本文作者为Seyed Yahya Mortazavi和Kwang-Jin Koh，均来自弗吉尼亚理工大学电气与计算机工程系。该研究发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits，2016年10月，第51卷第10期。本文属于单篇原创研究论文，报道了基于0.13 µm SiGe BiCMOS工艺、工作在24 GHz和38 GHz的两款两级逆F类（inverse class-F）功率放大器（Power Amplifier, PA）的设计与测试结果。

研究背景方面，谐波调谐放大器拓扑（harmonically tuned amplifier topologies），如F类（class-F）和逆F类（class-F⁻¹），被广泛研究用于实现高频功率放大器的高功率效率。理想情况下，F类通过将奇次谐波阻抗设为开路、偶次谐波阻抗设为短路，可形成矩形电压和半正弦电流波形，从而消除谐波频谱功率，理论上实现100%的直流到射频转换效率。然而在高频下，实际电路通常只控制到三次谐波。此前高效率F类或逆F类PA主要基于分立器件或GaAs工艺，硅基集成实现研究较少。本研究旨在探索硅基工艺中谐波调谐技术在微波和毫米波频段实现高效率的潜力与限制，尤其是逆F类技术在二次谐波高阻抗控制方面比F类对寄生效应和无源器件品质因数（Q值）更鲁棒。

在设计与实现流程方面，本文首先分析了逆F类PA效率受限的主要因素，包括有限次数的谐波控制、晶体管膝点电压（knee voltage）与击穿电压（breakdown voltage）、无源负载网络损耗等。理论分析表明，考虑三次谐波控制、膝点电压和击穿电压后，最大集电极效率（collector efficiency, ηc）受限于约67%，而考虑五次谐波电流分量可提升至约70%。随后，文章详细描述了多谐振并联负载网络的设计方法。该网络由两个LC谐振槽路和电感L3组成，通过设定谐振频率ωo1和ωo2在基波（ωo）与二次谐波（2ωo）之间以及二、三次谐波之间，实现在基波和二次谐波处并联谐振（高阻抗）、在三次谐波处串联谐振（低阻抗）。作者通过二维扫描谐振频率f1和f2，结合电磁仿真提取等效损耗电阻Rp1、Rp2和Rp3，确定最佳无源器件值以最小化损耗。对于38 GHz PA，由于工艺库中MIM电容在毫米波频段Q值较低，作者定制了基于后段互连金属层和二氧化硅介质的MOM电容，以保证基波Q值约80、三次谐波频段Q值大于20。此外，级联的双谐振串联负载网络（Ls-Cs槽路）在二次谐波处谐振，将PA负载与发生器隔离，维持集电极节点高阻抗；在基波频段该槽路呈感性，与Cm串联谐振，实现最佳功率传输。作者通过电磁仿真优化，将等效串联损耗电阻控制在24 GHz时低于2 Ω、38 GHz时低于3 Ω。

两级PA由AB类驱动放大器与逆F类输出级组成。输出级晶体管Q1在24 GHz版采用发射极长度2×16.5 µm，在38 GHz版采用2×14.5 µm，偏置在深AB类工作点，静态集电极电流约8 mA，以实现约9.5 dB（24 GHz）和7 dB（38 GHz）的功率增益。基极偏置网络提供低于150 Ω的直流电阻以防止集电极早期击穿。输出级负载调节通过多谐振网络实现，以50 Ω为最佳负载（Ropt），避免输出匹配网络损耗。驱动级晶体管Q2尺寸和电源电压分别优化，在输出级达到1 dB压缩点时提供约7–8 dBm的驱动功率，并实现约37%（24 GHz）和34%（38 GHz）的驱动级PAE。级间匹配网络通过T型网络和电容Cim2实现最佳功率匹配与最大PAE的折中。时域仿真表明，由于负载电容在高阶谐波处呈低电抗，逆F类PA的集电极电流波形自然包含显著的五次谐波分量，改善矩形波形陡峭度，而电压波形由基波和二次谐波主导，形成半正弦峰值。24 GHz仿真集电极效率为67.5%，考虑无源损耗后的净效率为61.7%；38 GHz仿真净效率为52.3%。

实验结果显示，24 GHz PA在电源电压2.3 V条件下实现50%的峰值PAE、16 dBm的OP−1dB、18 dBm的Psat和19 dB的饱和功率增益。在23.5–25.5 GHz频率范围内维持>45%的PAE，在1.5–2.4 V电源电压范围内PAE保持>45%，显示出对频率和电源变化的鲁棒性。调制信号测试中，采用8-PSK、QPSK、16-QAM、64-QAM和128-QAM等格式，在5% EVM条件下，QPSK/8-PSK信号的平均输出功率约16 dBm，调制功率效率约47.3%，ACPR低于−35 dBc。38 GHz PA在2.4 V电源电压下实现38.5%的峰值PAE、15 dBm的OP−1dB和17 dBm的Psat。在36–39 GHz频率范围内维持>35% PAE，在1.5–2.5 V电源电压范围内PAE保持>35%。调制测试中，QPSK/8-PSK信号在5% EVM条件下平均输出功率约15 dBm，平均效率约36%，ACPR约−26至−27 dBc。芯片尺寸分别为0.95×0.6 mm²和0.93×0.55 mm²（含所有焊盘）。与当时其他硅基和III-V族集成PA相比，该两款PA在对应频段实现了最高之一甚至更高的功率附加效率。

本文的主要结论是：通过多谐振并联和串联负载网络，结合AB类驱动级和级间匹配优化，成功在硅基BiCMOS工艺中实现了24 GHz和38 GHz的高效率逆F类功率放大器。研究全面分析了有限谐波控制、膝点电压、击穿电压以及无源网络损耗对效率的影响，并提出了基于等高线图的无源器件优化设计方法。该工作的科学价值在于系统阐述了硅基高频逆F类PA的设计极限与实现策略，特别是利用负载电容在高阶谐波处天然低电抗特性增强五次谐波电流成分从而提高效率。应用价值方面，所提出的PA结构具有数GHz的增益和效率带宽，适合下一代高速无线通信系统，并可作为单元功率放大器用于阵列功率合成以提升总输出功率。其亮点包括：在微波与毫米波频段同时实现高PAE的集成硅基逆F类PA；提出多谐振负载网络的系统优化流程以最小化无源损耗并控制谐波阻抗；以及针对38 GHz频段定制MOM电容以保证高频Q值。此外，文章还通过蒙特卡洛仿真评估了工艺和温度变化对性能的影响，给出了3σ偏差范围，显示出良好的鲁棒性。