CN111600553A - 一种微波单片集成超宽带功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波单片集成超宽带功率放大器，包括共源共栅放大结构、行波放大结构和匹配网络；共源共栅放大结构包括若干组结构相同的共源共栅放大单元，每组共源共栅放大单元均与行波放大结构连接；匹配网络包括输入匹配网络和输出匹配网络，输入匹配网络通过行波放大结构及共源共栅放大单元与输出匹配网络连接。本发明采用共源共栅结构和行波放大结构相结合的技术，解决了多个放大管级联时功耗较大，且工作带宽有限、高频增益难提高等问题；其中的行波放大结构能在很宽的频带范围内提供较好的增益，同时兼顾噪声系数和输出功率；共源共栅放大结构通过两个晶体管的漏极与源极相连，使放大器具有高增益、高输出和高反向隔离等优点。

Description

一种微波单片集成超宽带功率放大器

技术领域

本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种微波单片集成超宽带功率放大器。

背景技术

随着世界各方面通讯技术的快速发展，以及军事化作战系统覆盖领域的不断扩大，超宽带通信脊柱(UWB)由于自身的特殊优势在通信领域内占据着重要的地位。目前，超宽带通信技术主要应用于雷达、均是通信、电子对抗等领域，尤其是近年来雷达技术飞速发展，许多新体制雷达应运而生，如有源相控阵雷达、电子通信一体化雷达等，均需要功率发达器具有高效率、高功率、超带宽等特点。随着超带宽技术在通信领域的广泛应用，超带宽功率放大器逐渐在功率放大器家族中崭露头角，由于超带宽功率放大器具有宽频率范围、高速率传输、高隐秘性、强穿透性等特点，因此成为功率放大器发展的一大趋势。

传统的微波单片集成超带宽功率放大器设计方法是将多个晶体管直接级联，但是多个晶体管级联的工作电流是几个晶体管的总和，因此功耗较大；且多个晶体管直接级联的工作带宽有限，高频增益较难提高，增益正斜率的设计难度则更大。

另外，目前设计宽带放大器的主要障碍是受到有源器件增益-带宽乘积的制约，任何有源器件的增益在高频端都具有逐渐下降的特性，除了正向增益降低之外，反向增益增加，这将使放大器的整体增益进一步降低，并使器件进入振荡状态的可能性增加。同时，在高频下晶体管的输出功率会降低，为了提高输出功率，往往会采用较大的晶体管，而大晶体管的工作电流较大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的微波单片集成超宽带功率放大器解决了现有的超宽带功率放大器中多个放大管级联时功耗较大，且工作带宽有限、高频增益难提高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种微波单片集成超宽带功率放大器，包括共源共栅放大结构、行波放大结构和匹配网络；

所述共源共栅放大结构包括若干组结构相同的共源共栅放大单元，每组所述共源共栅放大单元均与所述行波放大结构连接；所述匹配网络包括输入匹配网络和输出匹配网络，所述输入匹配网络通过行波放大结构及共源共栅放大单元与所述输出匹配网络连接，所述输入匹配网络的输入端作为超宽带功率放大器的输入端，所述输出匹配网络的输出端作为超宽带功率放大器的输出端。

进一步地，每组所述共源共栅放大单元均包括共源共栅放大网络、栅极到地网络和RC均衡网络；

所述共源共栅放大网络包括共源放大管共栅放大管，所述共源放大管的栅极与RC均衡网络中均衡电阻的一端和均衡电容的一端连接，所述均衡电阻的另一端和均衡电容的另一端作为共源共栅放大单元的输入端与行波放大结构连接，所述共源放大管的源极接地，所述共源放大管的漏极通过一根微带线与所述共栅放大管的源极连接，所述共栅放大管的栅极通过第一电阻与栅极到地网络中的第二电阻的一端、去耦电容的一端和行波放大结构连接，所述第二电阻的另一端连接一个接地电容，所述去耦电容的另一端接地，所述共栅放大管的漏极作为共源共栅放大单元的输出端与行波放大结构连接。

进一步地，所述行波放大结构包括行波结构栅线、行波结构漏线、栅极吸收网络、漏极吸收网络和栅极分压网络；

所述行波结构栅线的输入端与输入匹配网络的输出端连接，所述行波结构栅线的分支输出端与每个共源共栅放大单元中的输入端连接，所述行波结构栅线的输出端与栅极吸收网络连接，所述行波结构漏线的输入端与漏极吸收网络连接，所述行波结构漏极线的分支输入端与每个共源共栅放大单元中的输出端连接，所述行波结构漏线的输出端与输出匹配网络连接。

