CN101510763B - 一种毫米波单片集成功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种毫米波单片集成功率放大器，属于电子技术领域，涉及毫米波单片集成功率放大器。本发明电路采用三级放大结构，以获得高增益；最后一级放大结构中包含一个四路合成结构，以获得高的输出功率。整个电路具有宽带匹配电路，实现功率放大器芯片的宽带特性，在保证单片功率放大器输出功率的同时，提高功率放大器的工作带宽。本发明的单片功率放大器在28-31GHz频带内，不需要任何外部匹配电路，相对于混合集成功率放大器，其体积更小。仿真结果表明，本发明具有高增益(＞15dB)、高输出功率(28dBm)，满足稳定性要求。本发明可应用于雷达和无线通信系统。

Description

一种毫米波单片集成功率放大器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及毫米波单片集成功率放大器，可直接应用于雷达、通讯等系统。

背景技术

功率放大器常用在雷达和无线通信系统发射机的末级，用以提高它们的辐射功率电平。

目前，普遍应用的毫米波功率放大器器件属于混合集成电路和模块电路，主要实现方式是通过单个晶体管和外围匹配电路组成。这类功率放大器的主要缺点有：体积大，一致性不好等等。

随着微波毫米波通信技术的迅速发展，人们对通信设备的要求越来越高，体积小，重量轻，可靠性高，稳定性好等优点使得微波单片集成电路(MMIC)在微波通信领域逐渐取代了波导系统和混合集成电路。

微波单片集成电路是用半导体工艺把有源器件、无源器件和微波传输线、互连线等全部制作在一片砷化镓或硅片上而构成的集成电路。

发明内容

本发明提供一种毫米波单片集成功率放大器，以克服混合集成功率放大器电路体积大、一致性差等缺点。同时，通过设计宽带匹配电路，实现功率放大器芯片的宽带特性，在保证单片功率放大器输出功率的同时，提高功率放大器的工作带宽。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案在于：

一种毫米波单片集成功率放大器，如图1所示，包括三级放大电路，即第一、二、和三级放大电路，所述三级放大电路集成于一片砷化镓或硅片上。

所述第一级放大电路对射频输入信号RF_IN进行第一级放大处理；射频输入信号RF_IN通过第一级耦合电容和第一pHEMT场效应三极管FET1的栅极匹配及偏置电路输入到第一pHEMT场效应三极管FET1的栅极，第一pHEMT场效应三极管FET1的源极接地，第一pHEMT场效应三极管FET1的漏极通过第一pHEMT场效应三极管FET1的漏极匹配及偏置电路输出第一级放大信号。

第一级放大电路中：

所述第一pHEMT场效应三极管FET1的栅极匹配及偏置电路为十字形对称结构电路：两路相同的第一pHEMT场效应三极管FET1的栅极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时分别通过各自的微带传输线和偏置电阻接第一十字形微带传输线的上下两端；第一十字形微带传输线的左端接第一级耦合电容，右端接第一pHEMT场效应三极管FET1的栅极；所述第一pHEMT场效应三极管FET1的漏极匹配及偏置电路为十字形对称结构电路：两路第一pHEMT场效应三极管FET1漏极偏置电压分别通过各自旁路电容接地的同时接第二十字形微带传输线的上下两端；第二十字形微带传输线的左端接第一pHEMT场效应三极管FET1的漏极，右端输出第一级放大信号。

所述第二级放大电路对第一级放大信号进行第二级放大处理；第一级放大信号通过第二级耦合电容和第一T形微带功分电路后分成两路信号：一路经第二pHEMT场效应三极管FET2的栅极匹配及偏置电路输入到第二pHEMT场效应三极管FET2的栅极，另一路经第三pHEMT场效应三极管FET3的栅极匹配及偏置电路输入到第三pHEMT场效应三极管FET3的栅极；第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的源极接地；第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的漏极分别通过各自的漏极匹配及偏置电路输出第二级放大信号；第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的栅极之间通过第一奇模振荡抑制电阻相连，第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的漏极之间通过第二奇模振荡抑制电阻相连。；

