設計與分析應用於毫米波寬頻高功率GaAs功率放大器與補償電感之分布式主動變壓器CMOS功率放大器

Abstract

本論文針對第五代行動通訊 (5G) 中的毫米波寬頻功率放大器進行創新設計與深入分析，提出了多項創新架構與方法，以提升頻寬、輸出效率及輸出功率。在頻寬提升方面，本研究深入探討了博德法諾頻寬限制理論，並結合磁耦合諧振器與基於變壓器的雙調諧匹配網絡，深入分析不同網路的頻寬提升與轉阻比例限制。針對 GaAs pHEMT 功率放大器，本研究提出一種創新的多諧振匹配網絡架構，該架構結合了雙頻匹配的概念，能同時提升頻寬與轉阻比率。在設計實現上，成功達成 24 至 32 GHz 的寬頻操作，並在量測中實現 29.6 dBm 的峰值輸出功率及平均 30% 的功率附加效率 (PAE)。此外，針對 CMOS 功率放大器，提出一種新型的電感性補償分布式主動變壓器 (Distributed Active Transformer, DAT) 架構，能有效應用於超寬頻操作，涵蓋 31 至 65 GHz 的頻率範圍，同時解決阻抗匹配與寄生效應的設計挑戰。量測結果驗證了本研究所提出設計的有效性，成功達成 31 至 65 GHz 的寬頻操作，並在量測中實現 20.6 dBm 的峰值輸出功率及平均 15% 的功率附加效率。展現其在高效能毫米波功率放大器中的卓越表現。本研究不僅為毫米波功率放大器設計提供了關鍵技術突破，也為未來 5G 與 6G 無線通信技術的發展奠定了堅實的基石，展現出極具潛力的應用價值。

This thesis explores innovative designs of millimeter-wave broadband power amplifiers (PAs) for 5G communications, enhancing bandwidth, efficiency, and output power. It investigates the Bode-Fano limitation for bandwidth improvement and combines magnetic-coupled resonators with transformer-based dual-tuned matching networks. A novel multi-resonant matching network for GaAs pHEMT PAs achieves 24–32 GHz bandwidth, 29.6 dBm peak output power, and 30% power-added efficiency (PAE). For CMOS PAs, an inductive-compensated distributed active transformer (DAT) supports 31–65 GHz ultra-broadband operation, resolving impedance matching and parasitic challenges. Measurement results validate the proposed designs' performance, offering significant advancements for high-efficiency millimeter-wave PAs. This research establishes a solid foundation for future 5G and 6G wireless communication systems.