CN109450392A - 一种分布式射随放大器 - Google Patents

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高怀
田婷
蔡士琦
王�锋
丁杰
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Abstract

本发明公开了一种分布式射随放大器，N级晶体管和N个偏置网络采用射随放大器的连接方式，各级晶体管的第三端(集电极或者漏极)还设置有时延网络，各级时延网络会补偿各自所在级场效应管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同，从而使得各级晶体管的输出信号叠加后可以得到最大的增益。由于没有基极/栅极人工传输线，简化了电路结构；没有基极/栅极吸收电阻及集电极/漏极吸收电阻，使得各级输出信号均会转换成有用信号，从而提高了分布式射随放大器的效率；此外，该电路结构随着工作频点的升高，各级晶体管的输出信号均得到相位补偿，使得最终的输出信号相位相同，提高了高频增益。

Description

一种分布式射随放大器
技术领域
本发明涉及分布式放大器技术领域，特别是涉及一种分布式射随放大器。
背景技术
传统分布式放大器的原理是将大信号有源器件分割成小器件，利用电感和晶体管的寄生电容构成人工传输线，这些晶体管通过人工传输线级联起来，减小了晶体管寄生参数对放大器性能的影响，且通过这些晶体管，使得输入信号经过晶体管放大耦合到输出传输线上，突破了增益带宽积的限制，能够在多倍频范围内得到较大的平坦增益。
请参照图1，以双极型晶体管为示例，图1为传统分布式放大器的结构示意图，该分布式放大器中，每一级晶体管构成一个增益单元。该分布式放大器为了使得晶体管产生的信号在放大器的输出端同相叠加，除了设置了集电极人工传输线，还设置了基极人工传输线、基极吸收电阻Rb和集电极吸收电阻Rc。但一方面，增加了电路结构的复杂度，且降低了分布式放大器的效率；另一方面，该电路结构中的每个晶体管的输出信号只有一半向右传输成为有用的信号，而向左传输的反向波则被基极和集电极的阻抗吸收，进一步降低了分布式放大器的效率。此外，随着电路工作频率的升高，人工传输线的损耗和寄生参数不能忽略，晶体管输出端的信号相位不再相同，叠加后不能得到最大的增益。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式射随放大器，没有基极/栅极人工传输线，简化了电路结构；没有基极/栅极吸收电阻及集电极/漏极吸收电阻，使得各级输出信号均会转换成有用信号，从而提高了分布式射随放大器的效率；此外，该电路结构随着工作频点的升高，各级晶体管的输出信号均得到相位补偿，使得最终的输出信号相位相同，提高了高频增益。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式射随放大器，包括N级晶体管、N个时延网络及N个偏置网络，N为不小于2的整数，其中：
第1级晶体管的第一端作为所述分布式射随放大器的输入端，第i级晶体管的第二端分别与第i+1级晶体管的第一端及第i偏置网络的第一端连接，第i偏置网络的第二端接地，第i级晶体管的第三端与第i时延网络的第一端连接，1≤i≤N-1；第N级晶体管的第二端通过第N偏置网络接地，第N级晶体管的第三端与第N时延网络的第一端接连；所有时延网络的第二端连接，且所有时延网络的第二端连接的公共端作为所述分布式射随放大器的输出端；各级时延网络用于补偿各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同；
所述晶体管的第一端为基极或者栅极，相应地，所述晶体管的第二端为发射极或者源极，所述晶体管的第三端为集电极或者漏极。
优选地，所述时延网络包括传输线、电感、电容和有源晶体管中任意一种或者多种的组合；
则各级时延网络具体用于通过改变所述传输线的特征阻抗和电长度，和/或，电感的感值，和/或，电容的容值，和/或，有源晶体管的尺寸或连接方式来补偿各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
优选地，所述偏置网络包括电阻、电容、电感和有源器件中任意一种或者多种的组合。
优选地，每级晶体管为一个晶体管或者多个晶体管的并联。
优选地，设置于所有时延网络的第二端连接的公共端与直流电源之间的扼流网络。
优选地，所述扼流网络包括扼流电感和/或扼流传输线。
优选地，所述晶体管为双极型晶体管。
优选地，所述双极型晶体管为双极结型晶体管BJT或者异质结双极型晶体管HBT或者绝缘栅场效应晶体管IGBT。
优选地，所述晶体管为单极型晶体管。
优选地，所述单极型晶体管为高电子迁移率场效应晶体管HEMT或者赝配高电子迁移率场效应晶体管pHEMT或者金属氧化物半导体晶体管MOS。
