CN111293999B - 一种宽带可重构功率放大器和雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带可重构功率放大器及雷达系统，其中宽带可重构功率放大器包括：输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块、输出可重构匹配网络模块以及供电控制模块。供电控制模块用于在选择宽带大功率模式时控制：超宽带低功率放大器模块偏置掉电，宽带大功率放大器模块偏置上电，输入可重构匹配网络模块重构为大功率输入匹配网络，输出可重构匹配网络模块重构为大功率输出匹配网络；供电控制模块用于在选择超宽带低功率线性放大模式时控制：宽带大功率放大器模块偏置掉电，超宽带低功率放大器模块偏置上电，输入可重构匹配网络模块重构为低功率输入匹配网络，输出可重构匹配网络模块重构为低功率输出匹配网络。

Description

一种宽带可重构功率放大器和雷达系统

技术领域

本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种大动态范围的宽带可重构功率放大器及采用该宽带可重构功率放大器的雷达系统。

背景技术

随着有源相控阵雷达的发展，新型多功能雷达除了传统的雷达探测功能，还需具备通信功能，集成雷达探测与通信一体化的新型多功能雷达成为当前的热门研究方向。雷达探测与通信一体系统除了可以达到最大化频谱利用率，还可以共用软硬件，使得整个雷达与通信系统更加小型化、简洁化、高效化。其中硬件系统的多模式化、多功能化是雷达模式和通信模式能够共用硬件系统的基础。

微波T/R(Transmit/Receive)模块是整个硬件系统中重要的射频前端，集成雷达信号和通信信号两种处理模式是发展硬件共用系统的难点之一。而功率放大器又是微波T/R模块发射链路中的关键器件，无论是雷达扫描信号还是通信信号都需要经过放大器功率放大后才能远距离传输。通常雷达信号需要放大器处于饱和高功率状态，而通信信号则需要放大器处于低功率高线性状态，而两种信号的功率量级往往差别较大（10dB以上），大功率雷达信号的发射功率往往在20W（43dBm）以上，而低功率通信信号的发射功率基本在1W（30dBm）以下，能同时满足雷达探测与通信的功率放大器需要具备较大的动态范围。传统的能满足一定输出动态范围的功率放大器方案有Doherty功率放大器、包络跟踪（ET）功率放大器和多路放大器采用开关切换的方案。传统的Doherty和ET方案基本无法实现10dB以上的大动态范围，工作带宽和/或瞬时带宽均受到一定限制。多路放大器开关切换的方案虽然可以满足带宽和动态范围的需求，但开关的损耗较大，尤其是大功率射频开关，因此往往效率较低，且芯片面积较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有功率放大器无法实现大动态范围或者效率低、体积大的缺陷，提供一种大动态范围的宽带可重构功率放大器及雷达系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带可重构功率放大器，包括：输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块、输出可重构匹配网络模块以及供电控制模块；

所述输入可重构匹配网络模块具有输入公共端、大功率匹配输出端和低功率匹配输出端；其中所述输入公共端连接至宽带可重构功率放大器的外部射频输入端，所述宽带大功率放大器模块的输入端与所述大功率匹配输出端连接，所述超宽带低功率放大器模块的输入端与所述低功率匹配输出端连接；

所述输出可重构匹配网络模块具有大功率匹配输入端、低功率匹配输入端和输出公共端，分别连接至所述宽带大功率放大器模块的输出端、所述超宽带低功率放大器模块的输出端和所述宽带可重构功率放大器的射频输出端；

所述供电控制模块与所述输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块和输出可重构匹配网络模块连接；

所述供电控制模块用于在选择宽带大功率模式时发送信号控制各个模块工作在以下状态：所述超宽带低功率放大器模块偏置掉电，所述宽带大功率放大器模块偏置上电，所述输入可重构匹配网络模块重构为大功率输入匹配网络，所述输出可重构匹配网络模块重构为大功率输出匹配网络，使射频信号输入到所述大功率输入匹配网络进入宽带大功率放大器模块放大后，由大功率输出匹配网络至射频输出端输出；

