及其电路结构和每个参数的解析解。第3节描述了使用商用氮化镓（GaN）晶体管的FM-SLMBA的设计示例，并附有相应的仿真结果。第4节展示了制造的FM-SLMBA的测量结果，包括连续波（CW）和调制信号测试。最后，第5节对本文进行了总结。

节选

FM-SLMBA的理论分析

如图1所示，所提出的FM-SLMBA在结构上与传统SLMA相似，其中控制路径PA作为载波PA，平衡路径PA作为峰值PA。主要区别在于FM-SLMBA采用了完全不同的平衡路径输出匹配策略和相位补偿配置。本节旨在探讨FM-SLMBA所需的条件，并推导出所有必要的电路参数

所提出的FM-SLMBA的设计

在本节中，将系统地介绍FM-SLMBA的设计流程，并详细阐述实现FM-SLMBA所需的条件。将提供关键部分的仿真数据以验证前一节的理论推导。设计电路使用厚度为20 mil的Rogers RO4350B作为基板，其相对介电常数为3.66。

图12显示了方案确定和初步设计的流程图

实验结果

在本节中，将展示所设计和制造的FM-SLMBA的测量结果。进行了连续波（CW）和调制信号测试，以全面观察制造出的FM-SLMBA的性能。图20显示了制造出的FM-SLMBA的照片。在测试过程中，控制PA的静态电流控制在大约40 mA，平衡PA的栅极电压设置为-4.6 V。

结论

本文介绍了一种新型的、不受带宽限制的FM-SLMBA架构。通过采用新的平衡PA输出匹配策略并集成特定的相位补偿方案，该架构能够在平衡路径中实现具有更高阻抗转换比和任意相位特性的复杂OMN。这使得SLMBA能够在整个工作频谱范围内实现宽带匹配，不受有源器件寄生参数的限制

作者贡献声明

高瑞斌：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析，数据整理。庞静洲：资源获取，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：庞静洲报告称获得了中国国家重点研发计划的支持。高瑞斌报告称获得了中国重庆研究生研究与创新基金的支持。庞静洲还报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们

致谢

本工作部分得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB2904900）的支持，部分得到了中国重庆研究生研究与创新基金（项目编号CYB25033）的支持，以及中国国家自然科学基金（项目编号62171065）的支持。