CN108923761A - 一种工作模式可切换的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作模式可切换的功率放大器，包括：输入模块、第一开关模块、小功率放大模块、第二开关模块、大功率放大模块和输出模块。在脉冲工作模式，第一开关模块和第二开关模块断开，大功率放大模块采用脉冲信号加电并对输入信号进行放大后通过输出模块进行输出。在连续波工作模式，大功率放大模块不工作，第一开关模块和第二开关模块闭合，小功率放大模块采用直流电加电并对输入信号进行放大后通过输出模块进行输出。本发明使得功率放大器电路可工作在脉冲和连续波两种状态下，在大功率放大过程中，信号不通过开关，从而降低了开关耐功率要求，具有更高的可靠性和更高的性能指标。

Description

一种工作模式可切换的功率放大器

技术领域

本发明涉及半导体微波集成电路技术领域，尤其涉及一种工作模式可切换的功率放大器。

背景技术

宽禁带氮化镓(GaN)半导体功率器件具备高温、大功率、抗辐射等特性，比砷化镓(GaAs)具有更优越的性能和更宽的应用前景。目前国内外均投入大量的人力物力开展GaNHEMT器件应用研究。半导体功率器件经过多年发展目前已应用于宽带电子战、卫星通讯、雷达等装备中，正逐步取代真空管和二代半导体器件。

针对新时期雷达的作战要求，为了实现多功能雷达，对功率放大器芯片提出了更高的工作要求。然而在于宽带大功率工作时，由于有大功率信号要通过，电路耐功率对其可靠性有非常大的影响，其次开关插损在大功率输出时，对系统效率的影响非常明显。综上，现有技术中，功率放大电路存在功率损耗以及效率低的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种工作模式可切换的功率放大器，旨在解决现有技术中功率放大电路存在功率损耗以及效率低的问题。

本发明实施例提供了一种工作模式可切换的功率放大器，包括：输入模块、第一开关模块、小功率放大模块、第二开关模块、大功率放大模块和输出模块。

输入模块分别与第一开关模块和大功率放大模块连接，小功率放大模块连接在第一开关模块与第二开关模块之间，输出模块分别与第二开关模块和大功率放大模块连接。

在脉冲工作模式，第一开关模块和第二开关模块断开，大功率放大模块采用脉冲信号加电并对输入信号进行放大后通过输出模块进行输出。

在连续波工作模式，大功率放大模块不工作，第一开关模块和第二开关模块闭合，小功率放大模块采用直流电加电并对输入信号进行放大后通过输出模块进行输出。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：提供一种可切换的开关匹配结构，使得功率放大器电路可工作在脉冲和连续波两种状态下，在脉冲工作模式中，大功率放大模块采用脉冲信号加电并对输入信号直接放大合成输出，信号不通过开关，从而降低了开关耐功率要求，提升了开关工作的可靠性具有更高的可靠性和更高的性能指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例提供的工作模式可切换的功率放大器的模块结构示意图；

图2为本发明的另一个实施例提供的工作模式可切换的功率放大器的模块结构示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的工作模式可切换的功率放大器的电路结构示意图；

图4为本发明的另一个实施例提供的工作模式可切换的功率放大器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细地描述。

图1示出了本发明一实施例所提供的一种工作模式可切换的功率放大器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，本发明实施例所提供的一种工作模式可切换的功率放大器，包括：输入模块100、第一开关模块200、小功率放大模块300、第二开关模块400、大功率放大模块500和输出模块600。

输入模块100分别与第一开关模块200和大功率放大模块500连接，小功率放大模块300连接在第一开关模块200与第二开关模块400之间，输出模块600分别与第二开关模块400和大功率放大模块500连接。

在脉冲工作模式，第一开关模块200和第二开关模块400断开，大功率放大模块500采用脉冲信号Vd2加电并对输入信号进行放大后通过输出模块600进行输出。

在连续波工作模式，大功率放大模块500不工作，第一开关模块200和第二开关模块400闭合，小功率放大模块300采用直流电Vd1加电并对输入信号进行放大后通过输出模块600进行输出。