本发明提供了一种分布式射随放大器，N级晶体管和N个偏置网络采用射随放大器的连接方式，各级晶体管的第三端(集电极或者漏极)还设置有时延网络，各级时延网络会补偿各自所在级场效应管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同，从而使得各级晶体管的输出信号叠加后可以得到最大的增益。
可见，本申请提供了一种全新的基于射随放大器连接方式的分布式放大器，一方面，没有基极/栅极人工传输线，简化了电路结构；没有基极/栅极吸收电阻及集电极/漏极吸收电阻，使得各级输出信号均会转换成有用信号，从而提高了分布式射随放大器的效率；此外，该电路结构随着工作频点的升高，各级晶体管的输出信号均得到相位补偿，使得最终的输出信号相位相同，提高了高频增益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统分布式放大器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种分布式射随放大器的结构示意图；
图3为本发明提供的一种3级式分布式射随放大器的结构示意图；
图4为图3中的3级式分布式射随放大器的小信号等效电路图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种分布式射随放大器，没有基极/栅极人工传输线，简化了电路结构；没有基极/栅极吸收电阻及集电极/漏极吸收电阻，使得各级输出信号均会转换成有用信号，从而提高了分布式射随放大器的效率；此外，该电路结构随着工作频点的升高，各级晶体管的输出信号均得到相位补偿，使得最终的输出信号相位相同，提高了高频增益。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，图2为本发明提供的一种分布式射随放大器的结构示意图(图2中以晶体管为NPN型BJT/HBT为例)，该分布式射随放大器包括N级晶体管、N个时延网络及N个偏置网络，N为不小于2的整数，其中：
第1级晶体管Q1的第一端作为分布式射随放大器的输入端，第i级晶体管Qi的第二端分别与第i+1级晶体管Qi+1的第一端及第i偏置网络的第一端连接，第i偏置网络的第二端接地，第i级晶体管Qi的第三端与第i时延网络的第一端连接，1≤i≤N-1；第N级晶体管QN的第二端通过第N偏置网络接地，第N级晶体管QN的第三端与第N时延网络的第一端接连；所有时延网络的第二端连接，且所有时延网络的第二端连接的公共端作为分布式射随放大器的输出端；各级时延网络用于补偿各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同；
晶体管的第一端为基极或者栅极，相应地，晶体管的第二端为发射极或者源极，晶体管的第三端为集电极或者漏极。
具体地，本申请中提供的分布式射随放大器包括N级晶体管、N个延时模块及N个偏置网络，N级晶体管采用射随放大器的连接方式，即后一级晶体管的第一端(基极或者栅极)与前一级晶体管的第二端(发射极或者源极)连接，每级晶体管的第二端还通过偏置网络接地，偏置网络用于为后一级晶体管提供合理的偏置，同时进行阻抗匹配及频率补偿。
由于需要各级晶体管的第三端(集电极或者漏极)的输出信号同相叠加，为了使得叠加后的输出信号有着最大的增益，本申请在各级晶体管的第三端设置了时延网络，用于对各自所在级的晶体管的第三端输出信号的相位进行补偿，以使最终各级时延网络的输出信号的相位相同。其中，时延网络本质是对自身的容抗和/或感抗进行调整，以改变输出信号的相位。
为方便理解，下面以时延网络为传输线、晶体管为NPN型BJT/HBT为例对本实施例的原理作介绍：
设定各级传输线TL1、TL2…TLN的特征阻抗分别为Z1、Z2…ZN，物理长度分别为l1、l2…lN，电长度(也即信号时延)分别为θ1、θ2…θN，NPN型BJT/HBT的小信号直流电流放大倍数分别为β1、β2…βN。
为方便分析，假设每一级晶体管的性能参数一样，并且基极到集电极的信号时延为θc，基极到发射极的信号时延为θe。
对于第m级晶体管，其基极电流ibm＝k(m-1)ie(m-1)＝k(m-1)β(m-1)ib(m-1)，其中，k(m-1)为第m级基极电流与第m-1级发射极电流的分流系数，m为正整数且m∈[2，N]。
则每一级晶体管的输出信号iom为：
……
可以看出，当时，每一级晶体管的输出信号相位相同，叠加后可以得到最大增益。
具体地，请参照图3和图4，其中，图3为本发明提供的一种3级式分布式射随放大器的结构示意图(第3偏置网络为传输线)，每级晶体管由相同数量的NPN BJT/HBT晶体管并联构成，图4为图3中的3级式分布式射随放大器的小信号等效电路图。电路满足如下假设：
1、电路处于线性系统中，符合叠加原理；
