CN110086440A - 超宽带一分四开关放大器及开关放大器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频毫米波开关技术领域，实施例具体公开一种超宽带一分四开关放大器及开关放大器系统。本申请利用两级Lange耦合器实现宽带功分，并将行波放大器结构与一分四开关结构相结合，用集总传输线结构吸收三极管输入输出电容，实现超宽带匹配，并通过控制4路行波放大器的偏置电压实现开关功能，从而提高了毫米波开关的带宽，将传统开关的损耗变为增益。
Description
技术领域
本发明涉及射频毫米波开关技术领域，具体涉及一种超宽带一分四开关放大器及开关放大器系统。
背景技术
射频毫米波开关主要应用于射频通道间的切换，例如在毫米波成像系统中，利用开关阵列一次切换通道开启实现高质量成像效果。射频毫米波开关一般以控制三极管偏置电压改变其阻抗，在开关开启状态阻抗匹配允许信号通过，在关闭状态阻抗失配对信号形成抑制。
传统射频毫米波开关为无源结构，通过三极管阻抗的变换形成对信号的通过或抑制；因为对于毫米波信号，三极管输入输出阻抗一般会偏离50ohm通用阻抗，需要通过无源网络(电感，电容)实现阻抗匹配，所以导致开关的带宽会受到限制，同时也会带来相应的损耗。因此，亟需提供一种射频毫米波开关解决在20-50GHz超宽带一分四开关的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种超宽带一分四开关放大器及超宽带开关系统，解决上述存在的问题。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种超宽带一分四开关放大器，包括第一Lange耦合器、第二Lange耦合器、第三Lange耦合器、第一行波放大器、第二行波放大器、第三行波放大器和第四行波放大器，其中，
第一Lange耦合器的输入端用于连接信号输入端，第一Lange耦合器的直通端连接第二Lange耦合器的输入端，第一Lange耦合器的耦合端连接第三Lange耦合器的输入端；
第二Lange耦合器的直通端连接第一行波放大器，第一行波放大器的输出端用于连接第一信号输出端，第一行波放大器的偏置电压端用于连接第一控制端；第二Lange耦合器的耦合端连接第二行波放大器，第二行波放大器的输出端用于连接第二信号输出端，第二行波放大器的偏置电压端用于连接第二控制端；
第三Lange耦合器的直通端连接第四行波放大器，第四行波放大器的输出端用于连接第四信号输出端，第四行波放大器的偏置电压端用于连接第四控制端；第三Lange耦合器的耦合端连接第三行波放大器，第三行波放大器的输出端用于连接第三信号输出端，第三行波放大器的偏置电压端用于连接第三控制端。
优选的，所述第一Lange耦合器的隔离端、第二Lange耦合器的隔离端和第三Lange耦合器的隔离端均连接吸收电阻。
优选的，所述第一行波放大器、第二行波放大器、第三行波放大器和第四行波放大器为相同的行波放大器，结构为：
包括依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线，所述第一微带线另一端用于连接输入端；
还包括依次连接的第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线和第十微带线，所述第六微带线的另一端通过第一电感连接到电源电压端，所述第十微带线另一端用于连接输出端；
还包括第一共源共栅结构放大器、第二共源共栅结构放大器、第三共源共栅结构放大器和第四共源共栅结构放大器；
所述第一共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第一微带线和所述第二微带线之间，所述第一共源共栅结构放大器的输出端连接在第六微带线和第七微带线之间；所述第二共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第二微带线和所述第三微带线之间，所述第二共源共栅结构放大器的输出端连接在第七微带线和第八微带线之间；所述第三共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第三微带线和所述第四微带线之间，所述第三共源共栅结构放大器的输出端连接在第八微带线和第九微带线之间；所述第四共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第四微带线和所述第五微带线之间，所述第四共源共栅结构放大器的输出端连接在第九微带线和第十微带线之间；
所述第一共源共栅结构放大器、第二共源共栅结构放大器、第三共源共栅结构放大器和第四共源共栅结构放大器的偏置电压端均连接到控制端。
优选的，所述第六微带线与所述第一电感之间连接有吸收电阻。
优选的，所述第五微带线的另一端连接有吸收电阻。
本发明还提供一种超宽带开关放大器系统，包括2个如上述的超宽带一分四开关放大器，所述2个超宽带一分四开关放大器并联连接。
本发明还提供一种超宽带开关放大器系统，包括5个如上述的超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第一输出端连接第二超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第二输出端连接第二超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第三输出端连接第三超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第四输出端连接第四超宽带一分四开关放大器。