这里可以定义，大功率放大模块为输出功率大于等于25W的放大电路，小功率放大模块为输出功率大于等于1W的放大电路。

本实施例中的功率放大器具有两种工作模式，包括：脉冲工作模式和连续波工作模式。

在脉冲工作模式，输入模块100接入输入信号，第一开关模块200和第二开关模块400断开，小功率放大模块300处于非工作状态，大功率放大模块500处于工作状态，大功率放大模块500的电源端接脉冲信号Vd2。

当输入模块100接入输入信号，第一开关模块200和第二开关模块400闭合，大功率放大模块500处于不工作状态，小功率放大模块300处于工作状态，小功率放大模块300的电源端接直流电Vd1。

可选地，通过控制大功率放大模块500和小功率放大模块300的通断电，来实现控制大功率放大模块500和小功率放大模块300的不工作状态和工作状态之间的切换。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，输入模块100的输出端与第一开关模块200的第一端和大功率放大模块500的输入端共接，第一开关模块200的第二端接小功率放大模块300的输入端，小功率放大模块300的输出端接第二开关模块400的第一端，第二开关模块400的第二端与大功率放大模块500的输出端共接输出模块600的输入端。

本发明实施例的目的就是提供一种可切换的开关匹配结构，使得功率放大器电路可工作在脉冲和连续波两种状态下，且指标满足雷达总体的要求。使得在脉冲工作模式的放大过程中，信号不通过开关，从而降低了开关耐功率要求，提升了开关工作的可靠性。由于大功率放大模块对输入信号直接放大合成输出，整个链路的效率较常规方案有明显的提升，具有更高的可靠性和更高的性能指标。

本发明实施例采用新型的匹配网络实现该功能，具有以下优点：

(1)性能指标明显高于传统方案。

(2)可靠性高。

(3)工艺简单，芯片集成度高。

图2示出了本发明的另一实施例所提供的一种工作模式可切换的功率放大器的模块结构。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，大功率放大模块500包括第一大功率放大单元510和第二大功率放大单元520，第一大功率放大单元510和第二大功率放大单元520并联接在输入模块100和输出模块600之间。

如图2所示，在一个实施例中，第一大功率放大单元510和第二大功率放大单元520对称分布在小功率放大模块300的两侧。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，第一大功率放大单元510和第二大功率放大单元520为结构相同的大功率放大单元，大功率放大单元包括：第一级放大子单元501、第二级放大子单元502和第三级放大子单元503。

第一级放大子单元501的输入端为大功率放大单元的输入端，第一级放大子单元501的输出端接第二级放大子单元502的输入端，第二级放大子单元502的第一输出端和第二输出端与第三级放大子单元503的第一输入端和第二输入端一一对应连接，第三级放大子单元503的输出端为大功率放大单元的输出端。

本实施例中，将大功率放大模块500分为两路，大功率放大模块500工作时，第一大功率放大单元510和第二大功率放大单元520的电源端均接脉冲信号Vd2，两路的大功率放大单元对输入信号进行放大后合成输出。

图3和图4示出了本发明一实施例所提供的一种工作模式可切换的功率放大器的部分电路结构。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，图1和2中的小功率放大模块300包括：第八功率管Q8、电感L32、电感L33、电感L34、电感L35、电感L36、电感L37、电容C22、电容C23、电容C25、电容C26和电阻R2。

电感L32的第一端为小功率放大模块300的输入端，电感L32的第二端接电容C22的第一端，电容C22的第二端接电感L33的第一端，电感L33的第二端与电感L34的第一端和第八功率管Q8的栅极共接，电感L34的第二端接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端分别接电容C25的第一端和第二直流电Vg，电容C25的第二端接地，第八功率管Q8的源极接地，第八功率管Q8的漏极接电感L35的第一端，电感L35的第二端与电感L36的第一端和电容C23的第一端共接，电感L36的第二端分别接电容C26的第一端和直流电Vd1，电容C26的第二端接地，电容C23的第二端接电感L37的第一端，电感L37的第二端为小功率放大模块300的输出端。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，图1和2中的输入模块100包括串联的电容和电阻。

