X波段负载不敏感高效率非对称式放大器MMIC-AET-电子技术应用

X波段负载不敏感高效率非对称式放大器MMIC

电子技术应用

董一方1，刘俊峰2，邵煜伟1，2，余旭明2，郭润楠2，王酉杨1，顾文华1

1.南京理工大学微电子学院；2.南京电子器件研究所

摘要： 为了应对天线阻抗变化，基于非对称拓扑电路结构，设计了一款功率放大器。该功率放大器采用0.25 μm GaN HEMT工艺，在8~12 GHz频段内高效率且具有负载不敏感特性，实现了高效率、小尺寸与良好负载不敏感特性三者之间的平衡。在连续波测试条件下，该芯片在8~12 GHz频段内，饱和输出功率为42.1~43.3 dBm，功率附加效率为46.8%~55.5% 。当负载失配（电压驻波比为3：1）时，频段内输出功率的变化幅度均值为2.2 dBm。

关键词： 氮化镓负载不敏感功率放大器非对称阻抗匹配高效率

中图分类号：TN722 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257094
中文引用格式： 董一方，刘俊峰，邵煜伟，等. X波段负载不敏感高效率非对称式放大器MMIC[J]. 电子技术应用，2026，52(5)：80-85.
英文引用格式： Dong Yifang，Liu Junfeng，Shao Yuwei，et al. X-band load-insensitive high-efficiency power amplifier MMIC using asymmetric matching network[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(5)：80-85.

X-band load-insensitive high-efficiency power amplifier MMIC using asymmetric matching network

Dong Yifang1，Liu Junfeng2，Shao Yuwei1，2，Yu Xuming2，Guo Runnan2，Wang Youyang1，Gu Wenhua1

1.School of Microelectronics， Nanjing University of Science and Technology；2.Nanjing Electronic Devices Institute

Abstract： To address antenna impedance variations, a high-efficiency and load-insensitive power amplifier operating in the 8~12 GHz band is designed using 0.25 μm GaN HEMT technology. By employing an asymmetric impedance matching network structure, the design achieves an optimal balance among high efficiency, compact size and good load-insensitive characteristics. Under continuous-wave test conditions, the chip demonstrates a saturated output power of 42.1~43.3 dBm and power-added efficiency (PAE) of 46.8%~55.5% across the 8~12 GHz frequency band. When subjected to load mismatch (VSWR=3:1), the mean variation of output power within the frequency band is 2.2 dBm.

Key words : GaN；load-insensitive power amplifier；asymmetric impedance matching；high-efficiency

引言

功率放大器（Power Amplifier,PA）作为电子发射系统的核心器件，其性能直接影响整个系统的技术指标。X波段（8~12 GHz）因其独特的频段特性，在卫星通信、雷达系统和深空探测等高端应用领域具有不可替代的作用[1]。特别是在国防军事应用中，X波段雷达系统凭借其优异的性能参数占据着战略地位。在发射链路中，PA不仅是主要的能耗单元，其阻抗匹配状态更直接关系到系统能效：当出现级联阻抗失配时，不仅会造成显著的能源损耗，还会加剧系统的散热负担，进而威胁系统的长期可靠运行[2]。

现代通信系统中，发射链路阻抗变化主要来源于多天线系统（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）的互耦效应以及波束扫描时的相位变化。特别是在采用多天线阵列的终端设备中，天线间的强互耦效应会导致阻抗特性发生显著变化[3-4]，这使得功率放大器经常工作在失配状态下。因此，提升功率放大器的负载不敏感特性具有重要的工程价值。

针对功率放大器的负载失配问题，现有研究提出了多种解决方案。传统方法采用基于Lange耦合器的平衡式放大器结构，虽然能有效改善负载不敏感特性[5]，但其较大的物理尺寸和固有的插入损耗限制了整体性能。文献[6]提出了一种基于CMOS工艺的数字Doherty PA设计方案，通过动态调节载波和峰值放大器的幅度相位来补偿阻抗失配，但受限于CMOS工艺的功率处理能力。文献[7]报道的SiGe工艺可重构拓扑结构虽然实现了阻抗自适应，同样面临输出功率不足的局限。目前，平衡式放大器结构因其可靠性仍是主流商业应用选择。

基于上述分析，本研究采用0.25 μm GaN HEMT工艺，创新性地提出了一种双支路非对称阻抗匹配结构。通过在输入输出端设计互补的相移网络，实现了两支路失配位置的优化分布。测试结果表明，该X波段功率放大器在8~12 GHz频带内实现了42.1~43.3 dBm的饱和输出功率，功率附加效率为46.8%~55.5%。在仅3 mm×3 mm的芯片面积内，同时实现了高功率输出和优异的负载不敏感特性。

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作者信息：

董一方1，刘俊峰2，邵煜伟1，2，余旭明2，郭润楠2，王酉杨1，顾文华1

（1.南京理工大学微电子学院，江苏南京 210094；

2.南京电子器件研究所，江苏南京 210016）

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