所述供电控制模块用于在选择超宽带低功率线性放大模式时发送信号控制各个模块工作在以下状态：所述宽带大功率放大器模块偏置掉电，所述超宽带低功率放大器模块偏置上电，所述输入可重构匹配网络模块重构为低功率输入匹配网络，所述输出可重构匹配网络模块重构为低功率输出匹配网络，使射频信号输入到所述低功率输入匹配网络进入超宽带低功率放大器模块放大后，由低功率输出匹配网络至射频输出端输出。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述输出可重构匹配网络模块包括大功率输出匹配单元、低功率输出匹配单元和输出切换单元；所述大功率输出匹配单元的输入端与所述宽带大功率放大器模块的输出级场效应管的寄生输出端连接；所述低功率输出匹配单元的输入端与所述超宽带低功率放大器模块的输出级场效应管的寄生输出端连接；所述输出切换单元的第一输入端与所述大功率输出匹配单元的输出端连接，所述输出切换单元的第二输入端与所述低功率输出匹配单元的输出端连接，所述输出切换单元的输出端连接至输出可重构匹配网络模块的输出公共端，且所述输出切换单元根据所述供电控制模块的控制信号切换大功率输出匹配单元或者所述低功率输出匹配单元工作。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述输出切换单元包括：第九电感至第十一电感、第五电容至第六电容、第一场效应管和第二场效应管；所述第九电感、第十一电感和第六电容串联在所述输出切换单元的第一输入端与所述输出切换单元的输出端之间；所述第九电感和第十一电感之间的节点通过第五电容接地，同时通过第十电感连接所述输出切换单元的第二输入端，且所述输出切换单元的第一输入端通过第一场效应管接地，所述输出切换单元的第二输入端通过第二场效应管接地，并且第一场效应管和第二场效应管的栅极连接至所述供电控制模块。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述大功率输出匹配单元包括：第一电感至第五电感、第一电容至第三电容；第一电感、第三电感、第四电感、第五电感和第三电容依次串联在所述大功率输出匹配单元的输入端与输出端之间；第一电感和第三电感之间的节点通过第二电感接地，第三电感和第四电感之间的节点通过第一电容接地，第四电感和第五电感之间的节点通过第二电容接地。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述低功率输出匹配单元包括：第六电感至第八电感、第四电容；所述第六电感、第四电容和第八电感串联在所述低功率输出匹配单元的输入端和输出端之间；所述第六电感和第四电容之间的节点通过第七电感接地。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述输入可重构匹配网络模块包括输入切换单元、大功率输入匹配单元和低功率输入匹配单元；所述大功率输入匹配单元的输入端与输入切换单元的第一输出端连接，大功率输入匹配单元的输出端连接至所述输入可重构匹配网络模块的大功率匹配输出端；所述低功率输入匹配单元的输入端与输入切换单元的第二输出端连接，低功率输入匹配单元的输出端连接至所述输入可重构匹配网络模块的低功率匹配输出端；所述输入切换单元的第一输入端与所述输入可重构匹配网络模块的输入公共端连接，且所述输入切换单元根据所述供电控制模块的控制信号切换大功率输入匹配单元或者低功率输入匹配单元工作。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述输入切换单元包括：第十二电感至第十四电感、第七电容至第八电容、第三场效应管和第四场效应管；第七电容、第十二电感、第十四电感串联在所述输入切换单元的第一输入端与所述输入切换单元的第一输出端之间；第十二电感和第十四电感之间的节点还通过第八电容接地，同时通过第十三电感连接所述输入切换单元的第二输出端；并且第三场效应管和第四场效应管的栅极连接至所述供电控制模块。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述大功率输入匹配单元包括：第十五电感至第十七电感、第一电阻、第九电容至第十一电容；第九电容、第十五电感和第十六电感，以及并联的第一电阻和第十一电容一起依次串联在所述大功率输入匹配单元的输入端和输出端之间；且第十五电感和第十六电感之间的节点通过第十电容接地，第十七电感连接在第十六电感和第一电阻之间的节点与地之间。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述低功率输入匹配单元包括：第十八电感至第二十电感、第二电阻、第十二电容至第十三电容；第十九电感、第十二电容和第十八电感，以及并联的第二电阻和第十三电容一起依次串联在所述低功率输入匹配单元的输入端和输出端之间；且第十二电容和第十八电感之间的节点通过第二十电感接地。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述宽带大功率放大器模块包括：第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一中间级匹配网络和第二中间级匹配网络；所述第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器分别包括一个、两个和八个场效应管，且均由所述供电控制模块提供偏置电压；所述宽带大功率放大器模块的输入信号经过第一级放大器放大后，通过第一中间级匹配网络平均分为两路分别输入到第二级放大器的两个场效应管放大后，每一路又通过一个第二中间级匹配网络平均分为四路分别输入到第三级放大器的八个场效应管放大，共得到八路输出信号。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述超宽带低功率放大器模块包括：第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一中间级匹配网络和第二中间级匹配网络；所述第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器均包括一个场效应管，且均由所述供电控制模块提供偏置电压；

所述超宽带低功率放大器模块的输入信号经过第一级放大器放大后，通过第一中间级匹配网络输入到第二级放大器放大后，再通过第二中间级匹配网络输入到第三级放大器放大后输出。

在根据本发明所述的宽带可重构功率放大器中，优选地，所述输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块、输出可重构匹配网络模块以及供电控制模块均集成在同一芯片中。

本发明还提供了一种雷达系统，包括如前所述的宽带可重构功率放大器，用于对雷达扫描信号和通信信号进行功率放大后发送；所述宽带可重构功率放大器通过所述外部射频输入端接收雷达扫描信号时，切换至宽带大功率模式工作，并通过所述射频输出端输出功率放大后的雷达扫描信号；所述宽带可重构功率放大器通过所述外部射频输入端接收通信信号时，切换至超宽带低功率线性放大模式工作，并通过所述射频输出端输出功率放大后的通信信号。

