CN104134841B - 一种采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于前馈补偿技术的GaN有源准环行器。该器件在发射支路采用了GaN？HEMT用来实现发射支路的高增益以及单向传输特性，而为了抑制由于发射支路高增益带来的从发射端口到接收端口之间的功率泄漏，采用了前馈补偿的技术。该前馈支路将输入发射信号的一部分进行调幅和移相，从而在接收端口实现与泄漏信号等幅反相的特性，进而相互抵消，实现较低的功率泄漏特性。此外，为了进一步提高发射支路的增益，并尽量减轻接收支路噪声性能的弱化，在发射端口及接收端口处均采用了不等分耦合器。最终该有源准环行器实现了较高的功率容量、较高的发射增益、以及较低的功率泄漏。具有很好的应用前景。

Description

一种采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器

技术领域

本发明属于微波毫米波混合集成电路，是一种基于新型高功率器件的，并采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器。

背景技术

环形器主要被用来隔离发射信号和接收信号，因而被广泛应用于微波、毫米波系统。无源环形器一般由铁氧体材料制成，具有插入损耗低、功率损失小、稳定性高以及功率容量大等优点，但是它的体积太大，带宽相对较窄，并且难以用于单片集成设计，所以无法适应当今通信系统集成化，小型化的需求。于是开始出现使用双极结晶体管（BJT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）设计的有源环形器，它们除了具有良好的性能，而且尺寸也很小，所以非常适用于系统或模块的集成化技术。

有源环形器可以基于印刷电路板（PCB）或微波单片集成电路（MMIC）工艺实现。对于PCB工艺，其设计的频率是有限制的，并且匹配电路，直流偏置电路等外围电路会使得整体电路尺寸较大。而MMIC尺寸很小，目前国际上研究比较多的技术是互补型金属氧化物半导体（CMOS）工艺，但存在的问题是基于这种工艺的有源环行器的功率容量普遍较小，崩溃电压也相对较低，并不能适应大功率应用，例如应用于有源相控阵中的高功率T/R组件；并且有源环行器在收发组件中位于发射支路的功率放大器之后，因此其1dB输出功率压缩点对应的输入功率必须达到该功率放大器的输出功率水平，而在目前基于CMOS技术的有源环行器中，其1dB输出功率压缩点对应的输入功率值均较低，根本不能承受发射支路中功率放大器的输出功率，所以目前基于CMOS工艺的有源环行器并不能满足实际的应用需求。另一方面由发射支路或者接收支路的高增益而带来的功率泄漏现象成为了高增益有源环行器的主要问题，因此需要采用特殊的技术来抑制这种功率泄漏现象。

氮化镓（GaN）作为第三代新型半导体材料，被广泛地应用于高功率器件的设计中，而基于GaN的高功率器件，如功率放大器和功率振荡器等均具有非常优越的高功率性能，因此具有很好的应用前景。但是现有技术中尚无用氮化镓（GaN）器件设计有源环行器的相关报道。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种能实现较低功率泄漏且具有高功率容量的基于前馈抵消技术的GaN混合集成有源准环行器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，包括相互连接的发射支路、接收支路、前馈支路，其中发射支路与接收支路相连，发射支路的输出端口即为接收支路的输入端口，该端口同时为该有源准环行器的天线端口；发射支路的输入端口即为前馈支路的输入端口，该端口同时为该有源准环行器的发射端口；接收支路的输出端口即为前馈支路的输出端口，该端口同时为该有源准环行器的接收端口。

所述发射支路包括依次相连的第一耦合器的直通支路、第一放大器、无源隔离器和无源环形器的一条支路，其中第一耦合器的直通支路输入端口即为发射支路的输入端口，上述无源环形器的该条支路输出端口即为发射支路的输出端口；

接收支路包括相互连接的无源环形器的另一条支路第二耦合器的直通支路，所述无源环形器的另一条支路为发射支路中无源环形器中所述支路的相邻下一条支路，其中上述无源环形器的另一条支路的输入端口即为接收支路的输入端口，第二耦合器的直通支路输出端口即为接收支路输出端口；

前馈支路包括依次相连的第一耦合器的耦合支路、可调移相器、可调衰减器、第二放大器和第二耦合器的耦合支路，其中第一耦合器的耦合支路输入端即为前馈支路的输入端口，第二耦合器的耦合支路输出端口即为前馈支路的输出端口；

