CN102761317B - 脉冲功率放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明是脉冲放大装置，在级联连接在初级部的前级和后级中使用了性质不同的半导体元件的放大器，从而可补偿由热时间常数引起的放大增益的时间变化，由此具有良好的线性。脉冲功率放大装置具有：初级部前级的第一放大器，具有预定的热时间常数；初级部后级的第二放大器，具有与所述第一放大器不同的热时间常数；和最终级放大器，级联连接在该第二放大器之后的最终级。还具有：激励放大器；电源切换电路；第一、第二微分电路，分别具有与第一放大器、第二放大器的热时间常数对应的时间常数；负偏置电源；第一、第二加法电路，在该负偏置电源的输出电压上分别加上第一、第二微分电路的输出，供给到第一、第二放大器的输入侧的负偏置端子。

Description

脉冲功率放大装置

相关申请的交叉参考：

本申请以2011年4月25日申请的日本专利申请2011－096855的优先权的利益为基础。该日本申请的内容在这里通过引用而包含在本申请中。

技术领域

本发明中，本发明的实施方式涉及在脉冲雷达的发送系统等中使用的脉冲功率放大装置。

背景技术

脉冲功率放大器中，已知作为功率放大元件使用例如场效应晶体管(下面称作FET)，来多级级联连接这些晶体管的情形。

图1表示该结构的脉冲功率放大器的例子。在输入端子51和输出端子52之间级联连接例如由FET构成的初级放大器53a、第二级放大器53b、···、最终级放大器53c。切换电路55通过将正偏置电源59施加给脉冲输入端子54的调制脉冲来切换，并作为正的动作电源电压供给放大器53a，53b，53c。输入到脉冲输入端子54的调制脉冲还供给微分电路56。

微分电路56以预定的时间常数对调制脉冲的前沿进行微分并送到加法电路57。加法电路57将从微分电路56供给的微分信号加到从负偏置电源58供给的负偏置电压中，作为输入侧的负偏置电压供给最终级放大器53c以外的各放大器。向最终级放大器53c输入侧的负偏置电压端子原样供给负偏置电源58的电压。

该脉冲功率放大器中，若输入从输入端子51输入的作为发送脉冲的原始信号的高频信号，则在与从脉冲输入端子54输入的脉冲宽度相应的时间内，放大器53a，53b进行脉冲放大动作，而使各放大器的沟道温度升高，放大增益随预定的热时间常数降低。将以该热时间常数微分后的信号从微分电路56输入到加法电路57，加到负偏置电压上而供给最终级以外的放大器53a，53b。由此，来补偿各放大器的1个脉冲内的放大增益的时间变化。

在如上述这种脉冲放大装置中，在通过脉冲波供给放大器的电源的情况下，若各放大器作为放大元件使用相同种类的半导体元件，则由于热时间常数大致相同，所以可以使用时间常数相同的微分电路来补偿放大增益的时间变化。

但是，为了同时实现高输出和高效率，作为各放大器的放大元件，在初级的前级使用GaAs并在后级使用GaN、或者在前级使用SiGe在后级使用GaAs的脉冲放大装置引人关注。在这样的作为放大元件使用了GaAs、GaN、SiGe的放大器中，放大增益降低的热时间常数不同，而不能通过相同微分电路进行补偿。

如上所述，在级联连接在初级部的前级和后级使用了不同的半导体元件的放大器而构成的脉冲放大装置中，这些放大器的热时间常数不同，不能补偿如图1所示这种放大增益的时间变化，脉冲内的相位变动恶化，不能得到具有良好线性的放大特性的脉冲放大装置。

发明内容

本发明提供一种在级联连接在初级部的前级和后级中使用了性质不同的半导体元件的放大器而构成的脉冲放大装置中，可补偿由热时间常数引起的放大增益的时间变化，由此具有良好的线性的脉冲放大装置。