实施本发明的宽带可重构功率放大器及采用该宽带可重构功率放大器的雷达系统，具有以下有益效果：

1、本发明的大动态范围宽带可重构放大器提供了宽带大功率高效率输出模式和超宽带低功率线性输出模式，两种模式具有功率变化动态范围大、带宽变化范围宽的优点。为新型雷达侦测与通信一体化系统提供了更加高效、简洁、紧凑的T/R模块解决方案。本发明所阐述的模式可重构放大器结构并不局限于实施例中的具体工作频段，也可以应用到其它频段的两路不同功率量级的放大器重构方案中。

2、本发明的宽带可重构功率放大器的输出匹配网络模块采用了可重构宽带滤波器的设计思想，既实现了传统的开关切换模式功能，又达到了每路最优匹配的效果，同时结构简单、面积紧凑。充分利用并联HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管）器件导通时等效为并联电容和截止时等效为到地电阻的模型特性，将并联HEMT器件融合为宽带滤波器的一部分，同时融合各路放大器输出管芯的漏源寄生电容和漏极寄生电感，使网络匹配端面直接到管芯电流源端面而不是输出寄生端面，输出端直接匹配到50欧姆，避免了中间过渡阻抗匹配。所以整个输出可重构匹配网络在两种模式下，每一路的带宽拓展、损耗降低、匹配最优，进而提高整个放大器的带宽和效率。

3、本发明的宽带可重构功率放大器采用高功率密度、高耐压的0.25um GaN HEMT工艺集成到同一块SiC衬底MMIC芯片上，具有面积小、集成度高、大功率高效率、低功率高线性、可靠性高等特点。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器的原理框图；

图2为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器的宽带大功率模式原理框图；

图3为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器的超宽带低功率线性放大模式原理框图；

图4为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输出可重构匹配网络模块的电路原理图；

图5为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输出可重构匹配网络模块重构为大功率输出匹配网络的等效电路图；

图6为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输出可重构匹配网络模块重构为低功率输出匹配网络的等效电路图；

图7为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输入可重构匹配网络模块的电路原理图；

图8为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输入可重构匹配网络模块重构为大功率输入匹配网络的等效电路图；

图9为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输入可重构匹配网络模块重构为低功率输入匹配网络的等效电路图；

图10为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中宽带大功率放大器模块的电路原理图；

图11为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中超宽带低功率放大器模块的电路原理图。

具体实施方式

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的一部分实施例，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的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。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器的原理框图。如图1所示，该实施例提供的宽带可重构功率放大器包括：输入可重构匹配网络模块100、宽带大功率放大器模块200、超宽带低功率放大器模块300、输出可重构匹配网络模块400以及供电控制模块500。

其中输入可重构匹配网络模块100具有输入公共端、大功率匹配输出端和低功率匹配输出端。其中输入公共端连接至宽带可重构功率放大器的外部射频输入端RF_in，宽带大功率放大器模块200的输入端与输入可重构匹配网络模块100的大功率匹配输出端连接，超宽带低功率放大器模块300的输入端与输入可重构匹配网络模块100的低功率匹配输出端连接。

输出可重构匹配网络模块400具有大功率匹配输入端、低功率匹配输入端和输出公共端，分别连接至宽带大功率放大器模块200的输出端、超宽带低功率放大器模块300的输出端和宽带可重构功率放大器的射频输出端RF_out。

供电控制模块500与输入可重构匹配网络模块100、宽带大功率放大器模块200、超宽带低功率放大器模块300和输出可重构匹配网络模块400连接。

本发明的宽带可重构功率放大器可以工作两种工作模式：宽带大功率模式或者超宽带低功率线性放大模式。下面对两种模式的电路工作状态进行具体介绍。

请结合参阅图2，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器的宽带大功率模式原理框图。如图1和2所示，供电控制模块500用于在选择宽带大功率模式时发送信号控制各个模块工作在以下状态：超宽带低功率放大器模块300偏置掉电停止工作，宽带大功率放大器模块200偏置上电工作，输入可重构匹配网络模块100重构为大功率输入匹配网络101，输出可重构匹配网络模块400重构为大功率输出匹配网络401，使外部射频输入端RF_in的射频信号输入到大功率输入匹配网络101进入宽带大功率放大器模块200放大后，由大功率输出匹配网络401至射频输出端RF_out输出。此时整个放大器重构为宽带大功率放大器。

请结合参阅图3，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器的超宽带低功率线性放大模式原理框图。如图1和3所示，供电控制模块500用于在选择超宽带低功率线性放大模式时发送信号控制各个模块工作在以下状态：宽带大功率放大器模块200偏置掉电停止工作，超宽带低功率放大器模块300偏置上电工作，输入可重构匹配网络模块100重构为低功率输入匹配网络102，输出可重构匹配网络模块400重构为低功率输出匹配网络402，使射频信号输入到低功率输入匹配网络102进入超宽带低功率放大器模块300放大后，由低功率输出匹配网络402至射频输出端RF_out输出。此时整个放大器重构为超宽带低功率线性放大器。

请参阅图4，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输出可重构匹配网络模块的电路原理图。如图4所示，该实施例中输出可重构匹配网络模块400包括大功率输出匹配单元410、低功率输出匹配单元420和输出切换单元430。

