一、介绍
全球对多 Gb/s 数据速率的需求不断增长，加速了 5G 技术的快速发展和标准化，特别是在毫米波段 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。 对于 5G，人们非常期待高速和频谱高效的调制方案的广泛使用。 因此，功率放大器 (PA) 的调制效率和高平均输出功率 (P out ) 的重要性日益增加。 这对于用户设备 (UE) 来说尤其重要，因为其紧凑的外形对天线阵列元件的集成施加了限制。 此外，朝着低成本和多功能架构的发展[1-3]需要未来的毫米波前端能够在28至40GHz频段内实现多频段和多模式操作，以覆盖5G n257和n260频率范围。 因此，对具有主动负载调制和高 P out 的硅基宽带 PA 架构的需求非常强烈，以满足 5G 的特定要求。
负载调制 PA 分为三种主要类型：异相 PA、Doherty PA 和负载调制平衡 PA (BPA)。 其中，异相 PA 需要大量的基带计算 [4, 5]。 虽然 Doherty PA 主要关注电阻负载调制，但负载调制 BPA 结合了电阻负载调制和电抗负载调制 [1–11]。 这种更广泛的负载调制功能进一步增强了提高效率和线性度的潜力。 因此，负载调制 BPA 在全世界范围内受到越来越多的关注 11, 12。 尽管Doherty PA中的多路负载调制技术已被广泛研究，并且在回退效率方面显示出显着的改进，但多路负载调制BPA的实现尚未实现。 目前，传统负载调制BPA中的峰值放大器的数量仍然限于1个，这限制了6dB功率回退(PBO)范围内的效率提升。 为了解决宽带操作、高 Pout 和 PBO 效率增强的挑战，本文通过引入可扩展的 N 路功率组合和负载调制网络，提出了一种宽带 N 路功率组合和负载调制 BPA 。 我们进一步展示了 65nm Bulk CMOS 中的 7 路功率组合和负载调制 BPA 原型，覆盖 27.8 至 38.7GHz 频段，支持 5G n257 和 n260 频段中的多 Gb/s 数据速率。
图32.8.1说明了所提出的宽带N路功率组合和负载调制BPA的工作原理，其灵感 来自于采用改进的级联90°混合作为高阶功率组合器和负载调制网络 [^13]。
在传统架构中（图32.8.1左上），与Doherty架构类似，在输出端采用90°混合，用于有源负载调制和功率组合。 主 PA 所经历的负载阻抗可以通过控制辅助 (Aux) PA 的输出信号的相位来调制。 随着级联90°混合数量的增加，级联M级90°混合可以在更宽的频率范围内执行功率组合和负载调制（图32.8.1右上）。 当添加90°混合对级时，可以获得两个隔离端口。 因此，通过将相位可控信号注入这两个隔离端口可以实现另外两个 PBO 效率增强点（图 32.8.1 左下）。 关于 M 级 90° 混合对，每个 90° 混合都遵循12中的功率组合和负载调制关系。
因此，M 级 90° 混合电路的输入可以通过注入其中的电流进行负载调制。 此外，M级90°混合动力的输出可以通过注入(M-1)级90°混合动力对的电流进一步进行负载调制，以实现进一步的PBO效率增强。 在此基础上，提出了一种改进的可扩展通用N路功率组合和负载调制BPA架构（图32.8.1右下）。 主 PA 嵌入级联 90° 混合电路中，而不会影响 90° 混合电路的宽带正交特性。 级联 90° 混合所需的极性反转在 Main PA4 中实现，以避免引入额外的插入损耗 (IL)。 这种改进的架构具有多个优点。
首先，当考虑与天线集成时，通常优选单端输出配置。 其次，由于主 PA 嵌入在级联 90° 混合中，因此可以容纳两个额外的主 PA 进行功率组合，从而产生更高的 Pout。 第三，嵌入式PA提供的隔离允许Main PA1/2和Main PA3/4分别由Aux PA1和Aux PA2调制，以获得更好的负载调制效果。 最后，PA 输出直接馈入级联混合电路，这显着减少了输出网络的 IL 和芯片面积。 所提出的7对1网络可以实现所需的四路功率组合和三路负载调制。**
图 32.8.1： 具有可扩展N路功率合成和负载调制功率合成网络的N路负载调制平衡PA的实现和主要工作原理。
图 32.8.2 描述了拟议的 7 路功率组合和负载调制 BPA 的原理图。7 路 BPA 由一个基于 90°混合的宽带功率分配网络、7 个差分功率放大器（即主 1 对 4 功率放大器和辅助 1 对 3 功率放大器）以及一个宽带 7 对 1 功率组合和负载调制输出网络组成。每个辅助功率放大器都包括一个移相器，用于控制输出信号的相位。 每个主/辅助功率放大器都包括一个共源（CS）功率放大器和一个 CS 驱动器，两者的 VDD 均为 1V。 辅助功率放大器由两个子功率放大器实现，一个基于变压器的并联功率分压器充当 2 路差分功率合路器。主功率放大器和辅助功率放大器内核的尺寸分别为 160μm/60 nm 和 184μm/60 nm。辅助功率放大器的尺寸比主功率放大器的尺寸大，以提高 PBO 效率。中和电容器仅用于驱动器级，以增强反向隔离。由于级联平衡架构增强了稳定性，因此功率放大器级无需使用中和电容器，从而最大限度地提高了 Pout。. 为了提高负载调制性能和线性度，还采用了类似于 11 的 Doherty 负载匹配和偏压行为。每个辅助功率放大器都包括一个基于无源矢量调制器的移相器，用于执行相位控制和实现负载调制。与有源移相器相比，基于无源矢量调制器的移相器在功率效率和线性度方面更具优势。因此，基于无源矢量调制器的移相器更适合集成到高效功率放大器中。