具体地，输入模块100包括串联的电容C21和电感L31。电容C21的第一端为输入模块100的输入端，电容C21的第二端接电感L31的第一端，电感L31的第二端为输入模块100的输出端。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，图1和2中的输出模块600包括串联的电容和电阻。

具体地，输出模块600包括串联的电容C24和电感L38。电感L38的第一端为输出模块600的输入端，电感L38的第二端接电容C24的第一端，电容C24的第二端为输出模块600的输出端。

如图3所示，第一开关模块200包括第一开关S1。

如图3所示，第二开关模块400包括第二开关S2。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，图2中的第一级放大子单元501包括：第一功率管Q1、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电阻R1。

电感L1的第一端为第一级放大子单元501的输入端，电感L1的第二端与第一功率管Q1的栅极和电感L2的第一端共接，电感L2的第二端接电阻R1的第一端，电阻R1的第二端分别接电容C2的第一端和第二直流电Vg，电容C2的第二端接地，第一功率管Q1的源极接地，第一功率管Q1的漏极接电感L3的第一端，电感L3的第二端与电容C1的第一端和电感L4的第一端共接，电感L4的第二端分别接电容C3的第一端和脉冲信号Vd2，电容C3的第二端接地，电容C1的第二端接电感L5的第一端，电感L5的第二端与电感L6的第一端共接形成第一级放大子单元501的输出端，电感L6的第二端分别接电容C4的第一端和第二直流电Vg，电容C4的第二端接地。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，图2中的第二级放大子单元502包括：第二功率管Q2、第三功率管Q3、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电感L11、电感L12、电感L25、电感L26、电感L27、电感L28、电容C5、电容C6、电容C7、电容C10、电容C11和电容C12。

电感L7的第一端和电感L8的第一端共接形成第二级放大子单元502的输入端，电感L7的第二端接第二功率管Q2的栅极，第二功率管Q2的源极接地，第二功率管Q2的漏极接电感L25的第一端，电感L25的第二端与电感L26的第一端和电容C12的第一端共接，电感L26的第二端分别接电容C10的第一端和脉冲信号Vd2，电容C10的第二端接地，电容C12的第二端接电感L27的第一端，电感L27的第二端与电感L28的第一端共接形成第二级放大子单元502的第一输出端，电感L28的第二端分别接电容C11的第一端和第二直流电Vg，电容C11的第二端接地。

电感L8的第二端接第三功率管Q3的栅极，第三功率管Q3的源极接地，第三功率管Q3的漏极接电感L9的第一端，电感L9的第二端与电感L10的第一端和电容C5的第一端共接，电感L10的第二端分别接电容C6的第一端和脉冲信号Vd2，电容C6的第二端接地，电容C5的第二端接电感L11的第一端，电感L11的第二端与电感L12的第一端共接形成第二级放大子单元502的第二输出端，电感L12的第二端分别接电容C7的第一端和第二直流电Vg，电容C7的第二端接地。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，图2中的第三级放大子单元503包括：第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、电感L13、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电感L19、电感L20、电感L21、电感L22、电感L23、电感L24、电感L29、电容C13、电容C8和电容C9。

电感L13的第一端和电感L14的第一端共接形成第三级放大子单元503的第一输入端，电感L13的第二端接第四功率管Q4的栅极，第四功率管Q4的源极接地，第四功率管Q4的漏极接电感L17的第一端，电感L14的第二端接第五功率管Q5的栅极，第五功率管Q5的源极接地，第五功率管Q5的漏极接电感L18的第一端，电感L17的第二端与电感L18的第二端、电感L21的第一端和电感L29的第一端共接，电感L29的第二端分别接电容C13的第一端和脉冲信号Vd2，电容C13的第二端接地。

电感L15的第一端和电感L16的第一端共接形成第三级放大子单元503的第二输入端，电感L15的第二端接第六功率管Q6的栅极，第六功率管Q6的源极接地，第六功率管Q6的漏极接电感L19的第一端，电感L16的第二端接第七功率管Q7的栅极，第七功率管Q7的源极接地，第七功率管Q7的漏极接电感L20的第一端，电感L19的第二端与电感L20的第二端、电感L22的第一端和电感L23的第一端共接，电感L23的第二端分别接电容C9的第一端和脉冲信号Vd2，电容C9的第二端接地。