大功率输出匹配单元410的输入端与宽带大功率放大器模块200的输出级场效应管的寄生输出端连接。

低功率输出匹配单元420的输入端与超宽带低功率放大器模块300的输出级场效应管的寄生输出端连接。

输出切换单元430的第一输入端与大功率输出匹配单元410的输出端连接，输出切换单元430的第二输入端与低功率输出匹配单元420的输出端连接，输出切换单元430的输出端连接至输出可重构匹配网络模块400的输出公共端，且输出切换单元430根据供电控制模块500的控制信号切换大功率输出匹配单元410或者低功率输出匹配单元420工作。

具体地，其中输出切换单元430包括：第九电感L9至第十一电感L11、第五电容C5至第六电容C6、第一场效应管F1和第二场效应管F2。第九电感L9、第十一电感L11和第六电容C6串联在输出切换单元430的第一输入端与输出切换单元430的输出端之间；第九电感L9和第十一电感L11之间的节点通过第五电容接地，同时通过第十电感L10连接输出切换单元430的第二输入端，且输出切换单元430的第一输入端通过第一场效应管F1接地，输出切换单元430的第二输入端通过第二场效应管F2接地，并且第一场效应管F1和第二场效应管F2的栅极连接至供电控制模块500，由供电控制模块500提供外部控制电压。其中第一场效应管F1和第二场效应管F2优选为HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管）器件。

大功率输出匹配单元410可以包括：第一电感L1至第五电感L5、第一电容C1至第三电容C3。第一电感L1、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5和第三电容C3依次串联在大功率输出匹配单元410的输入端与输出端之间；第一电感L1和第三电感L3之间的节点通过第二电感L2接地，第三电感L3和第四电感L4之间的节点通过第一电容C1接地，第四电感L4和第五电感L5之间的节点通过第二电容C2接地。应该说明地是，图4为原理图，大功率输出匹配单元410实际通过相同拓扑的并联结构连接至宽带大功率放大器模块200的寄生输出参考面，即与宽带大功率放大器模块200的输出级各场效应管漏极相连，例如后续实施例中第四GaN HEMT管芯P4至第十一GaN HEMT管芯P11的漏极相连。

低功率输出匹配单元420可以包括：第六电感L6至第八电感L8、第四电容C4；第六电感L6、第四电容C4和第八电感L8串联在低功率输出匹配单元420的输入端和输出端之间；第六电感L6和第四电容C4之间的节点通过第七电感L7接地。该低功率输出匹配单元420的输入端可以与超宽带低功率放大器模块300的寄生输出参考面，即与超宽带低功率放大器模块300的输出级场效应管的漏极相连，例如连接至后续实施例中第十四GaN HEMT管芯P14的漏极。

本发明的输出匹配网络重构的重构原理是利用输出切换单元430中并联HEMT器件在导通和截止状态下的两种不同等效特性，即并联HEMT器件截止时等效为并联电容，导通时等效为到地电阻，将并联HEMT器件等效的并联电容和到地电阻作为滤波器网络的一个元件设计到网络中，通过控制HEMT器件的状态，重组两种不同模式的滤波器匹配网络，进而实现模式切换。

请参阅图5，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输出可重构匹配网络模块重构为大功率输出匹配网络的等效电路图。如图5所示，当供电控制模块500发送控制信号使得并联的第一场效应管F1截止等效为第一并联电容C_F1，并联的第二场效应管F2导通等效为第二到地电阻R_F2，此时大功率输出匹配单元410和输出切换单元430重构为宽带大功率带通滤波网络，即前述大功率输出匹配网络401。图5中C_ds1为宽带大功率放大器模块输出级FET管芯漏源等效电容，L_ds1为其漏极寄生电感。重构后的带通滤波器作为匹配电路，一端匹配到50欧姆负载，一端直接匹配到功放管芯电流源端面即本征电流源参考面，这种方式避免了中间过渡阻抗匹配，进一步降低了网络损耗并拓展工作带宽。

请参阅图6，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输出可重构匹配网络模块重构为低功率输出匹配网络的等效电路图。如图6所示，当供电控制模块500发送控制信号使得并联的第二场效应管F2截止等效为第二并联电容C_F2，并联的第一场效应管F1导通等效为第一到地电阻R_F1，此时由低功率输出匹配单元420和输出切换单元430重构为超宽带低功率带通滤波网络，即前述低功率输出匹配网络402。图6中C_ds2为超宽带低功率放大器模块300的输出级FET管芯漏源等效电容，L_ds2为其漏极寄生电感。重构后的带通滤波器作为匹配电路，一端匹配到50欧姆负载，一端直接匹配到功放管芯电流源端面，同样避免了中间过渡阻抗匹配，进一步降低了网络损耗并拓展工作带宽。

综上，本发明的输出可重构匹配网络模块400通过控制并联HEMT器件的导通和截止，既实现了传统的开关切换模式功能，又达到了每路最优匹配的效果，带宽更宽、损耗更小。

请参阅图7，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输入可重构匹配网络模块的电路原理图。如图7所示，输入可重构匹配网络模块100包括输入切换单元110、大功率输入匹配单元120和低功率输入匹配单元130。