附图说明

图1是表示现有技术的脉冲功率放大器的结构例的图；

图2是表示第一实施方式的结构例的图；

图3是表示第一实施方式中的微分电路和加法电路的一例的图；

图4是用于说明第一实施方式的动作的波形图；

图5是表示第二实施方式的结构例的图。

具体实施方式

根据本发明的一实施方式，提供一种脉冲功率放大装置，其特征在于，包括：初级部前级的第一放大器，输入高频信号，且关于放大增益具有预定的热时间常数；初级部后级的第二放大器，与该第一放大器级联连接，且具有与所述第一放大器不同的热时间常数；最终级放大器，级联连接在该第二放大器之后的最终级；激励放大器，级联连接在该最终级放大器的前级，且驱动该最终级放大器；电源切换电路，输入用于调制所述高频信号的脉冲信号，且对正偏置电源的输出电压进行切换，将该切换后的输出电压供给所述第一放大器、所述第二放大器、所述激励放大器和所述最终级放大器的输入侧的正偏置电源端子；第一微分电路，输入所述脉冲信号，且具有与所述第一放大器的热时间常数对应的时间常数；第二微分电路，输入所述脉冲信号，且具有与所述第二放大器的热时间常数对应的时间常数；负偏置电源，输出用于供给到所述激励放大器和所述最终级放大器的输入侧的负偏置端子的负偏置电压；第一加法电路，将所述第一微分电路的输出加到该负偏置电源输出的负偏置电压上，供给到所述第一放大器的输入侧的负偏置端子；以及第二加法电路，将所述第二微分电路的输出加到所述负偏置电源输出的负偏置电压上，供给到所述第二放大器的输入侧的负偏置端子。

下面，使用附图来说明实施方式。

＜第一实施方式＞

图2表示第一实施方式的结构。该实施方式的脉冲放大装置中，作为放大元件，初级部前级的分布式放大器使用GaAs(砷化镓)的FET，后级的分布式放大器使用GaN(氮化镓)的FET。

在脉冲放大装置10的高频输入端子11和高频输出端子12之间级联连接多个放大器。即，具有其输入端子与高频输入端子11相连的初级部前级的分布式放大器13a、输入端子与该放大器的输出端子相连的后级的分布式放大器13b、级联连接的激励放大器13e、以及输入端子与该放大器13e的输出端子相连，且输出端子与高频输出端子12相连的最终级的放大器12f。

分布式放大器13a使用GaAs作为放大元件，分布式放大器13b使用GaN作为放大元件。最终级放大器13f使用GaN作为放大元件，其前的激励放大器13e使用GaAs作为放大元件。激励放大器13e是驱动最终级放大器13f的放大器。

有时在分布式放大器13b和激励放大器13e之间还连接了1个或2个以上的使用了GaAs作为放大元件的放大器。

这些放大器例如由FET构成，将栅电极作为输入端子，将漏电极作为输出端子，将源电极作为共用端子来级联连接。这些放大器具有输入侧的正偏置端子和负偏置端子。

例如电源切换电路15的栅(G)和微分电路16a，16b与供给脉冲信号的脉冲输入端子14相连。这些微分电路16a，16b的输出端子与加法电路17a，17b的输入端子相连，将加法电路17a，17b的输出输入到分布式放大器13a，13b各自的负偏置端子。

正端子被接地的负偏置电源18与加法电路17a，17b的输入端子和激励放大器13e、最终级放大器13f的输入侧的负偏置端子相连。

负端子被接地的正偏置电源19与电源切换电路15的漏端子D相连，其源端子S与分布型放大器13a，13b和激励放大器13e、最终级放大器13f各自的输入侧的正偏置端子相连。

微分电路16a被调整为具有与使用GaAs作为放大元件的初级部前级的分布式放大器13a的放大增益降低的热时间常数相对应的时间常数。微分电路16b被调整为具有与使用GaN作为放大元件的初级部后级的分布式放大器13a的热时间常数相对应的时间常数。可以使分布式放大器13a的相位超前，来补偿由激励放大器13e引起的相位滞后。另外，可以使分布式放大器13b的相位超前，来补偿由最终级放大器13f引起的相位滞后。

由于放大元件的特性，产生作为放大器的增益降低。该增益降低被看作是由放大元件产生的作为放大器的热时间常数而引起。

图3表示合并了微分电路16a和加法电路17a后的微分加法电路的电路例。该微分加法电路21包括连接在输入端子22和输出端子23之间的电容器24、以及与输入端子22相连且另一端接地的可变电阻器25。这样，实际上，微分电路和加法电路可以为一体。该结构对于合并了微分电路16b和加法电路17b后的微分加法电路25(未图示)也同样。

其中，使用GaAs作为放大元件的分布式放大器13a中的放大增益降低的热时间常数是50～200us左右，调整可变电阻器24的值，使得微分加法电路24的电容器24和可变电阻器24的积为该程度。

另一方面，使用GaN作为放大元件的分布式放大器13b中的放大增益降低的热时间常数是5～30us左右，调整其可变电阻器的值，使得与分布式放大器13b的输入侧的负偏置端子相连的微分加法电路25的电容器和可变电阻器的积为该程度。

接着，说明该实施方式的动作。电源切换电路15通过向脉冲输入端子14施加的调制脉冲，来切换正偏置电源19，并向分布式放大器13a、分布式放大器13b，激励放大器13e，最终级放大器13f的输入侧的正偏置端子供给正偏置电压。

从负偏置电源18输出的负偏置电压直接供给除初级部之外的其他放大器的负偏置端子。向初级部的分布式放大器13a，13b的负偏置输入端子分别供给加法电路17a，17b的输出。

