CN110995167B - 一种应用优化合成网络的内匹配功率管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用优化合成网络的内匹配功率管，属于基本电子电路的技术领域。本发明中的优化合成网络主要应用于多胞合成的内匹配功率管，通过将合成网络设计为非对称结构，减少各端口之间传输系数的幅度和相位不平衡性，降低了功率合成损耗，提升内匹配功率管的效率。

Description

一种应用优化合成网络的内匹配功率管

技术领域

本发明公开了一种应用优化合成网络的内匹配功率管，涉及一种内匹配功率管优化合成网络的设计，尤其涉及一种采用优化合成网络的输出匹配电路，属于基本电子电路的技术领域。

背景技术

无线通讯技术的迅猛发展对微波功率放大器的需求日益增多。现代电子装备和通信系统等领域的发展要求其工作带宽越来越宽，体积越来越小，同时具有较高的可靠性。微波功率放大器作为其中的关键部件，实现高频、宽带、高效率及大功率对整个系统至关重要。在大功率应用时，由于管芯的输入输出阻抗会随着栅宽的增加而减小，引线和管壳的寄生参量对性能影响十分严重，以至于直接采用管壳外的匹配方法比较困难，而且难以实现大功率输出，因而采用管壳内匹配技术就成为一种更优的选择。

在内匹配功率管中，常用双胞甚至更多胞功率管芯合成实现大功率输出。由于功率管芯的阻抗很低，需要在功率管芯的输入和输出端分别设计匹配网络，对管芯阻抗进行变换，提升管芯输入和输出端阻抗，对参与匹配的管芯进行功率分配和合成。通常情况下，在管芯的输入和输出端分别通过一级LC电路将阻抗提升至几欧姆至十几欧姆，然后通过合成网络进行功率合成并将阻抗匹配至50欧姆，合成网络同时具有功率合成和阻抗变换的作用。

以四胞功率管芯合成为例，合成网络应为四路合成器，由于单阶合成网络需要不同端口之间跨接电阻，使得采用平面电路形式在制作上产生困难。为了增加带宽和便于电路制作，通常采用阶梯式多节两路合成器。由于采用的功率管芯栅宽较大，阻抗较低，在电路设计中，为了便于阻抗变换，将单个功率管芯看作两个功率单元进行合成，所以四胞功率管芯的合成网络需要三阶两路合成器。在理想状态下，合成网络是对称的微带结构，即每一阶合成器都是对称结构才能使得每个端口传输的功率幅度和相位一致，此时合成损耗最小。但在实际工作中，相邻的微带线之间存在耦合，导致微带线电长度变小，因而对称结构的合成网络导致了不同端口传输的功率幅度和相位出现不平衡，致使合成损耗增大。

在千瓦级甚至更大功率的内匹配功率管中，合成网络的损耗会导致更大的功率损耗，这对实现高效、大功率的功放模块是非常不利的，因此亟需设计一种匹配度更优的合成网络。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种应用优化合成网络的内匹配功率管，通过将合成网络设计为非对称结构，减少了不同端口间不平衡性，降低合成损耗，提升功率管的效率，解决了大功率内匹配功率管因合成网络不平衡性导致的功率损耗和效率大幅降低的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明将一种优化的合成网络应用于内匹配功率管中，该合成网络为非对称结构设计，可以用于双胞、三胞、四胞及多胞管芯等大功率或超大功率内匹配器件合成。以四胞合成网络为例说明。该合成网络包括一个一级合成器，两个二级合成器，四个三级合成器，其中，一级合成器的两个功分端口分别与两个二级合成器的合成端口相连，二级合成器的两个功分端口分别与两个三级合成器的合成端口相连。其中，一级合成器为轴对称结构，关于第一对称轴对称；二级合成器为非对称结构，其合成端口与第二对称轴之间的偏移量为Δd1，且两个二级合成器关于第一对称轴镜像对称；三级合成器为非对称结构，其中，第一和第四个三级合成器关于第一对称轴镜像对称，其合成端口与第三对称轴之间的偏移量为Δd2，第二和第三个三级合成器关于第一对称轴镜像对称，其合成端口与第三对称轴之间的偏移量为Δd3。

所述的第一和第四个三级合成器的功分端微带线线宽分别为W1和W2，所述第二和第三个三级合成器的功分端微带线线宽分别为W3和W4。微带线线宽满足：W1＞W2＞W3＞W4。

所述合成网络包括9个端口，其中，P1为合成端，与功率管的管壳输出端口相连；P2-P9为功分端口，与预匹配后的功率管芯单元相连。

所述P2-P9端口之间通过薄膜电阻增加端口隔离度。

所述合成网络及薄膜电阻制作在同一陶瓷基板上，此陶瓷基板为99.6%氧化铝陶瓷。

本发明采用上述技术方案，并与现有技术相比，具有以下有益效果：该内匹配网络属于平面结构，易于设计调整，集成度高；体积小、却能用于大功率（百瓦、千瓦量级）的合成；同时还具有损耗低、成本低等优点；并且可以通过特定的非对称设计，减少了不同端口之间功率幅度和相位的不平衡性，降低了合成损耗，提高了功率管整体的输出功率和效率。