2、NPN型BJT/HBT晶体管Q1、Q2和Q3的本征参数相同，即gm1＝gm2＝gm3＝gm，rb′e1＝rb′e2＝rb′e3＝rb′e，Cb′e1＝Cb′e2＝Cb′e3＝Cb′e；
其中，gm1、gm2、gm3分别为NPN BJT/HBT晶体管Q1、Q2和Q3的跨导，gm为等效跨导值；rb′e1、rb′e2、rb′e3分别为NPN BJT/HBT晶体管Q1、Q2和Q3的基极-发射极电阻，rb′e为等效基极-发射极电阻值；Cb′e1、Cb′e2、Cb′e3分别为NPN型三极管Q1、Q2和Q3的输入电容，Cb′e为等效输入电容值。
3、NPN BJT/HBT晶体管的本征交流等效模型仅考虑输入电容Cb′e，忽略基极体电阻rb′b和集电极-基极电容Cb′c。
根据传输线理论及戴维宁电路定理可以得到：
其中，为传输线TL1的负载反射系数。
为传输线TL2的负载反射系数。
为传输线TL3的负载反射系数。
为晶体管Q1的Cb′e1和rb′e1的并联阻抗值。
为晶体管Q2的Cb′e2和rb′e2的并联阻抗值。
为晶体管Q3的Cb′e3和rb′e3的并联阻抗值。
常数A1、A2、A3通常为复常量，是传输线电报方程的通解。
可以推导出：
考虑到gmrb′e远大于1，rb′e远大于R1、R2，则io1与ib1的相位差异io2与ib1的相位差异io3与ib1的相位差异分别为：
可以发现，在电路工作频段、器件的特性参数以及负载阻抗都确定的情况下，只需合理的设计传输线的特性阻抗Z1、Z2、Z3及时延θ1、θ2、θ3，使其满足即可使得输出信号的相位相同，得到最大的信号增益。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，时延网络包括传输线、电感、电容和有源晶体管中任意一种或者多种的组合；
则各级时延网络具体用于通过改变传输线的特征阻抗和电长度，和/或，电感的感值，和/或，电容的容值，和/或，有源晶体管的尺寸或连接方式来补偿各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
具体地，时延网络可以仅由传输线构成，上述实施例中也给出了以传输线为例子的分布式射随放大器，只需通过调整各个传输线的特征阻抗和电长度便可以使得各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
本实施例对于具体如何设置传输线的特性阻抗和电长度不作特别的限定，根据实际情况来定。
时延网络可以仅包括电感；
则各级时延网络用于通过改变电感的感值晶体管来调整各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
时延网络可以包括电感和与电感并联的电容；
则各级时延网络用于通过改变电感的感值及电容的容值晶体管来调整各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级晶体管的第三端的输出相位相同。
具体地，这里的时延网络还可以由电感构成，只需调整电感的感值，便可以使得各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
此外，这里的时延网络还可以由电感和电容构成，只需调整电感的感值和电容的容值便可以使得各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
本实施例对于具体如何设置电感的感值和电容的容值不作特别的限定，根据实际情况来定。
此外，还需要说明的是，这里的有源晶体管可以为所在级的晶体管，也可以为额外设置的晶体管，本申请在此不作特别的限定。
本申请对于时延网络的具体结构和组成不作特别的限定，能实现本发明的目的即可。
作为一种优选地实施例，偏置网络包括电阻、电容、电感和有源器件中任意一种或者多种的组合。
具体地，偏置网络具体用于为后一级晶体管提供合理的偏置，同时进行阻抗匹配以及频率补偿。各级偏置网络可以相同也可以不相同，此外，考虑到最后一级也即第N级偏置网络不存在后一级，因此，第N级偏置网络可以为传输线。当然，本实施例对于偏置网络的具体结构不作特别的限定，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，每级晶体管为一个晶体管或者多个晶体管的并联。
具体地，每一级晶体管的数量可以相同，也可以不相同。例如第一级是2只管子并联，第二级是8只管子并联，第三级是16只管子并联。本实施例对于每级晶体管具体选用哪种设计方式不作特别的限定，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，晶体管为双极型晶体管。
作为一种优选地实施例，双极型晶体管为双极结型晶体管BJT或者异质结双极型晶体管HBT或者绝缘栅场效应晶体管IGBT。
作为一种优选地实施例，双极型晶体管的掺杂方式为N型或者P型。
作为一种优选地实施例，晶体管为单极型晶体管。