上述第一耦合器和第二耦合器的隔离端口均通过50欧姆电阻接地。

所述无源隔离器为无源铁氧体隔离器或贴片隔离器；所述无源环形器为无源铁氧体环形器或贴片环形器。

所述第一耦合器和第二耦合器均为不等分耦合器，并且直通支路的传输系数大于耦合支路的传输系数。

所述第一放大器为基于GaN晶体管的功率放大器。

所述可调移相器为多位数字式可调移相器或反射式连续可调移相器；所述可调衰减器为多位数字式可调衰减器或连续可调衰减器。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）本发明的发射支路采用了GaN HEMT设计了功率放大器，而接收支路为纯无源结构，因此相对于以往的设计，本发明具有更高的功率容量，同时具有很高的发射增益。2）本发明提出的基于前馈抵消法的有源准环行器虽然具有较高的发射增益，但是由于采取了非常有效的前馈抵消技术，因此本发明在保持较高增益的同时，非常有效地抑制了功率泄漏现象的发生。3）本发明与其它类似的有源准环行器相比，在发射端口和接收端口出均采用了不等分耦合器，相比与以往的等分耦合器，本发明进一步提高了发射支路的增益，并减轻了无源结构的固有插损对接收支路噪声的恶化。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为采用前馈抵消法设计的有源准环行器的整体框架图。

图2为有源准环行器的小信号S参数仿真与测试结果图，其中，图（a）为发射支路和接收支路的传输系数仿真与测试结果图，图（b）为三个端口的回波损耗仿真与测试结果图，图（c）为三个端口之间的隔离系数仿真与测试结果图，图（d）为发射端口→接收端口的功率泄漏系数仿真与测试结果图。

图3为有源准环行器的大信号仿真与测试结果图。

具体实施方式

本发明的一种基于前馈抵消技术的GaN混合集成有源准环行器，发射支路采用了基于GaN HEMT设计的高功率放大器，以实现发射支路的高增益、高功率容量。同时由于GaN HEMT较低的反馈电容，因此该功率放大器还实现了发射支路的单向传输特性。为了进一步提高发射支路的增益，发射端口的耦合器采用了不等分的设计方法，并且在功率放大器的输出端接了一个无源隔离器，以保护该功率放大器。最后信号通过无源环行器到达天线端。在接收支路，从天线端接收到的信号通过无源环行器及耦合器的直通支路到达接收端口。为了减轻无源器件的插损及耦合器的功分比噪声性能的恶化，同样接收端口处的耦合器也采用了不等分的设计方法。另一方面，由于接收支路采用了纯无源设计，因此如果当信号从接收端口进入后，通过无源环行器会到达发射支路功率放大器后端的无源隔离器的输出端口，从而被无源隔离器吸收而不会到达天线端口，因此实现了总体有源准环行器接收端口与天线端口的反相隔离。而前馈支路的信号从发射端口经过不等分耦合器的耦合端口得到，并通过一个集成的多位数字衰减器、反射式可调移相器实现对信号幅度和相位的调节，然后通过一个功率放大器，以实现前馈支路的单向传输特性，同时通过调整该功率放大器的偏置电压还可以进一步对前馈支路的幅度进行调节，最终通过不等分耦合器的耦合端口到达整个有源准环行器的接收端口。通过调节前馈支路中各组件的电压，使前馈支路的信号在接收端口处与从发射端口泄漏到接收端口的信号等幅反相，从而相互抵消，实现较低的功率泄漏。

结合图1，本发明的一种采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，包括相互连接的发射支路1、接收支路2、前馈支路3，其中发射支路1与接收支路2相连，发射支路1的输出端口即为接收支路2的输入端口，该端口同时为该有源准环行器的天线端口ANT；发射支路1的输入端口即为前馈支路3的输入端口，该端口同时为该有源准环行器的发射端口TX；接收支路2的输出端口即为前馈支路3的输出端口，该端口同时为该有源准环行器的接收端口RX。

所述发射支路1包括依次相连的第一耦合器4的直通支路、第一放大器6、无源隔离器7和无源环形器8的一条支路，其中第一耦合器4的直通支路输入端口即为发射支路1的输入端口，上述无源环形器7的该条支路输出端口即为发射支路1的输出端口；

接收支路2包括相互连接的无源环形器8的另一条支路第二耦合器5的直通支路，所述无源环形器8的另一条支路为发射支路1中无源环形器8中所述支路的相邻下一条支路，其中上述无源环形器8的另一条支路的输入端口即为接收支路2的输入端口，第二耦合器5的直通支路输出端口即为接收支路2输出端口；

