一种采用耦合工程设计的非互易无限环路的超低损耗片上隔离器，实现抗驻波比的功率放大器

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：An Ultra-Low-Loss On-Chip Isolator Featuring Coupling-Engineered Non-Reciprocal Infinite-Loop Enabling a VSWR-Resilient Power Amplifier

　　

摘要：

本文介绍了一种11.1 GHz平衡功率放大器（BPA），该放大器在核心功率放大器（PA）与功率合成网络之间采用了嵌入式无限环路隔离器，以在5G/6G FR3大规模MIMO和相控阵系统中消除天线反射。与将非互易元件直接放置在信号通路中的传统隔离器不同，所提出的拓扑结构将耗散非互易移相器（NRPS）布置在一个弱耦合的无限环路中，限制其对发射信号的影响，使隔离器插入损耗（IL）仅为1.35 dB，而每个NRPS的IL为4.3 dB。NRPS对反射信号施加相反的相位行为，将其捕获并衰减在环路内部，从而有效地在PA输出端消除反射。环路结构本质上将NRPS信号衰减9.55 dB，放宽了其功率处理和线性度要求，从而使隔离器处的有效输出1 dB压缩点（OP1dB）改善了16.5 dB。该设计采用22纳米全耗尽型绝缘体上硅（FD-SOI）CMOS工艺制造，配备三堆叠差分核心PA，在50 Ω负载下11.1 GHz时实现了23.9 dBm的饱和输出功率（Psat）、23.3 dBm的OP1dB以及30.6%的峰值功率附加效率（PAE）。在3:1和2:1负载电压驻波比（VSWR）轮廓下，在10.2–12 GHz范围内保持了优异的鲁棒性，变化幅度分别为±0.75 dB（增益）、±0.71 dB（OP1dB）、±0.43 dB（IP1dB）和±0.2 dB（增益峰值）。使用400 MHz 64-QAM调制信号时，提供了18.69 dBm的平均输出功率（PAVG）、19.53%的PAE，以及在3:1 VSWR轮廓和频率范围内±0.4 dB的PAVG漂移。反向互调（RIMD）测试使用?6 dBc音频进行，显示三阶RIMD优于?35.5 dBc，证实了在MIMO系统中对天线耦合的免疫力。