第二级放大电路中：

所述第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的栅极匹配及偏置电路均为T形结构电路：第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的栅极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时通过各自的微带传输线和偏置电阻分别接第一、第二T形微带传输线的垂直端，第一、第二T形微带传输线的水平左端接第一T形微带功分电路的输出端，第一、第二T形微带传输线的水平右端分别接第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的栅极；所述第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的漏极匹配及偏置电路均为T形结构电路：第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的漏极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时通过各自的微带传输线和偏置电阻分别接第三、第四T形微带传输线的垂直端，第三、第四T形微带传输线的水平左端分别接第二、第三pHEMT场效应三极管FET2、FET3的漏极，第三、第四T形微带传输线的水平右端分别输出两路第二级放大信号。

所述第三级放大电路对第二级放大信号进行第三级放大处理及功率合成输出；一路第二级放大信号通过一个第三级耦合电容和第二T形微带功分电路后分成两路信号，另一路第二级放大信号通过另一个第三级耦合电容和第三T形微带功分电路后分成两路信号；两路第二级放大信号所分成的四路信号中：第一路信号经第四pHEMT场效应三极管FET4的栅极匹配及偏置电路输入到第四pHEMT场效应三极管FET4的栅极，第二路信号经一段微带传输线输入到第五pHEMT场效应三极管FET5的栅极，第三路信号经另一段微带传输线输入到第六pHEMT场效应三极管FET6的栅极，第四路信号经第七pHEMT场效应三极管FET7的栅极匹配及偏置电路输入到第七pHEMT场效应三极管FET7的栅极；第四、第五、第六、第七pHEMT场效应三极管的源极接地；第四、第五、第六、第七pHEMT场效应三极管的漏极输出四路第三级放大信号；第四、第五pHEMT场效应三极管的栅极之间通过第三奇模振荡抑制电阻相连，第四、第五pHEMT场效应三极管的漏极之间通过第四奇模振荡抑制电阻相连；第六、第七pHEMT场效应三极管的栅极之间通过第五奇模振荡抑制电阻相连，第六、第七pHEMT场效应三极管的漏极之间通过第六奇模振荡抑制电阻相连；第四、第五pHEMT场效应三极管的漏极输出的两路第三级放大信号经一个一级功率合成电路合二为一，第六、第七pHEMT场效应三极管的漏极输出的另外两路第三级放大信号经另一个一级功率合成电路合二为一；两个一级功率合成电路输出的两路信号经一个二级功率合成电路合二为一后经第三级放大电路的漏极匹配及偏置电路、输出耦合电容和输出级匹配电路后输出最终的射频输出信号RF_OUT。

第三级放大电路中：

所述第四、第七pHEMT场效应三极管FET4、FET7的栅极匹配及偏置电路均为T形结构电路：第四、第七pHEMT场效应三极管FET4、FET7的栅极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时分别通过各自的微带传输线和偏置电阻分别接第五、第六T形微带传输线的垂直端，第五、第六T形微带传输线的水平左端分别接第二、第三T形微带功分电路的输出端，第五、第六T形微带传输线的水平右端分别接第四、第七pHEMT场效应三极管FET4、FET7的栅极；所述第三极放大电路的漏极匹配及偏置电路为十字形对称结构电路：两路第三极放大电路的漏极偏置电压分别通过各自旁路电容接地的同时分别接第三十字形微带传输线的上下两端；第三十字形微带传输线的左端接二级功率合成电路的输出端，第三十字形微带传输线的右端接输出耦合电容；所述输出级匹配电路为十字形对称结构电路：第四十字形微带传输线的上下两端分别通过各自的匹配电阻、微带传输线和旁路电容接地；第四十字形微带传输线的左端通过输出耦合电容接第三十字形微带传输线的右端，第四十字形微带传输线的右端输出最终的射频输出信号RF_OUT。