其中大功率输入匹配单元120的输入端与输入切换单元110的第一输出端连接，大功率输入匹配单元120的输出端连接至输入可重构匹配网络模块100的大功率匹配输出端。低功率输入匹配单元130的输入端与输入切换单元110的第二输出端连接，低功率输入匹配单元130的输出端连接至输入可重构匹配网络模块100的低功率匹配输出端。

输入切换单元110的第一输入端与输入可重构匹配网络模块100的输入公共端连接，且输入切换单元110根据供电控制模块500的控制信号切换大功率输入匹配单元120或者低功率输入匹配单元130工作。

具体地，输入切换单元110可以包括：第十二电感L12至第十四电感L14、第七电容C7至第八电容C8、第三场效应管F3和第四场效应管F4；第七电容、第十二电感L12、第十四电感L14串联在输入切换单元110的第一输入端与输入切换单元110的第一输出端之间；第十二电感L12和第十四电感L14之间的节点还通过第八电容C8接地，同时通过第十三电感L13连接输入切换单元110的第二输出端。并且第三场效应管F3和第四场效应管F4的栅极连接至供电控制模块500，由供电控制模块500提供外部控制电压。该第三场效应管F3和第四场效应管F4同样优选为HEMT器件。

大功率输入匹配单元120可以包括：第十五电感L15至第十七电感L17、第一电阻R1、第九电容C9至第十一电容C11。第九电容C9、第十五电感L15和第十六电感L16，以及并联的第一电阻R1和第十一电容C11一起依次串联在大功率输入匹配单元120的输入端和输出端之间。且第十五电感L15和第十六电感L16之间的节点通过第十电容C10接地，第十七电感L17连接在第十六电感L16和第一电阻R1之间的节点与地之间。

低功率输入匹配单元130可以包括：第十八电感L18至第二十电感L20、第二电阻R2、第十二电容C12至第十三电容C13。其中，第十九电感L19、第十二电容C12和第十八电感L18，以及并联的第二电阻R2和第十三电容C13一起依次串联在低功率输入匹配单元130的输入端和输出端之间，且第十二电容C12和第十八电感L18之间的节点通过第二十电感L20接地。

该输入可重构匹配网络模块100的可重构原理和输出可重构匹配网络模块400的原理一样，利用并联HEMT器件在导通和截止状态下的两种不同等效特性，将并联HEMT器件等效的并联电容和到地电阻作为匹配网络的一个元件设计到网络中，通过控制HEMT器件的状态，重组两种不同模式的匹配网络，进而实现模式重构。

请参阅图8，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输入可重构匹配网络模块重构为大功率输入匹配网络的等效电路图。如图8所示，当供电控制模块500发送控制信号使得并联的第三场效应管F3截止等效为第三并联电容C_F3，并联的第四场效应管F4导通等效为第四到地电阻R_F4，此时输入切换单元110和大功率输入匹配单元120重构为宽带大功率匹配网络，即前述大功率输入匹配网络101。如图8，一端接宽带可重构功率放大器的外部射频输入端，即匹配到50欧姆的输入阻抗，另一端直接匹配到宽带大功率放大器模块200的功放管芯输入端面。

同样的，请参阅图9，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中输入可重构匹配网络模块重构为低功率输入匹配网络的等效电路图。如图9所示，当供电控制模块500发送控制信号使得并联的第四场效应管F4截止等效为第四并联电容C_F4，并联的第三场效应管F3导通等效为第三到地电阻R_F3，此时由输入切换单元110和低功率输入匹配单元130重构为超宽带低功率匹配网络，即前述低功率输入匹配网络102。如图9，一端接宽带可重构功率放大器的外部射频输入端，即匹配到50欧姆的输入阻抗，另一端直接匹配到超宽带低功率放大器模块300的功放管芯输入端面。

本发明的输入可重构匹配网络模块100通过控制并联HEMT器件的导通和截止，既实现了传统的开关切换模式功能，又达到了每路匹配的效果，带宽更宽、损耗更小。

请参阅图10，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中宽带大功率放大器模块的电路原理图。如图10所示，该宽带大功率放大器模块200优选包括：第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一中间级匹配网络210和第二中间级匹配网络220。第一级放大器包括一个场效应管，即第一GaN HEMT管芯P1，其输入端连接至输入可重构匹配网络模块100的第一输出端。第二级放大器包括两个场效应管，即第二GaN HEMT管芯P2和第三GaN HEMT管芯P3。第三级放大器包括八个场效应管，即第四GaN HEMT管芯P4、第五GaNHEMT管芯P5、第六GaN HEMT管芯P6、第七GaN HEMT管芯P7、第八GaN HEMT管芯P8、第九GaNHEMT管芯P9、第十GaN HEMT管芯P10和第十一GaN HEMT管芯P11。这些场效应管的栅极均连接至供电控制模块500，由供电控制模块500提供外部控制电压控制其栅极偏置。第一级放大器输出端通过第一中间级匹配网络210连接到第二级放大器输入端，第二级放大器输出端通过第二中间级匹配网络220连接到第三级放大器输入端。其中，宽带大功率放大器模块200的输入信号经过第一级放大器放大后，通过第一中间级匹配网络210平均分为两路分别输入到第二级放大器的两个场效应管放大后，每一路又通过一个第二中间级匹配网络220平均分为四路分别输入到第三级放大器的八个场效应管放大，共得到八路输出信号，后续进入输出可重构匹配网络模块400进一步处理。本实施例中宽带大功率放大器模块200采用7~13GHz宽带大功率放大器，输出功率44dBm。