向高频信号输入端子11输入作为发送脉冲的源信号的高频信号。分布式放大器13a和分布式放大器13b的热时间常数不同，相对应，微分电路16a和微分电路16b仅微分的时间常数不同，整体的动作相同，所以说明分布式放大器13a、微分电路16a，加法电路17a。

微分电路16a的时间常数与分布式放大器13a的增益降低的热时间常数相匹配是指在相位上，在该分布式放大器13a中通过使相位超前，而补偿后级的激励放大器13e的相位滞后。这里，着眼于相位来加以说明。

图4(a)表示输入到脉冲输入端子14的调制脉冲信号的整体波形。若将这种调制脉冲输入到脉冲输入端子14，则该调制脉冲被送到电源切换电路15和微分电路16a。通过使电源切换电路15的FET导通，并利用该调制脉冲切换正偏置电源，从而仅在相当于时刻T1到时刻T2的脉冲宽度的期间使正偏置电源19的电压通过，供给各放大器的正偏置端子。在该脉冲宽度的期间，供给预定的负偏置电压。分布式放大器13a通过从时刻T1起使FET的沟道温度升高，而如图4(b)所示那样，在对应于放大元件GaAs的热时间常数中产生相位滞后，降低了放大增益。

但是，如图4(c)所示，将由微分电路16a微分后的电压ΔV加到从负偏置电源18供给的负偏置电压(－V2)后得到的电压(－V2－ΔV)输入到分布式放大器13a的输入侧的负偏置端子。

因此，如图4(d)所示，通过分布式放大器13a，在1个脉冲内，可以使相位超前。由此，可以在原理上抵消接着放大器13b的后级的激励放大器13e的相位滞后。

同样，对于放大器13b，也从时刻T1起因热时间常数，放大增益降低，而产生了相位滞后，但是通过微分电路16b和加法电路17b，将具有如图4(d)所示这种相位超前的负偏置电压供给分布式放大器13b的负偏置端子，从而可在原理上抵消最终级放大器13f上产生的相位滞后。

由此，在初级的前级分布式放大器具有GaAs作为放大元件，初级的后级分布式放大器具有GaN作为放大元件，激励放大器具有GaAs作为放大元件，最终级放大器具有GaN作为放大元件的级联连接的脉冲放大装置中，可以减少在1个脉冲内产生的相位改变，而可得到良好线性。

上述实施方式中，说明了级联连接了具有GaAs作为放大元件的放大器和具有GaN作为放大元件的放大器的脉冲放大装置。但是，本发明还可适用于级联连接了具有SiGe作为放大元件的放大器和具有GaAs作为放大元件的放大器的脉冲放大装置。

＜第二实施方式＞

图5表示该第二实施方式的构成例。该实施方式的脉冲放大装置中，作为初级部的放大元件，前级的分布式放大器使用SiGe(硅锗)，后级的分布式放大器使用GaAs(砷化镓)。

在脉冲放大装置40的高频输入端子41和高频输出端子42之间级联连接多个放大器。即，具有：其输入端子与高频输入端子41相连的初级部的前级的分布式放大器43a、输入端子与该放大器的输出端子相连的后级的分布式放大器43b、级联连接的激励放大器43e和输入端子与该放大器43e的输出端子相连且输出端子与高频输出端子42相连的最终级的放大器42f。

初级部的前级的分布式放大器43a使用SiGe作为放大元件，后级的分布式放大器43b使用GaAs作为放大元件。最终级放大器43f使用GaAs作为放大元件，其前的激励放大器43e使用SiGe作为放大元件。激励放大器43e是驱动最终级放大器43f的放大器。

有时还在分布式放大器43b和激励放大器43e之间连接1个或2个以上的使用SiGe作为放大元件的放大器。

这些放大器例如由FET构成，将栅电极作为输入端子，将漏电极作为输出端子，将源电极作为共用端子来级联连接。这些放大器具有输入侧的正偏置端子和负偏置端子。

例如电源切换电路45的栅(G)和微分电路46a，46b与供给脉冲信号的脉冲输入端子44相连。这些微分电路46a，46b的输出端子与加法电路47a，47b的输入端子相连，加法电路47a，47b的输出输入到分布式放大器43a，43b各自的负偏置端子。

正端子被接地的负偏置电源48与加法电路47a，47b的输入端子和激励放大器43e、最终级放大器43f的输入侧的负偏置端子相连。

负端子被接地的正偏置电源49与电源切换电路45的漏端子D相连，其源端子S与分布型放大器43a，43b和激励放大器43e、最终级放大器43f各自的输入侧的正偏置端子相连。

该实施方式中，使微分电路46a的时间常数与使用SiGe作为放大元件的分布式放大器43a的增益降低的热时间常数相匹配。使微分电路46b的时间常数与使用SiGe作为放大元件的分布式放大器43a的增益降低的热时间常数相匹配。