前馈支路3包括依次相连的第一耦合器4的耦合支路、可调移相器9、可调衰减器10、第二放大器11和第二耦合器5的耦合支路，其中第一耦合器4的耦合支路输入端即为前馈支路3的输入端口，第二耦合器5的耦合支路输出端口即为前馈支路3的输出端口；

上述第一耦合器4和第二耦合器5的隔离端口均通过50欧姆电阻接地。

所述无源隔离器7为无源铁氧体隔离器或贴片隔离器；所述无源环形器8 为无源铁氧体环形器或贴片环形器。

所述第一耦合器4和第二耦合器5均为不等分耦合器，并且直通支路的传输系数大于耦合支路的传输系数。

所述第一放大器6为基于GaN晶体管的功率放大器。

所述可调移相器9为多位数字式可调移相器或反射式连续可调移相器；所述可调衰减器10为多位数字式可调衰减器或连续可调衰减器。

下面对本发明基于前馈抵消技术的GaN有源准环行器的测试进行详细描述：

本发明的测试：

1）发射支路的性能测试。将发射端口TX与天线端口ANT与仪器相连，此时需要将接收端口RX接匹配负载，这样可以得到与发射支路相对应的相关测试结果。

2）接收支路的性能测试。将天线端口ANT与接收端口RX与仪器相连，此时需要将发射端口TX接匹配负载，这样可以得到与接收支路相对应的相关测试结果。

3）功率泄漏特性的测试。将天线端口ANT接匹配负载，发射端口TX和接收端口RX与仪器相连后，给发射支路和前馈支路中的相关器件及电路加上相应的直流偏置电压，观察发射端口TX到接收端口RX的传输系数S31，通过调节可调衰减器的直流控制电压、可调移相器的控制电压以及放大器2的偏置电压，使得上述的传输系数S31在所设计的频率处具有尽可能低的值，即意味着实现了功率泄漏的抑制。

实例的仿真与测试结果：

对本发明的基于前馈抵消技术的GaN有源准环行器进行模拟仿真，其中心频率为1.8 GHz。

图2（a）− 图2（d）分别为该有源准环行器的小信号参数的仿真与测试结果对比。其中图2（a）中的曲线为该有源环行器中发射支路与接收支路的传输系数仿真与测试结果，从图中可以看出，在中心频率1.8 GHz处，发射支路的传输系数S21的测试值为14.4 dB，比仿真值14.9 dB小了0.5 dB；而接收支路的传输系数S32的传输系数为-1.97 dB，与仿真值-1.95 dB近似相等。图2（b）为该有源准环行器三个端口的回波损耗仿真与测试结果，从图中可以看出，在中心频率1.8 GHz处，三个端口的回波损耗（Sii，i = 1, 2, 3）分别为-24.5 dB、-17.6 dB、-19.4 dB，均与仿真值接近。而很显然，在全频段上S22的仿真值与测试值偏差最大，原因主要是仿真原理图中环行器的设置所造成。图2（c）为该有源环行器中各端口之间的隔离度仿真与测试结果，从图中可以看出，S12和S13均较高于42.3 dB，而测试得到的S23在中心频率附近最大为28.9 dB，最小为17.5 dB。图2（d）为在加与不加前馈支路的两种情况下，端口1 → 端口3的功率泄漏系数S31仿真与测试结果。其中不加前馈支路时的S31仅有仿真值，因为实际加工的结构仅为添加有前馈支路的有源准环行器结构。在测试S31时，通过调整可调移相器中加在变容管上的反偏电压，来控制前馈支路中信号的相位，而通过调整5位数字衰减器的五位控制电压及LDMOS管上的漏极偏压，来调整前馈支路中信号的幅度，使前馈支路上信号的幅度和相位与发射支路泄漏到接收端口的信号的幅度和相位等幅反相，从而抑制功率泄漏现象。从图2（d）中可以看出，在没有加前馈支路时，S31在1.8 GHz时为-8.1 dB，可以看成是发射端口到接收端口的传输系数为-8.1 dB，因此在没有加前馈支路时，这样的S31特性并不能满足环行器的基本要求；而在加了前馈支路后，通过仿真与测试中的调整后，可以发现S31在中心频率点的仿真与测试值分别达到了-48.7 dB与-35.1 dB，这样的S31特性完全能满足环行器的基本工作要求。将测试得到的S31与仿真中没加前馈支路时的S31相比，可以看出，前馈支路的引入可以很好地抑制发射端口（TX）到接收端口（RX）之间的功率泄漏现象，功率泄漏因此降低了27.0 dB。