请参阅图11，为根据本发明优选实施例的宽带可重构功率放大器中超宽带低功率放大器模块的电路原理图。如图11所示，该超宽带低功率放大器模块300为超宽带低功率线性放大器模块，包括：第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一中间级匹配网络210和第二中间级匹配网络220。第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器均包括一个场效应管，即第十二GaN HEMT管芯P12、第十三GaN HEMT管芯P13和第十四GaN HEMT管芯P14，且均由供电控制模块500提供外部控制电压控制栅极偏置。第十二GaN HEMT管芯P12的输入端连接至输入可重构匹配网络模块100的第二输出端。第一级放大器输出端通过第一中间级匹配网络210连接第二级放大器输入端，第二级放大器输出端通过第二中间级匹配网络220连接第三级放大器输入端。可以理解的是，虽然图11的超宽带低功率放大器模块300和图10的宽带大功率放大器模块200均采用了第一中间级匹配网络210，但其具体电路构成有所差异，本领域基础技术人员可根据所属电路的输入输出需要进行设计。同样地，图11的超宽带低功率放大器模块300和图10的宽带大功率放大器模块200中采用的第二中间级匹配网络220的具体电路也可以根据所属电路的输入输出需要进行设计。超宽带低功率放大器模块300的输入信号经过第一级放大器即第十二GaN HEMT管芯P12放大后，通过第一中间级匹配网络210输入到第二级放大器即第十三GaN HEMT管芯P13放大后，再通过第二中间级匹配网络220输入到第三级放大器即第十四GaN HEMT管芯P14放大后输出，后续进入输出可重构匹配网络模块400进一步处理。本实施例中超宽带低功率放大器模块300采用6~18GHz超宽带低功率线性放大器，输出功率28dBm。

因此，供电控制模块500可以为输入可重构匹配网络模块100和输出可重构匹配网络模块400中并联HEMT器件的栅极提供外部控制电压，以及为两路放大器即宽带大功率放大器模块200和超宽带低功率放大器模块300中各级管芯栅极、漏极提供外部偏置电压。

本发明提供的宽带可重构功率放大器为大动态范围宽带可重构放大器，其可重构性通过以下详细方式实现：

各模块中HEMT器件栅极施加高电压时导通，低电压时截止。当需要工作在宽带大功率模式时，超宽带低功率放大器模块300偏置掉电，宽带大功率放大器模块200偏置上电，同时第三场效应管F3截止、第四场效应管F4导通，输入可重构匹配网络模块100重构为大功率输入匹配网络101，同时第一场效应管F1截止、第二场效应管F2导通，输出可重构匹配网络模块400重构为大功率输出匹配网络401，信号由外部射频输入端RF_in输入到输入可重构匹配网络模块100进入宽带大功率放大器模块200放大后，由输出可重构匹配网络模块400到射频输出端RF_out输出，从而整个放大器工作在宽带大功率模式。当需要工作在超宽带低功率线性放大模式时，超宽带低功率放大器模块300偏置上电，宽带大功率放大器模块200偏置掉电，同时第四场效应管F4截止、第三场效应管F3导通，输入可重构匹配网络模块100重构为低功率输入匹配网络102，同时第二场效应管F2截止、第一场效应管F1导通，输出可重构匹配网络模块400重构为低功率输出匹配网络402。信号由外部射频输入端RF_in输入到输入可重构匹配网络模块100进入超宽带低功率放大器模块300放大后，由输出可重构匹配网络模块400到射频输出端RF_out输出，从而整个放大器工作在超宽带低功率线性放大模式。

在本发明更优选的实施例中，该输入可重构匹配网络模块100、宽带大功率放大器模块200、超宽带低功率放大器模块300、输出可重构匹配网络模块400以及供电控制模块500均集成在同一芯片中。即本发明的宽带可重构功率放大器可以采用GaN HEMT工艺制作在同一块SiC（Silicon Carbide，碳化硅）衬底的MMIC（单片微波集成电路）芯片上。由此可见，本发明设计了一种二合一的三端口输出可重构匹配网络模块400，该网络模块既实现传统单刀双掷开关的切换功能，又实现两路放大器的输出匹配功能。同理设计一种一分二的三端口输入可重构匹配网络模块100，该网络模块既实现传统单刀双掷开关的切换功能，又实现两路放大器的输入匹配功能。然后将并列的两路放大器，一路为宽带大功率放大器模块200，另一路为超宽带低功率放大器模块300，通过上述输出、输入可重构匹配网络集成到只有一个标准输入、输出射频接口的MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)芯片上，使之成为一颗具有大动态范围的可重构放大器芯片，特别是能够满足10dB动态范围以上的宽带大功率高效率输出（43dBm以上）和超宽带低功率线性输出（30dBm以下）。