本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：本申请利用两级Lange耦合器实现宽带功分，并将行波放大器结构与一分四开关结构相结合，用集总传输线结构吸收三极管输入输出电容，实现超宽带匹配，并通过控制4路行波放大器的偏置电压实现开关功能，从而提高了毫米波开关的带宽，将传统开关的损耗变为增益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种超宽带一分四开关放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种行波放大器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种超宽带开关放大器系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种超宽带开关放大器系统的结构示意图；
图中标记为：11-第一Lange耦合器，12-第二Lange耦合器，13-第三Lange耦合器，21-第一行波放大器，22-第二行波放大器，23-第三行波放大器，24-第四行波放大器，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻，L1-第一电感，X1-第一微带线，X2-第二微带线，X3-第三微带线，X4-第四微带线，X5-第五微带线，X6-第六微带线，X7-第七微带线，X8-第八微带线，X9-第九微带线，X10-第十微带线，31-第一共源共栅结构放大器，32-第二共源共栅结构放大器，33-第三共源共栅结构放大器，34-第四共源共栅结构放大器。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种超宽带一分四开关放大器，包括第一Lange耦合器11、第二Lange耦合器12、第三Lange耦合器13、第一行波放大器21、第二行波放大器22、第三行波放大器23和第四行波放大器24，其中，
第一Lange耦合器11的输入端用于连接信号输入端，第一Lange耦合器11的直通端连接第二Lange耦合器12的输入端，第一Lange耦合器11的耦合端连接第三Lange耦合器13的输入端；
第二Lange耦合器12的直通端连接第一行波放大器21，第一行波放大器21的输出端用于连接第一信号输出端，第一行波放大器21的偏置电压端用于连接第一控制端；第二Lange耦合器12的耦合端连接第二行波放大器22，第二行波放大器22的输出端用于连接第二信号输出端，第二行波放大器的偏置电压端用于连接第二控制端；
第三Lange耦合器13的直通端连接第四行波放大器24，第四行波放大器24的输出端用于连接第四信号输出端，第四行波放大器24的偏置电压端用于连接第四控制端；第三Lange耦合器13的耦合端连接第三行波放大器23，第三行波放大器23的输出端用于连接第三信号输出端，第三行波放大器23的偏置电压端用于连接第三控制端。
具体的，第一Lange耦合器11的隔离端连接吸收电阻R1，R1的另一端接地，第二Lange耦合器12的隔离端连接吸收电阻R2，R2的另一端接地，第三Lange耦合器13的隔离端连接吸收电阻R3，R3的另一端接地。R1，R2和R3均为50欧姆。
该实施例提供的超宽带一分四开关放大器，由两级Lange耦合器与四个行波放大器构成，标有50欧姆的电阻是吸收电阻。利用Lange耦合器与行波放大器的超宽带特性，实现4路输出在20-50GHz范围内的高平坦度，4路输出可由控制1端、控制2端、控制3端和控制4端分别控制通断。
如图2所示，本发明实施例还提供一种行波放大器，其中，第一行波放大器21、第二行波放大器22、第三行波放大器23和第四行波放大器24均为该行波放大器，结构为：
包括依次连接的第一微带线X1、第二微带线X2、第三微带线X3、第四微带线X4和第五微带线X5，第一微带线X1另一端用于连接输入端；
还包括依次连接的第六微带线X6、第七微带线X7、第八微带线X8、第九微带线X9和第十微带线X10，第六微带线X6的另一端通过第一电感L1连接到电源电压端，第十微带线X10另一端用于连接输出端；
还包括第一共源共栅结构放大器31、第二共源共栅结构放大器32、第三共源共栅结构放大器33和第四共源共栅结构放大器34；
第一共源共栅结构放大器31的输入端连接在第一微带线X1和第二微带线X2之间，第一共源共栅结构放大器31的输出端连接在第六微带线X6和第七微带线X7之间；第二共源共栅结构放大器32的输入端连接在第二微带线X2和第三微带线X3之间，第二共源共栅结构放大器32的输出端连接在第七微带线X7和第八微带线X8之间；第三共源共栅结构放大器33的输入端连接在第三微带线X3和第四微带线X4之间，第三共源共栅结构放大器33的输出端连接在第八微带线X8和第九微带线X9之间；第四共源共栅结构放大器34的输入端连接在第四微带线X4和第五微带线X5之间，第四共源共栅结构放大器34的输出端连接在第九微带线X9和第十微带线X10之间；
第一共源共栅结构放大器31、第二共源共栅结构放大器32、第三共源共栅结构放大器33和第四共源共栅结构放大器34的偏置电压端均连接到控制端。
具体的，第六微带线X6与第一电感L1之间连接有吸收电阻R5，R5另一端接地。
具体的，第五微带线X5的另一端连接有吸收电阻R4，R4的另一端接地。
该实施例提供的行波放大器，即图1中采用的行波放大器。行波放大器包含四个单元放大器，即共源共栅结构放大器(以微带线隔开)，每个单元放大器的偏置电压连在一起引出作为控制端口；单元放大器是由cascode放大器结构实现；R4和R5为50欧姆的吸收电阻。
行波放大器具有超宽带的特性，并且因为50欧姆吸收电阻的存在，在开启与关闭两个状态下均可以保证良好的阻抗匹配，使得整个一分四开关在20-50GHz范围内具有良好的平坦度，一致性与开关特性。并且，行波放大器具有一定增益，可以抵消两级Lange耦合器的损耗，使得整个一分四开关具有一定增益。
如图3所示，本发明实施例提供一种超宽带开关放大器系统，包括2个如图1所示的超宽带一分四开关放大器，2个超宽带一分四开关放大器并联连接。
