在多任务无线电系统和宽带电子战技术发展飞速的今天，“超宽带、大功率、高线性度”简直成了射频工程师心目中的“既要又要还要”。可是，输出功率、效率和线性度之间就像在玩跷跷板，很难同时达到理想状态。为了解决这个让人头秃的工程难题，电子科技大学徐跃杭教授和苏州能讯高能半导体有限公司等联合团队带来了一种新思路：他们设计了一款基于单管驱动分布式放大器（SDDA）架构的高线性度超宽带功率放大器。这个研究的巧妙之处在于，把“非线性抵消理论”用在了级联微波放大器的栅极偏置优化上。通过调节晶体管的高阶跨导响应，他们在超宽带范围内找到了三阶交调甜点，并把它挪到了接近放大器饱和输出功率的地方。利用团队自研的 0.25 微米碳化硅基氮化镓（GaN）工艺，这款单片微波集成电路（MMIC）成功流片。测试结果很能打：在 0.03 GHz 到 6 GHz 的频带里，不仅输出功率超过了 10 瓦，全频带功率附加效率（PAE）也突破了 41%。更值得一提的是，在核心工作频点下，其输出三阶交调截点与直流系统功耗的比值（OIP3/Pdc）表现亮眼，为高能效与高线性度兼顾提供了新参考。

文章信息

Bowen Tang, Hui Jin, Ziliang Zhang, et al., “A 0.03 GHz to 6 GHz gallium nitride monolithic microwave integrated circuit power amplifier with improved OIP3/Pdc using nonlinear cancellation,” Chinese Journal of Electronics, vol. 35, no. 1, pp. 9–23, 2026. DOI: 10.23919/cje.2025.00.136

本文关键词

氮化镓功率放大器 (Gallium nitride power amplifier)；超宽带 (Ultra-wideband)；高线性设计 (High linearity design)；输出三阶交调截点与直流功耗比值 (OIP3/Pdc)；分布式放大器 (Distributed amplifier)

01.直面痛点：超宽带线性度与效率的传统博弈

在复杂的无线通信和电子战环境里，能扛住超大带宽和十瓦级以上输出功率的放大器，绝对是射频系统里的“C位”。但现实很骨感，为了满足通信信号对线性度的严苛要求，传统的超宽带高功放通常得做大量的输出功率回退。这就好比为了不破音，硬生生把嗓门压低，结果就是有效输出功率大跳水，整体效率也跟着拉胯。

图1 先进高线性氮化镓与砷化镓宽带放大器输出三阶交调截点及综合能效对比

以前大家常用的线性化技术，往往得靠牺牲电能来换，导致主流氮化镓超宽带放大器的线性与功耗比值（OIP3/Pdc）一直不怎么好看。而且，当功率上了十瓦之后，现有的分布式架构效率也很难突破30%的瓶颈。

图2 当前主流氮化镓超宽带功率放大器全频带功率附加效率演进趋势分析

这项研究正是冲着这个痛点去的，试图找到一个高线性与高能效能够兼顾的解法。

02.理论出招：基于级联网络三阶交调甜点的精准抵消

怎么打破这个僵局呢？研究团队把目光瞄准了晶体管自带的“三阶交调甜点（IM3-S）”非线性抵消现象。在级联微波放大器的数学模型里，核心器件的高阶非线性失真可不是简单的加减法，而是在极坐标下的复杂矢量合成。团队通过建立包含至五阶的泰勒级数展开模型，发现末级输出的三阶交调低边带电流，其实是由五个来源、幅相各异的高阶非线性分量合成的。

图3 两级级联放大器中低边带三阶交调电流极坐标矢量合成图解及甜点生成机制

更有意思的是，通过调节前级和后级的栅极偏置电压，可以引导前四个非线性电流矢量合成一个新矢量，刚好和第五个矢量的幅度相等、方向相反。这么一对冲，总输出的三阶交调失真就“抵消”了，硬生生造出了一个完美的交调甜点。不仅如此，这个甜点还能被平滑推移到靠近饱和输出的高功率区域。

03.架构创新：单管驱动分布式放大器的巧妙协同

有了理论支撑，团队在架构上也做出了创新，设计了一款超宽带单管驱动分布式放大器（SDDA）。驱动级非常精简，只用了一颗小型氮化镓晶体管，而末级采用了多管并联的电容耦合分布式结构，总有效栅宽经过精确设定，以保证在 6 GHz 频段能输出十瓦级功率。

图4 超宽带单管驱动分布式单片微波集成电路放大器全局拓扑电路图

在电磁仿真阶段，研究人员跑了高达 256 种非线性相位组合状态，画出了交调甜点的演变云图。

图5 多维相位组合与不同栅极偏置电压条件下的三阶交调甜点空间分布与轨迹演化散点图

数据证实，通过下调栅极负压，交调甜点能从回退区进入饱和功率区。同时，驱动级不仅补了增益，还能把末级在低频段的高频峰值栅极电流控制在安全范围内。加上考究的匹配吸收网络设计，整个放大器在保证线性度的同时，电路稳定性也很不错。

04.实测表现：满功率线性表现与环境鲁棒性

最后流片出来的 0.25 微米碳化硅基氮化镓单片微波集成电路，实测数据同样让人惊喜。在单音测试中，0.03 GHz 到 6 GHz 的超宽频带内，饱和输出功率表现稳定，全频带功率附加效率超过了 41%。

图6 全频带单音连续波驱动下的饱和输出功率、大信号增益与功率附加效率的综合实测与仿真对比

在 2.6 GHz 和 5.6 GHz 的双音交调测试中，团队进行了偏置电压扫描。

图7 典型通信频点下双级放大器栅极偏置电压精准调制引发的三阶交调失真动态演变轨迹

当交调甜点被推到距离饱和功率很近的地方时，实际输出功率达到 39.5 dBm，三阶交调失真也被有效压制。

图8 典型频点下对应交调边带的输出三阶交调截点及综合能效比随偏置电压调控的演进全貌

在这些数据支撑下，其高频点的极限输出三阶交调截点达到 57.8 dBm，OIP3/Pdc 指标也表现突出。此外，热电多物理场耦合模型验证显示，在 -20℃ 到 85℃ 的环境变化下，三阶交调甜点位置的漂移量很小，说明这套方案在面对温度变化时也有着不错的稳定性。

作者简介

唐博文 2019年获电子科技大学学士学位，现于该校继续攻读电磁场与微波技术专业博士学位。其科研兴趣聚焦于超宽带高效率、高线性度功率放大器与超宽带多模态可重构功率放大器设计。

裴轶 2004年获北京大学学士学位，2005年与2009年先后获美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）硕士及博士学位。现任Dynax Semiconductor副总裁，统领GaN产品线设计、晶圆制造工艺开发及企业全球核心知识产权战略。发表学术论文超120篇，申请发明专利超150项。

徐跃杭 2004年、2007年和2010年分别获电子科技大学学士、硕士和博士学位。现为电子科技大学教授、博士生导师。长期致力于化合物半导体微波器件建模、微波毫米波集成电路设计和射频集成微系统研究，发表IEEE TMTT、IEEE MWTL、IEEE EDL、IEEE TED、APL等国际权威期刊及会议论文超200篇，出版科学出版社专著1部，授权美国发明专利4项、国家发明专利20余项，曾获国防科技进步一等奖/二等奖、教育部优秀成果二等奖、华为“灯塔奖”等省部级和头部企业奖励，担任多项国际学术峰会主席及核心学术期刊副主编等学术职务。

来源：中国电子学会

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