本发明还提供了一种雷达系统，包括如前所述的宽带可重构功率放大器，用于对雷达扫描信号和通信信号进行功率放大后发送。这里雷达系统可以为有源相控阵雷达系统，为集成雷达探测与通信一体化的新型多功能雷达。该雷达系统的硬件系统中包括微波T/R组件，而该微波T/R组件可以采用如前所述的宽带可重构功率放大器，雷达扫描信号和通信信号均经过该宽带可重构功率放大器进行功率放大后进行远距离传输。该宽带可重构功率放大器通过前述外部射频输入端RF_in接收雷达扫描信号时，供电控制模块控制切换至宽带大功率模式工作，并通过前述射频输出端RF_out输出功率放大后的雷达扫描信号。宽带可重构功率放大器通过前述外部射频输入端RF_in接收通信信号时，供电控制模块控制切换至超宽带低功率线性放大模式工作，并通过前述射频输出端RF_out输出功率放大后的通信信号。

综上所述，本发明提供了一种可重构的输入、输出匹配网络设计方法，利用并联HEMT器件导通时等效为并联电容和截止时等效为到地电阻的模型特性，将并联HEMT器件融合为宽带可重构滤波器匹配网络的一部分，使得输入、输出可重构匹配网络模块既具备传统开关模式切换功能，又具备电路匹配功能。输出可重构匹配网络作为整个可重构放大器的关键部分，它的带宽、插损决定了整个放大器的带宽、效率。在设计时，本发明将放大器输出FET管芯的源漏寄生电容和漏极寄生电感融合到可重构匹配网络中，一端直接匹配到FET管芯电流源端面，一端匹配到50欧姆负载，避免中间阻抗匹配，进一步地提升带宽，降低损耗。

最后应说明的是：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 (2)

1.一种宽带可重构功率放大器，用于集成了雷达探测与通信一体化的多功能雷达系统，其特征在于，包括：输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块、输出可重构匹配网络模块以及供电控制模块；

所述输入可重构匹配网络模块具有输入公共端、大功率匹配输出端和低功率匹配输出端；其中所述输入公共端连接至宽带可重构功率放大器的外部射频输入端，所述宽带大功率放大器模块的输入端与所述大功率匹配输出端连接，所述超宽带低功率放大器模块的输入端与所述低功率匹配输出端连接；

所述输出可重构匹配网络模块具有大功率匹配输入端、低功率匹配输入端和输出公共端，分别连接至所述宽带大功率放大器模块的输出端、所述超宽带低功率放大器模块的输出端和所述宽带可重构功率放大器的射频输出端；

所述供电控制模块与所述输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块和输出可重构匹配网络模块连接；

所述供电控制模块用于在选择宽带大功率模式时发送信号控制各个模块工作在以下状态：所述超宽带低功率放大器模块偏置掉电，所述宽带大功率放大器模块偏置上电，所述输入可重构匹配网络模块重构为大功率输入匹配网络，所述输出可重构匹配网络模块重构为大功率输出匹配网络，使射频信号输入到所述大功率输入匹配网络进入宽带大功率放大器模块放大后，由大功率输出匹配网络至射频输出端输出；

所述供电控制模块用于在选择超宽带低功率线性放大模式时发送信号控制各个模块工作在以下状态：所述宽带大功率放大器模块偏置掉电，所述超宽带低功率放大器模块偏置上电，所述输入可重构匹配网络模块重构为低功率输入匹配网络，所述输出可重构匹配网络模块重构为低功率输出匹配网络，使射频信号输入到所述低功率输入匹配网络进入超宽带低功率放大器模块放大后，由低功率输出匹配网络至射频输出端输出；

所述输出可重构匹配网络模块包括大功率输出匹配单元、低功率输出匹配单元和输出切换单元；

所述大功率输出匹配单元的输入端与所述宽带大功率放大器模块的输出级场效应管的寄生输出端连接；

所述低功率输出匹配单元的输入端与所述超宽带低功率放大器模块的输出级场效应管的寄生输出端连接；

所述输出切换单元的第一输入端与所述大功率输出匹配单元的输出端连接，所述输出切换单元的第二输入端与所述低功率输出匹配单元的输出端连接，所述输出切换单元的输出端连接至输出可重构匹配网络模块的输出公共端，且所述输出切换单元根据所述供电控制模块的控制信号切换大功率输出匹配单元或者所述低功率输出匹配单元工作；

所述输出切换单元包括：第九电感至第十一电感、第五电容至第六电容、第一场效应管和第二场效应管；所述第九电感、第十一电感和第六电容串联在所述输出切换单元的第一输入端与所述输出切换单元的输出端之间；所述第九电感和第十一电感之间的节点通过第五电容接地，同时通过第十电感连接所述输出切换单元的第二输入端，且所述输出切换单元的第一输入端通过第一场效应管接地，所述输出切换单元的第二输入端通过第二场效应管接地，并且第一场效应管和第二场效应管的栅极连接至所述供电控制模块；