附图说明

图1为内匹配功率管的完整结构图。

图2为理想合成网络的拓扑图。

图3（a）和图3（b）为理想合成网络P1端口传输系数幅度和相位的仿真结果。

图4为根据图2的拓扑生成的合成网络结构版图。

图5（a）和图5（b）为根据图2的拓扑生成的合成网络结构版图仿真的各端口传输系数幅度和相位。

图6为本发明合成网络的结构图。

图7（a）和图7（b）为本发明合成网络的仿真的P2-P9端口到P1端口的传输系数幅度和相位。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

以四胞合成的功率管为例，其完整结构图如图1所示。为了便于阻抗变换，通常将单个管芯看作两个功率单元进行功率合成，每个功率单元通过一级LC电路将阻抗提升至12.5欧姆左右，然后通过合成网络进行功率合成并将阻抗变换至50欧姆，则匹配电路是一个具有阻抗变换效果的八路功率合成器。通常采用的合成电路原理图如图2所示，图中三阶合成器均为对称结构。P1为合成端口，端口阻抗为50欧姆，与管壳输出端相连；P2-P9端口阻抗为12.5欧姆左右，与预匹配好的功率单元相连。理想的电原理图仿真结果如图3（a）和图3（b）所示，可见每个端口到P1端口的传输系数幅度和相位保持一致。根据图2的电原理图生成的电路版图如图4所示，其中W1=W2=W3=W4，可见不同端口到合成端口的信号传输路径在结构上是相等的，但是由于功率在传输路径上经历了多次弯折，导致各个端口到合成端口的功率信号时延不同，且相邻的传输线之间存在互相耦合作用，各端口对应的传输线等效阻抗和电长度发生改变，不同端口的端口阻抗也发生改变，致使各端口到P1端口传输的功率幅度和相位出现不平衡，其仿真结果如图5（a）和图5（b）所示，可见不同端口到P1端口的传输系数幅度和相位出现差异，这种差异会导致合成损耗的增加，最终影响功率管的输出功率和效率。

为了改变这种不平衡性，本发明提出了一种优化的合成网络，其结构版图如图6所示，通过调节传输线的宽度，改变传输线阻抗，用以抵消互相耦合产生的影响，使不同传输线等效阻抗保持一致；并通过改变合成器合成端口位置，使其从原来的对称轴偏移一定位移，使得P2-P9端口到合成端口P1的传输线等效电长度相等，从而使其传输的功率时延保持一致，其仿真结果如图7（a）和图7（b）所示。从仿真结果可以看出，P2-P9端口到P1端口的传输系数幅度和相位基本保持一致，极大的改善了普通合成网络导致的传输系数幅度和相位的不平衡性，降低了合成损耗，提高了功率管的输出功率和工作效率。

综上所述，本发明提出了一种优化的合成网络应用于多胞合成的内匹配功率管，通过调节传输线的等效阻抗和电长度，使得不同的端口阻抗相等，传输的功率幅度和相位保持一致，减小了合成损耗，提高了内匹配功率管的功率和效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，应用于多胞功率管，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种优化合成网络，其特征在于：包括：

轴对称的第一级合成器，其两个功分端口分别与一个第二级合成器的合成端口连接，其合成端接管壳输出端口；

关于第一级合成器对称轴对称的第二级合成器，其功分端口分别与一个第三级合成器的合成端口连接，每个第二级合成器为非对称结构，每个第二级合成器的合成端口偏离该第二级合成器自身的对称轴；及，

关于第一级合成器对称轴对称的第三级合成器，其功分端口分别与一个单胞功率单元的输出匹配电路的输出端连接，每个第三级合成器为非对称结构，每个第三级合成器的合成端偏离该第三级合成器自身的对称轴。

2.根据权利要求1所述一种优化合成网络，其特征在于，各第三级合成器的合成端口之间连接有薄膜电阻。

3.根据权利要求1所述一种优化合成网络，其特征在于，该优化合成网络用于四胞管芯大功率内匹配功率管时，关于第一级合成器对称轴对称的第二级合成器有一组，关于第一级合成器对称轴对称的第三级合成器有两组，第一级合成器对称轴一侧的两个第三级合成器的四个功分端口微带线线宽为W4、W3、W2、W1，微带线线宽为W4、W3、W2、W1的四个功分端口与所述第一级合成器对称轴的距离逐渐增大，W1＞W2＞W3＞W4。

4.一种应用权利要求1至3中任意一项所述优化合成网络的内匹配功率管，其特征在于，包括输入预匹配网络、优化合成网络及各胞管芯，输入预匹配网络的输入端接管壳输入端口，接在各胞管芯栅极的输入匹配电路接在输入预匹配网络的输出端，接在各胞管芯源极的输出匹配电路与优化匹配网络中第三级合成器的功分端口连接。

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