综上，本单片功率放大器采用三级放大结构，以获得高增益；同时采用四路合成结构，以获得高的输出功率。

本发明的有益效果是：

1、本发明的单片功率放大器在28-31GHz频带内，不需要任何外部匹配电路，相对于混合集成功率放大器，其体积更小型化；本发明的单片功率放大器可直接替换国外公司的相应产品。

2、本发明的单片功率放大器具有高增益(＞15dB)、高输出功率(28dBm)，因而在雷达和无线通信领域有着非常广泛的使用范围。

3、本发明提出了一种非线性稳定性分析方法，对功放大信号条件下稳定进行了更精确的分析，可以更好的对功放稳定性进行判断。

附图说明

图1是本发明提供的一种微波功率放大电路的电路原理图。

图2是用于分析本发明提供的一种微波功率放大电路的稳定性的并联微扰电流源示意图。

图3是用于分析本发明提供的一种微波功率放大电路的奇模振荡的原理图。

图4是本发明提供的一种微波功率放大电路的小信号稳定性因子k。

图5是本发明提供的一种微波功率放大电路的小信号稳定性因子b。

图6是本发明提供的一种微波功率放大电路的功放小信号增益测试结果。

图7是本发明提供的一种微波功率放大电路的功放饱和输出功率测试结果。

具体实施方式

功率放大器的稳定性是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素，功放的稳定性分析分为线性稳定性分析和非线性稳定性分析。本发明提出了一种非线性稳定性分析方法，对单片功率放大器的大信号条件下的稳定性进行分析，在此基础上引入抑制奇模振荡的电阻，实现功放的全频带稳定。

本发明的单片功率放大器工作在Ka频段，在考虑放大器稳定性时，不仅考虑了放大器在工作频段内的稳定性，还考虑了放大器在低频段的稳定性，因为在低频段放大器增益更大，更容易产生自激振荡。一旦放大器在某频点产生自激振荡，即使该频点不在我们所设计的放大器工作频带内，放大器的放大特性也会被破坏。

单片功率放大器芯片的电路结构如图1所示，采用三级放大结构，以获得高增益；最后一级放大结构中包含一个四路合成结构，以获得高的输出功率。

(1)宽带匹配电路的设计是实现功放宽带特性的关键。本发明采用三级放大结构，为了实现良好的宽带特性必须设计良好的输入匹配、级间匹配和输出匹配电路。第一步是设计输出匹配电路，它的作用是把50欧姆负载阻抗变换为获得最大输出功率时的输出阻抗(该阻抗采用负载牵引仿真获得)。第二步是设计级间匹配电路，它的作用是使输入级FET的漏极输出阻抗和中间级的源极输入阻抗相匹配，这也是实现宽带特性的关键所在。由于中间级FET的栅极输入电阻Q值很高，不易实现宽带匹配。设计时考虑了两种可行的匹配方法，一是在中间级FET的栅极和输入级EFT的漏极进行预匹配，使栅极和漏极都呈现出实阻抗，再用四分之一波长阻抗变换线进行实阻抗的匹配；另一种方法是设计级间匹配电路，使得在不能匹配的频率上实现更大的增益，这就补偿了失配引入的损耗，本发明最终采用了第二种级间匹配方法。第三步是设计输入匹配电路，它的作用是改善小信号增益的平坦度，同时实现输入匹配。所设计的匹配电路都进行了三维场仿真，以保证电路的精度。

(2)毫米波功放稳定性分析分为线性稳定性分析和非线性稳定性分析两种。线性稳定性分析主要是分析功放在小信号状态下的稳定性，现在最常用的方法是采用K因子和b因子作为线性稳定的判定，只要K＞1，b＞0放大器就是绝对稳定的。非线性稳定性分析主要是分析功放在大信号状态下的稳定性，该方法通过计算功放电路的非线性传递函数H(jω)，进而判定放大器的稳定性，下面将详细介绍。电路的非线性传递函数H(jω)可以采用如下方法计算，在电路的任一节点n处并联一微扰电流源，如图2所示，假设电流源注入的电流为i₀，在该节点获得的电压为v₀，则电路的传递函数可用下式进行计算：