电感L21的第二端与电感L22的第二端、电容C8的第一端和电感L24的第一端共接，电容C8的第二端接地，电感L24的第二端为第三级放大子单元503的输出端。

需要说明的是，本发明说明书和附图中标号相同的端口或引脚即为连通。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，包括：输入模块、第一开关模块、小功率放大模块、第二开关模块、大功率放大模块和输出模块；

所述输入模块分别与所述第一开关模块和所述大功率放大模块连接，所述小功率放大模块连接在所述第一开关模块与所述第二开关模块之间，所述输出模块分别与所述第二开关模块和所述大功率放大模块连接；

在脉冲工作模式，所述第一开关模块和所述第二开关模块断开，所述大功率放大模块采用脉冲信号加电并对输入信号进行放大后通过所述输出模块进行输出；

在连续波工作模式，所述大功率放大模块不工作，所述第一开关模块和所述第二开关模块闭合，所述小功率放大模块采用直流电加电并对输入信号进行放大后通过所述输出模块进行输出。

2.如权利要求1所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述输入模块的输出端与所述第一开关模块的第一端和所述大功率放大模块的输入端共接，所述第一开关模块的第二端接所述小功率放大模块的输入端，所述小功率放大模块的输出端接所述第二开关模块的第一端，所述第二开关模块的第二端与所述大功率放大模块的输出端共接所述输出模块的输入端。

3.如权利要求1或2所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述大功率放大模块包括第一大功率放大单元和第二大功率放大单元，所述第一大功率放大单元和所述第二大功率放大单元并联接在所述输入模块和所述输出模块之间。

4.如权利要求3所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述第一大功率放大单元和所述第二大功率放大单元为结构相同的大功率放大单元，所述大功率放大单元包括：第一级放大子单元、第二级放大子单元和第三级放大子单元；

所述第一级放大子单元的输入端为所述大功率放大单元的输入端，所述第一级放大子单元的输出端接所述第二级放大子单元的输入端，所述第二级放大子单元的第一输出端和第二输出端与所述第三级放大子单元的第一输入端和第二输入端一一对应连接，所述第三级放大子单元的输出端为所述大功率放大单元的输出端。

5.如权利要求4所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述第一级放大子单元包括：第一功率管Q1、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5、电感L6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电阻R1；

所述电感L1的第一端为所述第一级放大子单元的输入端，所述电感L1的第二端与所述第一功率管Q1的栅极和所述电感L2的第一端共接，所述电感L2的第二端接所述电阻R1的第一端，所述电阻R1的第二端分别接所述电容C2的第一端和第二直流电，所述电容C2的第二端接地，所述第一功率管Q1的源极接地，所述第一功率管Q1的漏极接所述电感L3的第一端，所述电感L3的第二端与所述电容C1的第一端和所述电感L4的第一端共接，所述电感L4的第二端分别接所述电容C3的第一端和脉冲信号，所述电容C3的第二端接地，所述电容C1的第二端接所述电感L5的第一端，所述电感L5的第二端与所述电感L6的第一端共接形成所述第一级放大子单元的输出端，所述电感L6的第二端分别接所述电容C4的第一端和所述第二直流电，所述电容C4的第二端接地。

6.如权利要求4所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述第二级放大子单元包括：第二功率管Q2、第三功率管Q3、电感L7、电感L8、电感L9、电感L10、电感L11、电感L12、电感L25、电感L26、电感L27、电感L28、电容C5、电容C6、电容C7、电容C10、电容C11和电容C12；