以上为测试得到的所设计有源准环行器的小信号S参数，而本设计的另一个重点是GaN HEMT为发射支路带来的高功率容量，因此需要观察发射支路的大信号特性，而由于高功率设计，因此还需要考虑其发射支路的功率附加效率。大信号条件下的仿真与测试结果如图3所示。从图中可以看出，仿真得到的最高输出功率为40.6 dBm（11.5 W），对应的输入功率为27dBm，此时的PAE为54.4 %，1dB压缩点对应的输出功率为40.3 dBm（10.7 W），此时输入为26.5 dBm，PAE约为47.1 %；测试得到的发射支路的最大输出功率为41.1 dBm（12.8 W）, 1 dB压缩点输出功率为39.1 dBm（8.1 W），对应的输入功率为26.0 dBm（0.4 W），此时的功率附加效率为40.4 %；而最高功率附加效率为56.0 %，此时的输出功率为41.1 dBm。因此从仿真及测试结果可以看出，在发射支路上采用GaN HEMT设计的功率放大器不仅可以用来实现发射支路的高增益，还可以提高发射支路的功率容量。

而对于接收支路，由于从天线端口ANT接收到的信号通过无源环行器以及一个不等分耦合器的直通支路便直接到达接收端口RX，因此接收支路的功率容量实际上就是该支路上无源环行器的功率容量，根据所采购的无源环行器工作指标，可以得到接收支路的功率容量为100 W（CW）。

通过以上仿真及测试，最终验证了本发明基于前馈抵消技术的GaN有源准环行器具有高功率容量，高发射增益，同时具有低功率泄露的优越特性。

Claims (5)

1.一种采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，其特征在于，包括相互连接的发射支路[1]、接收支路[2]、前馈支路[3]，其中发射支路[1]与接收支路[2]相连，发射支路[1]的输出端口即为接收支路[2]的输入端口，该端口同时为该有源准环行器的天线端口[ANT]；发射支路[1]的输入端口即为前馈支路[3]的输入端口，该端口同时为该有源准环行器的发射端口[TX]；接收支路[2]的输出端口即为前馈支路[3]的输出端口，该端口同时为该有源准环行器的接收端口[RX]；所述发射支路[1]包括依次相连的第一耦合器[4]的直通支路、第一放大器[6]、无源隔离器[7]和无源环形器[8]的一条支路，其中第一耦合器[4]的直通支路输入端口即为发射支路[1]的输入端口，上述无源环形器[7]的该条支路输出端口即为发射支路[1]的输出端口；

接收支路[2]包括相互连接的无源环形器[8]的另一条支路第二耦合器[5]的直通支路，所述无源环形器[8]的另一条支路为发射支路[1]中无源环形器[8]中所述支路的相邻下一条支路，其中上述无源环形器[8]的另一条支路的输入端口即为接收支路[2]的输入端口，第二耦合器[5]的直通支路输出端口即为接收支路[2]输出端口；

前馈支路[3]包括依次相连的第一耦合器[4]的耦合支路、可调移相器[9]、可调衰减器[10]、第二放大器[11]和第二耦合器[5]的耦合支路，其中第一耦合器[4]的耦合支路输入端即为前馈支路[3]的输入端口，第二耦合器[5]的耦合支路输出端口即为前馈支路[3]的输出端口；

上述第一耦合器[4]和第二耦合器[5]的隔离端口均通过50欧姆电阻接地。

2.根据权利要求1所述的采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，其特征在于，所述无源隔离器[7]为无源铁氧体隔离器或贴片隔离器；所述无源环形器[8]为无源铁氧体环形器或贴片环形器。

3.根据权利要求1所述的采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，其特征在于，所述第一耦合器[4]和第二耦合器[5]均为不等分耦合器，并且直通支路的传输系数大于耦合支路的传输系数。

4.根据权利要求1所述的采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，其特征在于，第一放大器[6]为基于GaN晶体管的功率放大器。

5.根据权利要求1所述的采用前馈抵消法的GaN混合集成有源准环行器，其特征在于，所述可调移相器[9]为多位数字式可调移相器或反射式连续可调移相器；所述可调衰减器[10]为多位数字式可调衰减器或连续可调衰减器。