所述大功率输出匹配单元包括：第一电感至第五电感、第一电容至第三电容；第一电感、第三电感、第四电感、第五电感和第三电容依次串联在所述大功率输出匹配单元的输入端与输出端之间；第一电感和第三电感之间的节点通过第二电感接地，第三电感和第四电感之间的节点通过第一电容接地，第四电感和第五电感之间的节点通过第二电容接地；

所述低功率输出匹配单元包括：第六电感至第八电感、第四电容；所述第六电感、第四电容和第八电感串联在所述低功率输出匹配单元的输入端和输出端之间；所述第六电感和第四电容之间的节点通过第七电感接地；

所述供电控制模块在选择宽带大功率模式时发送控制信号使得并联的第一场效应管截止等效为第一并联电容，并联的第二场效应管导通等效为第二到地电阻，此时低功率输出匹配单元被短路，大功率输出匹配单元和输出切换单元重构为大功率输出匹配网络；

所述供电控制模块在选择超宽带低功率线性放大模式时发送控制信号使得并联的第二场效应管截止等效为第二并联电容，并联的第一场效应管导通等效为第一到地电阻，此时发射信号输出匹配单元被短路，低功率输出匹配单元和输出切换单元重构为低功率输出匹配网络；

所述输入可重构匹配网络模块包括输入切换单元、大功率输入匹配单元和低功率输入匹配单元；

所述大功率输入匹配单元的输入端与输入切换单元的第一输出端连接，大功率输入匹配单元的输出端连接至所述输入可重构匹配网络模块的大功率匹配输出端；

所述低功率输入匹配单元的输入端与输入切换单元的第二输出端连接，低功率输入匹配单元的输出端连接至所述输入可重构匹配网络模块的低功率匹配输出端；

所述输入切换单元的第一输入端与所述输入可重构匹配网络模块的输入公共端连接，且所述输入切换单元根据所述供电控制模块的控制信号切换大功率输入匹配单元或者低功率输入匹配单元工作；

所述输入切换单元包括：第十二电感至第十四电感、第七电容至第八电容、第三场效应管和第四场效应管；第七电容、第十二电感、第十四电感串联在所述输入切换单元的第一输入端与所述输入切换单元的第一输出端之间；第十二电感和第十四电感之间的节点还通过第八电容接地，同时通过第十三电感连接所述输入切换单元的第二输出端；并且第三场效应管和第四场效应管的栅极连接至所述供电控制模块；

所述大功率输入匹配单元包括：第十五电感至第十七电感、第一电阻、第九电容至第十一电容；第九电容、第十五电感和第十六电感，以及并联的第一电阻和第十一电容一起依次串联在所述大功率输入匹配单元的输入端和输出端之间；且第十五电感和第十六电感之间的节点通过第十电容接地，第十七电感连接在第十六电感和第一电阻之间的节点与地之间；

所述低功率输入匹配单元包括：第十八电感至第二十电感、第二电阻、第十二电容至第十三电容；第十九电感、第十二电容和第十八电感，以及并联的第二电阻和第十三电容一起依次串联在所述低功率输入匹配单元的输入端和输出端之间；且第十二电容和第十八电感之间的节点通过第二十电感接地；

所述宽带大功率放大器模块包括：第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一中间级匹配网络和第二中间级匹配网络；所述第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器分别包括一个、两个和八个场效应管，且均由所述供电控制模块提供偏置电压；所述宽带大功率放大器模块的输入信号经过第一级放大器放大后，通过第一中间级匹配网络平均分为两路分别输入到第二级放大器的两个场效应管放大后，每一路又通过一个第二中间级匹配网络平均分为四路分别输入到第三级放大器的八个场效应管放大，共得到八路输出信号；

所述超宽带低功率放大器模块包括：第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器、第一中间级匹配网络和第二中间级匹配网络；所述第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器均包括一个场效应管，且均由所述供电控制模块提供偏置电压；所述超宽带低功率放大器模块的输入信号经过第一级放大器放大后，通过第一中间级匹配网络输入到第二级放大器放大后，再通过第二中间级匹配网络输入到第三级放大器放大后输出；

所述输入可重构匹配网络模块、宽带大功率放大器模块、超宽带低功率放大器模块、输出可重构匹配网络模块以及供电控制模块均集成在同一芯片中；

其中第一场效应管至第四场效应管均为HEMT；宽带大功率放大器模块和超宽带低功率放大器模块中采用的场效应管均为GaN HEMT；

所述宽带可重构功率放大器采用GaN HEMT工艺制作在同一块SiC衬底的MMIC芯片上。

2.一种雷达系统，其特征在于，包括权利要求1所述的宽带可重构功率放大器，用于对雷达扫描信号和通信信号进行功率放大后发送；

所述宽带可重构功率放大器通过所述外部射频输入端接收雷达扫描信号时，切换至宽带大功率模式工作，并通过所述射频输出端输出功率放大后的雷达扫描信号；

所述宽带可重构功率放大器通过所述外部射频输入端接收通信信号时，切换至超宽带低功率线性放大模式工作，并通过所述射频输出端输出功率放大后的通信信号；

所述雷达系统为集成雷达探测与通信一体化的多功能雷达系统。

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