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图 功率放大器芯片及电路实物图。（a）功率放大器芯片照片及性能比较，（b）基于MI-SISL的带通滤波功率放大器，（c）基于MI-SISL的双频功率放大器及散热器
在国家自然科学基金项目（批准号：61625105、61831017）等资助下，天津大学马凯学教授研究团队在5G/6G功率放大器芯片及基站功率放大器电路研究方面取得新进展。移动终端功率放大器芯片研究成果以“《55nm CMOS工艺实现的一种基于三端口紧凑型变压器的并联-串联混合型28GHz Doherty 功率放大器，6-/12-dB 输出功率时回退效率为20.4%/14.2%，最大输出功率为 25.5dBm》（A 28-GHz Compact 3-Way Transformer-Based Parallel-Series Doherty Power Amplifier with 20.4%/14.2% PAE at 6-/12-dB Power Back-Off and 25.5dBm PSAT in 55nm Bulk CMOS）”为题发表于2022年2月召开的IEEE International Solid-state Circuits Conference（ISSCC 2022）上，并作会议报告和工业展示；基站类大功率放大器电路研究成果以“基于MI-SISL技术的双频双状态Doherty功率放大器（A Dual-Band and Dual-State Doherty Power Amplifier Using Metal-Integrated and Substrate-Integrated Suspended Line Technology）”和“具有宽带谐波抑制的紧凑型带通滤波功率放大器（Bandpass-Filtering Power Amplifier With Compact Size and Wideband Harmonic Suppression）”为题分别于2022年1月和2月发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques（IEEE TMTT）上。成果的相关文章链接如下：https://ieeexplore.ieee.org/document/9731564；https://ieeexplore.ieee.org/document/9612020；https://ieeexplore.ieee.org/document/9522025。
新一代5G和6G通信技术演进带来通信数据速率、系统功能和性能的大幅提升。为提高通信数据速率普遍采用的高阶正交幅度调制（QAM）、正交频分复用（OFDM）和载波聚合（Carrier Aggregation）等技术使得信号的峰均比（PAPR）大幅飙升，导致带宽不断增加的无线通信系统对射频、毫米波电路与系统的线性度、效率等提出更高的要求。同时，无线基站的功耗问题是业界公认的挑战之一，面向国家“双碳战略”，高效率或绿色化是5G乃至未来6G通信的重要发展趋势。作为无线基站或无线终端功耗占比最大的核心电路，移动端功率放大器芯片及基站功率放大器电路需要在功耗、效率和线性度等性能指标方面不断突破。
围绕射频、毫米波移动终端功率放大器芯片，马凯学教授研究团队针对硅基芯片片上高阶复杂匹配网络损耗大的问题，提出一种高回退效率的新型功率放大器芯片拓扑，即基于变压器的并联—串联混合型负载调制拓扑。该芯片采用差分匹配形式，同时融合了高速、宽带的自适应偏置电路和非线性补偿电路，有效减小了芯片面积和信号损耗。基于55 nm Bulk CMOS工艺的流片测试结果表明，该芯片在紧凑的尺寸下实现了高线性输出功率和效率，在满足更高线性要求的12 dB回退下获得了最高的功率回退效率（图a）。
基站使用的大功率放大器考虑到功率和成本等因素通常采用大功率管和功放电路集成设计形式。为减小基站功放的体积、封装调试等难题，该研究团队提出介质集成悬置线（SISL）电路与系统技术，融合无源、有源电路实现系统一体化低成本集成，具有自封装、重量轻、成本低、集成度高和性能高的优势。针对基站大功率功率放大器提出的MI-SISL设计技术，实现了两种20 W的基站大功率放大器电路。一种是基于MI-SISL提出的功率放大器和滤波器共设计（Comb Design）技术，实现的具有带通滤波器响应的功率放大器是目前已发表基于板级工艺实现的电尺寸最小的滤波功率放大器，测得的饱和输出功率高于 42 dBm，同时获得谐杂波抑制达 53.7 dBc 的九次谐波抑制高带外抑制水平（图b）。另一种是基于MI-SISL提出的5G双频双状态Doherty功率放大器设计方法，实现的功率放大器在5G通信的3.4 GHz 和 4.9 GHz 频段分别实现44 dBm 和 43.2 dBm的饱和输出功率（图c）。项目研究成果为5G基站功放的高效率、高线性、低成本、小尺寸、自封装集成提供了有竞争力的新方案。