$H\left(f\right)=\frac{v_0}{i_0}=\mathrm{Zn}\left(f\right)---\left(1\right)$

令Yn(f)＝1/Zn(f)，则在节点n处起振的条件为：

Real(Yn(f))＜0    (2)

Im(Yn(f))＝0      (3)

$\∂\mathrm{Im}\left(\mathrm{Yn}\left(f\right)\right)/\∂f>0---\left(4\right)$

在具体的电路分析中，本发明考查了电路中的节点是否满足该起振条件，如满足则说明放大器产生了振荡，有必要对放大器电路进行改进以避免起振。

另一方面，为了获得高的输出功率，该功放芯片第二级和最后一级分别采用了两路和四路合成的电路结构，该合成结构理论上是完全对称的，但在实际的电路制作中，电路参数会有离散，电路不再完全对称，会在合成电路内部引起振荡，即所谓的奇模振荡。本发明采用非线性稳定性分析方法对该种模式的振荡进行分析，在合成电路的某一路中引入一个微扰电流源，来模拟这种不对称性，测试电路的稳定状态，如图3所示。本发明通过在合成电路之间并联一小电阻来抑制奇模振荡，调整电阻阻值，直到电路稳定。

(3)关键无源结构的电磁仿真

本发明对输出级的功率合成电路进行了电磁仿真。由于合成电路的四路输入之间的间距未达到三倍线宽距离，相互之间会产生耦合，而电路仿真无法考虑它们之间的耦合影响，因此本发明采用了三维电磁场仿真软件HFSS对该结构进行了仿真。

本发明对功放稳定性进行了重点关注，首先分析了功放的小信号稳定性，以k和b因子来判定功放的稳定性，其仿真结果如图4、图5所示，可以看出在DC-100GHz频段内K＞1，b＞0，满足小信号稳定性条件。其次，本发明采用了非线性稳定性方法对功放在大信号条件下的稳定性进行了分析，确保功放电路无起振点。

该单片功率放大器上电后无自激现象发生，证明了本发明提出的功放稳定性分析方法的有效性。功放小信号增益测试结果如图6所示，在28-31GHz工作频带内，增益大于15dB。功放饱和输出功率测试结果如图7所示，在28-31GHz工作频带内饱和输出功率大于28dBm。

Claims (1)

1.一种毫米波单片集成功率放大器，其特征在于，包括三级放大电路，即第一、二、和三级放大电路，所述三级放大电路集成于一片砷化镓或硅片上；

所述第一级放大电路对射频输入信号进行第一级放大处理；射频输入信号通过第一级耦合电容和第一pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路输入到第一pHEMT场效应三极管的栅极，第一pHEMT场效应三极管的源极接地，第一pHEMT场效应三极管的漏极通过第一pHEMT场效应三极管的漏极匹配及偏置电路输出第一级放大信号；

第一级放大电路中：

所述第一pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路为十字形对称结构电路：两路相同的第一pHEMT场效应三极管的栅极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时分别通过各自的微带传输线和偏置电阻接第一十字形微带传输线的上下两端；第一十字形微带传输线的左端接第一级耦合电容，右端接第一pHEMT场效应三极管的栅极；所述第一pHEMT场效应三极管的漏极匹配及偏置电路为十字形对称结构电路：两路第一pHEMT场效应三极管漏极偏置电压分别通过各自旁路电容接地的同时接第二十字形微带传输线的上下两端；第二十字形微带传输线的左端接第一pHEMT场效应三极管的漏极，右端输出第一级放大信号；

所述第二级放大电路对第一级放大信号进行第二级放大处理；第一级放大信号通过第二级耦合电容和第一T形微带功分电路后分成两路信号：一路经第二pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路输入到第二pHEMT场效应三极管的栅极，另一路经第三pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路输入到第三pHEMT场效应三极管的栅极；第二、第三pHEMT场效应三极管的源极接地；第二、第三pHEMT场效应三极管的漏极分别通过各自的漏极匹配及偏置电路输出第二级放大信号；第二、第三pHEMT场效应三极管的栅极之间通过第一奇模振荡抑制电阻相连，第二、第三pHEMT场效应三极管的漏极之间通过第二奇模振荡抑制电阻相连；