由此，可以使分布式放大器43a的相位超前，来补偿由激励放大器43e引起的相位滞后。另外，可以使分布式放大器43b的相位超前，来补偿由最终级放大器43f引起的相位滞后。

＜其他变形例＞

上述实施方式中，说明了作为初级部的前级放大器和后级放大器使用分布式的情形。但是，本发明还可适用于作为初级部的前级放大器和后级放大器使用不是分布式的放大器的情形。

上述实施方式中，说明了作为初级部的前级的放大器使用GaAs作为放大元件，作为后级的放大器使用GaN的脉冲放大装置；以及作为初级部的前级的放大器使用SiGe作为放大元件，使用GaAs来作为后级的放大器的脉冲放大装置。但是，并不限于此，本发明还可适用于级联连接初级部的前级和后级使用不同的放大元件的放大器而成的脉冲功率放大器。

根据上述的实施方式、变形例，在级联连接初级部的前级和后级中使用了性质不同的半导体元件的放大器而构成的脉冲放大装置中，可以补偿由热时间常数引起的放大增益的时间变化，因此可得到具有良好线性的脉冲放大装置。

虽然描述了特定的实施例，但是这些实施例仅作为示例来呈现，而不意图用于限制本发明的范围。实际上，这里所描述的新的实施例可以具体化为其他各种形式，进一步，对这里所描述的实施例的形式的各种省略、替代和改变可以在不脱离本发明的精神的范围内加以实施。附属的权利要求及其等价物意图用于覆盖这些形式和变形，且落入到本发明的范围和精神中。

Claims (11)

1.一种脉冲功率放大装置，其特征在于，包括：

初级部前级的第一放大器，输入高频信号，且关于放大增益具有预定的热时间常数；

初级部后级的第二放大器，与该第一放大器级联连接，且具有与所述第一放大器不同的热时间常数；

最终级放大器，级联连接在该第二放大器之后的最终级；

激励放大器，级联连接在该最终级放大器的前级，且驱动该最终级放大器；

电源切换电路，输入用于调制所述高频信号的脉冲信号，且对正偏置电源的输出电压进行切换，将该切换后的输出电压供给所述第一放大器、所述第二放大器、所述激励放大器和所述最终级放大器的输入侧的正偏置电源端子；

第一微分电路，输入所述脉冲信号，且具有与所述第一放大器的热时间常数对应的时间常数；

第二微分电路，输入所述脉冲信号，且具有与所述第二放大器的热时间常数对应的时间常数；

负偏置电源，输出用于供给到所述激励放大器和所述最终级放大器的输入侧的负偏置端子的负偏置电压；

第一加法电路，将所述第一微分电路的输出加到该负偏置电源输出的负偏置电压上，供给到所述第一放大器的输入侧的负偏置端子；以及

第二加法电路，将所述第二微分电路的输出加到所述负偏置电源输出的负偏置电压上，供给到所述第二放大器的输入侧的负偏置端子，

所述初级部前级的第一放大器和所述初级部后级的第二放大器是分布式放大器。

2.根据权利要求1所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述初级部前级的第一放大器和所述激励放大器中的放大元件使用相同种类的第一放大元件，所述初级部后级的第二放大器和所述最终级放大器中的放大元件使用与所述第一放大元件不同的、相同种类的第二放大元件。

3.根据权利要求2所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

在所述初级部后级的第二放大器和所述激励放大器之间级联连接有使用与所述第一放大元件相同种类的放大元件的放大器。

4.根据权利要求1所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

在所述初级部后级的第二放大器和所述激励放大器之间级联连接有使用与所述第一放大元件相同种类的放大元件的放大器。

5.根据权利要求2所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述初级部前级的第一放大器使用GaAs作为放大元件，所述初级部后级的第二放大器使用GaN作为放大元件。

6.根据权利要求1所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述前级的第一放大器使用GaAs作为放大元件，所述后级的第二放大器使用GaN作为放大元件。

7.根据权利要求3所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述前级的第一放大器使用GaAs作为放大元件，所述后级的第二放大器使用GaN作为放大元件。

8.根据权利要求4所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述前级的第一放大器使用GaAs作为放大元件，所述后级的第二放大器使用GaN作为放大元件。

9.根据权利要求2所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述前级的第一放大器使用SiGe作为放大元件，所述后级的第二放大器使用GaAs作为放大元件。

10.根据权利要求1所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述前级的第一放大器使用SiGe作为放大元件，所述后级的第二放大器使用GaAs作为放大元件。

11.根据权利要求3所述的脉冲功率放大装置，其特征在于，

所述前级的第一放大器使用SiGe作为放大元件，所述后级的第二放大器使用GaAs作为放大元件。