图 32.8.2： 拟议的 7 路功率组合和负载调制 BPA 的原理图。
图 32.8.3 显示了所提出的 7 对 1 功率组合和负载调制输出网络的 3D EM 模型和模拟无源效率。 为了避免在 PA 输出处引入大 IL，采用基于传输线的 90° 混合电路来实现所提出的低 IL 输出网络。 所提出的输出网络在 28 至 45GHz 范围内实现了 <1.8dB 的 IL。 输出网络还在 38GHz 的整个功率范围内实现了 >83% 的无源效率（图 32.8.3 中）。 1 至 6 输入功率分配是基于 90° 混合实现的，在 28 至 45GHz 范围内 IL 小于 1.7dB（图 32.8.3 中右）。 每个 Aux PA 都集成了一个移相器来实现相位控制。 与BPA的输出网络不同，考虑到面积效率，采用基于折叠变压器的90°混合来实现基于矢量调制器的移相器所需的正交信号。 此外，还展示了在改变 Aux PA3 移相器相位时所提出的 BPA 的 PAE 与 Pout 的仿真结果（图 32.8.3 底部）。 由于负载调制效应，当 Aux PA3 进入开启区域时，通过仔细选择 Aux PA3 移相器的移相设置，可以实现整体建议的 BPA 的优化 PAE 和 Pout 性能 分别地。
图 32.8.3： 矢量求和移相器、移相器不同值的模拟 PAE 与 Pout 的关系，以及输出/输入功率组合/分配器网络的模拟无源效率。
基于所提出的可扩展 N 路功率组合和负载调制技术的原型 7 路功率组合和负载调制 BPA 在 65 nm CMOS 技术中进行了演示，核心面积为 2.05 mm×1.08 mm(图 32.8 .7). 图 32.8.4 显示了所提出的 BPA 的 S 参数和大信号测量结果。 BPA 实现了 27.8 至 38.7GHz 3dB 小信号带宽和 18.4dB 峰值小信号增益。 受益于级联平衡架构，所提出的 BPA 实现了宽带输入和输出匹配，在 27.2 至 45GHz 带宽内测得的 S11<−10dB 和 S22<−20dB。 BPA 实现了 >25.4dBm 的饱和输出功率和 >22% 的峰值 PAE，并在 26 至 40GHz 频段上表现出显着的 PBO 效率增强和卓越的 AM-PM 线性度（图 32.8.4）。 在 38GHz 频段，BPA 实现了 17.1dB 增益、27.2dBmPsat 时的 28.8% PAE、24.1dBmP1 dB 时的 27.6% PAE、从 Psat 回退 6dB 时的 23.2% PAE、9dB 回退时的 16.3% PAE，以及 12dB 回退时 PAE 为 11.9%。 在 39GHz 时，BPA 在 12dB 回退下可实现 14% PAE。 PBO 处的 PAE max 和 PAE 是已报告的工作于 30GHz 的 PA（图 32.8.5 和 32.8.6）中最高的，这表明在深度回退时具有卓越的效率改进。
图 32.8.4： 测量了所提出的 7 路功率组合和负载调制 BPA 的小信号和大信号 CW 性能。
图 32.8.5 显示了调制测量结果。 对于 28GHz 的 750M Sym/s(4.5Gb/s) 64-QAM 信号，PA 的平均 Pout 为 17.3dBm，平均 PAE 为 13.9%，EVMrms 为 −26.8dB。 在 38GHz 下对 750M Sym/s(4.5Gb/s) 64-QAM 信号进行了类似的测量，实现了 19.2dBm 平均 Pout 和 18.2% 平均 PAE，EVMrms 为 -26.6dB。 这些结果表明，所提出的 BPA 非常适合宽带高速无线通信链路。
图 32.8.5： 使用 28 和 38GHz 的 64-QAM 单载波信号对所提出的 BPA 进行调制信号测量。
与图 1 和 2 中报告的现有技术毫米波有源负载调制 PA/TX 相比。 32.8.6 和 32.8.5 中提出的 7 路 BPA 是第一个报道的多路负载调制平衡架构。 在所报告的 PA/TX 中，它在 65nm Bulk CMOS 中以 1V 电源运行，在30GHz 下实现了最高的 PAE 最大值和 PBO 下的 PAE。
参考文献
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