作为一种优选地实施例，单极型晶体管为高电子迁移率场效应晶体管HEMT或者赝配高电子迁移率场效应晶体管pHEMT或者金属氧化物半导体晶体管MOS。
作为一种优选地实施例，单极型晶体管的掺杂方式为N型或者P型。
具体地，本实施例对于晶体管具体为哪种晶体管不作特别的限定，根据实际情况来定。
作为一种可选地实施例，还包括：
串联设置于第1级晶体管Q1的第一端的第一隔直流模块，用于去除输入信号中的直流成分。
作为一种可选地实施例，第一隔直流模块为第一隔直电容。
由于分布式射随放大器是对交流信号进行放大，因此，为了提高输出信号的纯净性，还可以在第1级晶体管Q1的输入端设置第一隔直流模块，用来将输入信号中的直流信号隔离掉，具体地，这里的第一隔直流模块可以为第一隔直电容，电路结构简单。当然，这里的第一隔直流模块也可以为其他的隔直流模块，根据实际情况来定。
作为一种可选地实施例，还包括：
设置于所有时延网络的输出端连接的公共端与负载之间的第二隔直流模块，用于去除输出信号中的直流成分。
作为一种可选地实施例，第二隔直流模块为第二隔直电容。
为了进一步提高输出信号的纯净性，除了在输入端设置第一隔直流模块，还可以在所有时延网络的输出端连接的公共端与负载之间的第二隔直流模块，用于去除输出信号中的直流成分。具体地，这里的第二隔直流模块可以为第二隔直电容，隔直流效果好。当然，这里的第二隔直流模块也可以为其他类型的隔直流模块，根据实际情况来定。
作为一种优选地实施例，还包括：设置于所有时延网络的输出端连接的公共端与直流电源之间的扼流网络。
作为一种优选地实施例，扼流网络包括扼流电感和/或扼流传输线。
具体地，扼流网络用来通直流，隔交流，进一步提高输出信号的纯净性。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种分布式射随放大器，其特征在于，包括N级晶体管、N个时延网络及N个偏置网络，N为不小于2的整数，其中：
第1级晶体管的第一端作为所述分布式射随放大器的输入端，第i级晶体管的第二端分别与第i+1级晶体管的第一端及第i偏置网络的第一端连接，第i偏置网络的第二端接地，第i级晶体管的第三端与第i时延网络的第一端连接，1≤i≤N-1；第N级晶体管的第二端通过第N偏置网络接地，第N级晶体管的第三端与第N时延网络的第一端接连；所有时延网络的第二端连接，且所有时延网络的第二端连接的公共端作为所述分布式射随放大器的输出端；各级时延网络用于补偿各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同；
所述晶体管的第一端为基极或者栅极，相应地，所述晶体管的第二端为发射极或者源极，所述晶体管的第三端为集电极或者漏极。
2.如权利要求1所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述时延网络包括传输线、电感、电容和有源晶体管中任意一种或者多种的组合；
则各级时延网络具体用于通过改变所述传输线的特征阻抗和电长度，和/或，电感的感值，和/或，电容的容值，和/或，有源晶体管的尺寸或连接方式来补偿各自所在级晶体管的第三端的输出信号的相位，以使各级时延网络的第二端的输出信号的相位相同。
3.如权利要求1所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述偏置网络包括电阻、电容、电感和有源器件中任意一种或者多种的组合。
4.如权利要求1所述的分布式射随放大器，其特征在于，每级晶体管为一个晶体管或者多个晶体管的并联。
5.如权利要求1所述的分布式射随放大器，其特征在于，还包括：
设置于所有时延网络的第二端连接的公共端与直流电源之间的扼流网络。
6.如权利要求5所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述扼流网络包括扼流电感和/或扼流传输线。
7.如权利要求1-6任一项所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述晶体管为双极型晶体管。
8.如权利要求7所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述双极型晶体管为双极结型晶体管BJT或者异质结双极型晶体管HBT或者绝缘栅场效应晶体管IGBT。
9.如权利要求1-6任一项所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述晶体管为单极型晶体管。
10.如权利要求9所述的分布式射随放大器，其特征在于，所述单极型晶体管为高电子迁移率场效应晶体管HEMT或者赝配高电子迁移率场效应晶体管pHEMT或者金属氧化物半导体晶体管MOS。
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