第二级放大电路中：

所述第二、第三pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路均为T形结构电路：第二、第三pHEMT场效应三极管的栅极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时通过各自的微带传输线和偏置电阻分别接第一、第二T形微带传输线的垂直端，第一、第二T形微带传输线的水平左端接第一T形微带功分电路的输出端，第一、第二T形微带传输线的水平右端分别接第二、第三pHEMT场效应三极管的栅极；所述第二、第三pHEMT场效应三极管的漏极匹配及偏置电路均为T形结构电路：第二、第三pHEMT场效应三极管的漏极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时通过各自的微带传输线和偏置电阻分别接第三、第四T形微带传输线的垂直端，第三、第四T形微带传输线的水平左端分别接第二、第三pHEMT场效应三极管的漏极，第三、第四T形微带传输线的水平右端分别输出两路第二级放大信号；

所述第三级放大电路对第二级放大信号进行第三级放大处理及功率合成输出；一路第二级放大信号通过一个第三级耦合电容和第二T形微带功分电路后分成两路信号，另一路第二级放大信号通过另一个第三级耦合电容和第三T形微带功分电路后分成两路信号；两路第二级放大信号所分成的四路信号中：第一路信号经第四pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路输入到第四pHEMT场效应三极管的栅极，第二路信号经一段微带传输线输入到第五pHEMT场效应三极管的栅极，第三路信号经另一段微带传输线输入到第六pHEMT场效应三极管的栅极，第四路信号经第七pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路输入到第七pHEMT场效应三极管的栅极；第四、第五、第六、第七pHEMT场效应三极管的源极接地；第四、第五、第六、第七pHEMT场效应三极管的漏极输出四路第三级放大信号；第四、第五pHEMT场效应三极管的栅极之间通过第三奇模振荡抑制电阻相连，第四、第五pHEMT场效应三极管的漏极之间通过第四奇模振荡抑制电阻相连；第六、第七pHEMT场效应三极管的栅极之间通过第五奇模振荡抑制电阻相连，第六、第七pHEMT场效应三极管的漏极之间通过第六奇模振荡抑制电阻相连；第四、第五pHEMT场效应三极管的漏极输出的两路第三级放大信号经一个一级功率合成电路合二为一，第六、第七pHEMT场效应三极管的漏极输出的另外两路第三级放大信号经另一个一级功率合成电路合二为一；两个一级功率合成电路输出的两路信号经一个二级功率合成电路合二为一后经第三级放大电路的漏极匹配及偏置电路、输出耦合电容和输出级匹配电路后输出最终的射频输出信号；

第三级放大电路中：

所述第四、第七pHEMT场效应三极管的栅极匹配及偏置电路均为T形结构电路：第四、第七pHEMT场效应三极管的栅极偏置电压分别通过各自的旁路电容接地的同时分别通过各自的微带传输线和偏置电阻分别接第五、第六T形微带传输线的垂直端，第五、第六T形微带传输线的水平左端分别接第二、第三T形微带功分电路的输出端，第五、第六T形微带传输线的水平右端分别接第四、第七pHEMT场效应三极管的栅极；所述第三极放大电路的漏极匹配及偏置电路为十字形对称结构电路：两路第三极放大电路的漏极偏置电压分别通过各自旁路电容接地的同时分别接第三十字形微带传输线的上下两端；第三十字形微带传输线的左端接二级功率合成电路的输出端，第三十字形微带传输线的右端接输出耦合电容；所述输出级匹配电路为十字形对称结构电路：第四十字形微带传输线的上下两端分别通过各自的匹配电阻、微带传输线和旁路电容接地；第四十字形微带传输线的左端通过输出耦合电容接第三十字形微带传输线的右端，第四十字形微带传输线的右端输出最终的射频输出信号。

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