文献综述（或调研报告）：
随着集成电路工艺的发展，无线通信技术近年来发展迅速，手机及平板电脑不断涌现。作为发射机最后一级，功率放大器对发射机性能至关重要，如功耗、输出功率及效率。高效率、高输出功率的功率放大器设计成为近年来的研究热点。
此外，对雷达及通信系统而言，功率放大器工作带宽及线性度等性能也至关重要。为提升传输速率，现代通信系统经常需要很大的瞬时带宽，这相应要求放大器具有较大带宽；对于低功耗的便携电子设备，为支持多模式、多标准的无线系统需求，发射机需要具有宽带信号处理能力；对雷达成像和生物医学感知/成像等系统而言，为提高检测精度，需要提高放大器的带宽等性能。由于以上应用，功率放大器的工作带宽从窄带向宽带发展[1]。此外，考虑到频谱资源稀缺和高速率等系统需求，越来越多的无线标准采取高阶调制如正交幅度调制（16QAM或64QAM），这相应要求功率放大器拥有较高的线性度，压制AM-AM及AM-PM非线性失真[2]。综上所述，考虑到未来高频段无线通信系统覆盖及高速率等需求，功率放大器迫切需要提高输出功率、高效率、宽带、高线性度等性能。
无线通信技术的发展主要归功于半导体工艺的发展。在摩尔定律推动下，晶体管特征尺寸不断缩小，器件工作频率达到100GHz以上。再加上CMOS工艺低成本、高集成度等特点，学术和工业界广泛开展了CMOS功率放大器[3]。文献调研表明，目前CMOS功率放大器研究成果主要集中在1~2GHz频段[4]（手机应用）、2.4GHz[2]（WLAN应用），60GHz[5-8]（短距离毫米波高速率通信）。其发展趋势是是随着频率的增加，放大器输出功率、效率不断下降[2]。这一方面是由于晶体管在高频下资用增益较低；另一方面是由于功率放大器设计越来越注重性能的平衡，如在最大输出功率满足的前提下，还要兼顾线性度和效率等性能。在5G毫米波无线通信等应用的推动下，毫米波CMOS功率放大器设计逐渐成为研究热点。其研究挑战是如何在更低的晶体管功率增益、更高的连线损耗、耐压受限前提下[3]提高功率放大器输出功率和效率。
对Ku波段应用而言，文献调研发现国内外开展Ku波的CMOS功率放大器设计相对较少[9-10]。大部分Ku波段功率放大器设计使用GaAs、GaN等工艺[11-12]。文献[10]采用65nm CMOS工艺，采用三级伪差分共源放大器结构，实现了一款Ku波段功率放大器。其采用变压器和电感完成级间匹配，输出P1dB达到10dBm，功率附加效率PAE达到20%。文献[9]基于0.18um CMOS，利用改善的Dalington共源共栅结构，使得功率放大器带宽达到13GHz，且增益平坦度较高，输出P1dB达到了15~17dBm。在本课题中，我们初步考虑借鉴60GHz CMOS功率放大器设计方法，提升放大器性能[5-8]。
早期功率放大器常常采用单独模块设计，为突出某种性能而牺牲其他性能。由于近年来系统集成的需要，功率放大器需要满足系统要求，性能要求更加平衡。为此，功率放大器性能可以用FOM[7]（figure of merit）描述，其表达式为：
式中为输出饱和功率，Gain为增益，为中心频率，为最大功率附加功率。从式中可以看到，输出功率、增益、效率三个指标对于功率放大器设计来说极为重要。
对输出功率而言，随着CMOS工艺的发展，晶体管的供电电压和耐压能力随之降低，一定程度上限制放大器输出信号摆幅。为提升放大器输出功率，一个方案是增大晶体管尺寸[7]，提高晶体管输出电流。但晶体管尺寸的增大相应会引入电阻、电容等寄生参数，降低功率增益。为此，文献中提出采用堆叠型晶体管结构（stacking-FET）和功率合成技术来提高输出功率[13]。对标准CMOS工艺而言，较低的电源电压限制了堆叠的晶体管数量要小于3个。对功率合成技术而言，可采用直接功率合成、Wilkinson功率合成和基于变压器的功率合成三种[14]。对比而言，变压器具有对称性和紧凑性等优点，基于变压器的功率合成方法逐渐成为主流。变压器功率合成结构又可分为电压功率合成和电流功率合成两种方式[2][14]。在本课题开展中，拟结合功率放大器匹配网络具体实施方案，采用不同的功率合成方式。
从导通角等角度，功率放大器可分为A、B、C类的线性功放和D、E、F类的开关型功放。D、E、F类的开关型功放虽然可以极大地提高功率放大器地效率，但线性度性能较差。综合线性度和效率等性能需要，大部分功率放大器工作在A类或AB类，以满足系统的线性度需求[2]。
为了提供足够的功率增益，提高功率附加效率，输出及级间匹配网络是功率放大器设计的重点，其需要实现低插损耗及宽带等性能。传统匹配网络一般采用微带线结构和LC匹配网络[7]。微带线匹配网络设计相对成熟，但对芯片应用而言，微带线尺寸相对较大，增加芯片面积及成本。在CMOS工艺下，由于衬底损耗等因素，片上电容、电感无源器件Q值较小。近年来，基于变压器的匹配网络逐渐成为主流[1][8][15-17]。相比LC及传输线匹配网络而言，变压器匹配网络插入损耗相对较低，且具有对称性和紧凑性等优点，并能实现宽带功率合成。其难点是变压器结构建模相对复杂，在综合考虑寄生电容等效应前提下，如何选取合适尺寸的变压器是匹配网络设计的难题。为此，本论文拟在实际的匹配网络设计中，结合实际电路工作特点，综合运用以上几种匹配方式，设计最优的匹配网络。