电感L7的第一端和电感L8的第一端共接形成第二级放大子单元502的输入端，电感L7的第二端接第二功率管Q2的栅极，第二功率管Q2的源极接地，第二功率管Q2的漏极接电感L25的第一端，电感L25的第二端与电感L26的第一端和电容C12的第一端共接，电感L26的第二端分别接电容C10的第一端和脉冲信号，电容C10的第二端接地，电容C12的第二端接电感L27的第一端，电感L27的第二端与电感L28的第一端共接形成第二级放大子单元502的第一输出端，电感L28的第二端分别接电容C11的第一端和第二直流电，电容C11的第二端接地。

电感L8的第二端接第三功率管Q3的栅极，第三功率管Q3的源极接地，第三功率管Q3的漏极接电感L9的第一端，电感L9的第二端与电感L10的第一端和电容C5的第一端共接，电感L10的第二端分别接电容C6的第一端和脉冲信号，电容C6的第二端接地，电容C5的第二端接电感L11的第一端，电感L11的第二端与电感L12的第一端共接形成第二级放大子单元502的第二输出端，电感L12的第二端分别接电容C7的第一端和第二直流电，电容C7的第二端接地。

7.如权利要求4所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述第三级放大子单元包括：第四功率管Q4、第五功率管Q5、第六功率管Q6、第七功率管Q7、电感L13、电感L14、电感L15、电感L16、电感L17、电感L18、电感L19、电感L20、电感L21、电感L22、电感L23、电感L24、电感L29、电容C13、电容C8和电容C9；

所述电感L13的第一端和所述电感L14的第一端共接形成所述第三级放大子单元的第一输入端，所述电感L13的第二端接所述第四功率管Q4的栅极，所述第四功率管Q4的源极接地，所述第四功率管Q4的漏极接所述电感L17的第一端，所述电感L14的第二端接所述第五功率管Q5的栅极，所述第五功率管Q5的源极接地，所述第五功率管Q5的漏极接所述电感L18的第一端，所述电感L17的第二端与所述电感L18的第二端、所述电感L21的第一端和电感L29的第一端共接，电感L29的第二端分别接电容C13的第一端和脉冲信号，电容C13的第二端接地；

所述电感L15的第一端和所述电感L16的第一端共接形成所述第三级放大子单元的第二输入端，所述电感L15的第二端接所述第六功率管Q6的栅极，所述第六功率管Q6的源极接地，所述第六功率管Q6的漏极接所述电感L19的第一端，所述电感L16的第二端接所述第七功率管Q7的栅极，所述第七功率管Q7的源极接地，所述第七功率管Q7的漏极接所述电感L20的第一端，所述电感L19的第二端与所述电感L20的第二端、所述电感L22的第一端和所述电感L23的第一端共接，所述电感L23的第二端分别接所述电容C9的第一端和脉冲信号，所述电容C9的第二端接地；

所述电感L21的第二端与所述电感L22的第二端、所述电容C8的第一端和所述电感L24的第一端共接，所述电容C8的第二端接地，所述电感L24的第二端为所述第三级放大子单元的输出端。

8.如权利要求1或2所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述小功率放大模块包括：第八功率管Q8、电感L32、电感L33、电感L34、电感L35、电感L36、电感L37、电容C22、电容C23、电容C25、电容C26和电阻R2；

所述电感L32的第一端为所述小功率放大模块的输入端，所述电感L32的第二端接所述电容C22的第一端，所述电容C22的第二端接所述电感L33的第一端，所述电感L33的第二端与所述电感L34的第一端和所述第八功率管Q8的栅极共接，所述电感L34的第二端接所述电阻R2的第一端，所述电阻R2的第二端分别接所述电容C25的第一端和第二直流电，所述电容C25的第二端接地，所述第八功率管Q8的源极接地，所述第八功率管Q8的漏极接所述电感L35的第一端，所述电感L35的第二端与所述电感L36的第一端和所述电容C23的第一端共接，所述电感L36的第二端分别接所述电容C26的第一端和直流电，所述电容C26的第二端接地，所述电容C23的第二端接所述电感L37的第一端，所述电感L37的第二端为所述小功率放大模块的输出端。

9.如权利要求1或2所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述输入模块包括串联的电感和电阻。

10.如权利要求1或2所述的工作模式可切换的功率放大器，其特征在于，所述输出模块包括串联的电感和电阻。