这里并不限定仅采用2个超宽带一分四开关放大器并联，实际应用中也可以采用更多个数的一分四开关电路并联，以实现一分八开关，一分十二开关，一分十六开关等，开关个数为4的整数倍。
如图4所示，本发明实施例还提供一种超宽带开关放大器系统，包括5个如图1所示的超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第一输出端连接第二超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第二输出端连接第二超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第三输出端连接第三超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第四输出端连接第四超宽带一分四开关放大器。
这里并不限定仅采用5个超宽带一分四开关放大器并联，实际应用中也可以采用更多级数的一分四开关电路依次连接，以实现一分十六开关，一分六十四开关等，开关个数按4的指数倍增长。
本发明提供的超宽带一分四开关放大器，采用拓扑结构融合了两级Lange耦合器与四个行波放大器，具有超宽带的优点。通过对行波放大器偏置电压的调节，实现了对各路信号通断的控制。Lange耦合器与行波放大器中均含有50欧姆吸收电阻，使得开关在通/断状态中，均可实现输入输出阻抗匹配，具有带宽宽，回波反射小，稳定度高的优点。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超宽带一分四开关放大器，其特征在于，包括第一Lange耦合器、第二Lange耦合器、第三Lange耦合器、第一行波放大器、第二行波放大器、第三行波放大器和第四行波放大器，其中，
第一Lange耦合器的输入端用于连接信号输入端，第一Lange耦合器的直通端连接第二Lange耦合器的输入端，第一Lange耦合器的耦合端连接第三Lange耦合器的输入端；
第二Lange耦合器的直通端连接第一行波放大器，第一行波放大器的输出端用于连接第一信号输出端，第一行波放大器的偏置电压端用于连接第一控制端；第二Lange耦合器的耦合端连接第二行波放大器，第二行波放大器的输出端用于连接第二信号输出端，第二行波放大器的偏置电压端用于连接第二控制端；
第三Lange耦合器的直通端连接第四行波放大器，第四行波放大器的输出端用于连接第四信号输出端，第四行波放大器的偏置电压端用于连接第四控制端；第三Lange耦合器的耦合端连接第三行波放大器，第三行波放大器的输出端用于连接第三信号输出端，第三行波放大器的偏置电压端用于连接第三控制端。
2.根据权利要求1所述的超宽带一分四开关放大器，其特征在于，所述第一Lange耦合器的隔离端、第二Lange耦合器的隔离端和第三Lange耦合器的隔离端均连接吸收电阻。
3.根据权利要求1所述的超宽带一分四开关放大器，其特征在于，所述第一行波放大器、第二行波放大器、第三行波放大器和第四行波放大器为相同的行波放大器，结构为：
包括依次连接的第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线和第五微带线，所述第一微带线另一端用于连接输入端；
还包括依次连接的第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线和第十微带线，所述第六微带线的另一端通过第一电感连接到电源电压端，所述第十微带线另一端用于连接输出端；
还包括第一共源共栅结构放大器、第二共源共栅结构放大器、第三共源共栅结构放大器和第四共源共栅结构放大器；
所述第一共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第一微带线和所述第二微带线之间，所述第一共源共栅结构放大器的输出端连接在第六微带线和第七微带线之间；所述第二共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第二微带线和所述第三微带线之间，所述第二共源共栅结构放大器的输出端连接在第七微带线和第八微带线之间；所述第三共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第三微带线和所述第四微带线之间，所述第三共源共栅结构放大器的输出端连接在第八微带线和第九微带线之间；所述第四共源共栅结构放大器的输入端连接在所述第四微带线和所述第五微带线之间，所述第四共源共栅结构放大器的输出端连接在第九微带线和第十微带线之间；
所述第一共源共栅结构放大器、第二共源共栅结构放大器、第三共源共栅结构放大器和第四共源共栅结构放大器的偏置电压端均连接到控制端。
4.根据权利要求3所述的超宽带一分四开关放大器，其特征在于，所述第六微带线与所述第一电感之间连接有吸收电阻。
5.根据权利要求3所述的超宽带一分四开关放大器，其特征在于，所述第五微带线的另一端连接有吸收电阻。
6.一种超宽带开关放大器系统，其特征在于，包括2个如权利要求1所述的超宽带一分四开关放大器，所述2个超宽带一分四开关放大器并联连接。
7.一种超宽带开关放大器系统，其特征在于，包括5个如权利要求1所述的超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第一输出端连接第二超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第二输出端连接第二超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第三输出端连接第三超宽带一分四开关放大器，将第一超宽带一分四开关放大器的第四输出端连接第四超宽带一分四开关放大器。
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