进一步地，所述行波结构栅线包括依次连接的若干根第一微带线，其中第一根第一微带线的输入端与所述输入匹配网络的输出端连接，最后一根第一微带线的输出端与栅极吸收网络连接，每两根第一微带线之间作为行波结构栅线的一个分支输出端与一组共源共栅放大单元的输入端连接；

所述行波结构漏线包括依次连接的若干根第二微带线，其中第一根第二微带线的输入端与所述漏极吸收网络连接，最后一根第二微带线的输出端与输出匹配网络的输入端连接，每两根第二微带线之间作为行波结构漏线的分支输入端与一组共源共栅放大单元的输出端连接。

进一步地，所述栅极吸收网络还与第一滤波网络连接；

所述栅极吸收网络包括依次连接的第一吸收电阻和第一吸收接地电容，所述第一吸收电阻的一端分别与行波结构栅线中最后一根第一微带线的输出端和第一滤波网络中第一滤波电阻的一端连接，所述第一滤波电阻的另一端分别与电源和第一去耦接地电容连接；

所述漏极吸收网络包括依次连接的第二吸收电阻和第二吸收接地电容，所述第二吸收电阻的一端分别与行波结构漏线中第一根第二微带线的输入端和栅极分压网络连接，所述第二吸收电阻的另一端与接地第二吸收电容连接；

所述栅极分压网络包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端与所述第二吸收电阻的一端连接，所述第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的一端连接，并通过一个电阻与每个共源共栅放大单元中栅极到地网络中的第二电阻的一端和去耦电容的一端连接，第二分压电阻的另一端接地。

进一步地，所述输入匹配网络包括输入匹配电容，所述第一匹配电容的一端作为输入匹配网络的输入端，所述输入匹配电容的另一端连接一根开路微带线，并与所述行波结构栅线中的第一根第一微带线的输入端连接；

所述输出匹配网络还与第二滤波网络连接；所述输出匹配网络包括输出匹配电容，所述输出匹配电容的一端作为输出匹配网络的输出端，所述输出匹配电容的另一端与所述行波结构漏线中的最后一根第二微带线的输出端连接，并通过扼流电感与第二滤波网络中的第二去耦接地电容和第二滤波电阻的一端连接，所述第二滤波电阻的另一端与第三去耦接地电容连接，所述第二滤波电阻的一端与电源连接。

进一步地，所述共源共栅放大结构包括5组共源共栅放大单元。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用共源共栅结构和行波放大结构相结合的技术，解决了多个放大管级联时功耗较大，且工作带宽有限、高频增益难提高等问题；

(2)本发明中的行波放大结构能在很宽的频带范围内提供较好的增益，同时兼顾噪声系数和输出功率；

(3)本发明中的共源共栅放大结构通过两个晶体管的漏极与源极相连，使放大器具有高增益、高输出和高反向隔离等优点，在提高放大器带宽的同时可将放大器增益做到一级和二级电路之间。

附图说明

图1为本发明提供的微波单片集成超宽带功率放大器电路结构拓扑图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，一种微波单片集成超宽带功率放大器，包括共源共栅放大结构、行波放大结构和匹配网络；

共源共栅放大结构包括若干组结构相同的共源共栅放大单元，每组共源共栅放大单元均与行波放大结构连接；匹配网络包括输入匹配网络和输出匹配网络，输入匹配网络通过行波放大结构及共源共栅放大单元与输出匹配网络连接，输入匹配网络的输入端作为超宽带功率放大器的输入端，输出匹配网络的输出端作为超宽带功率放大器的输出端。

本实施例采用共源共栅放大结构和行波放大结构相结合的技术来解决多个放大管级联时功耗较大，且工作带宽有限、高频增益难提高的问题；行波放大器又称为分布式放大器，其基本原理是把晶体管的输入、输出电容和输入、输出电阻分别吸收到输入和输出传输线中，由多条传输线和多只晶体管构成分布式有耗传输线。只要传输线负载和传输线特性阻抗匹配，它就相当于无频率显示的有耗均匀传输线，使信号以行波方式在传输线中传播。使用理想的FET，分布式放大器通过增加节数能够获得更高的增益和输出功率，该结构能在很宽的频率范围内提供较好的增益，同时兼顾噪声系数和输出功率，在实际使用中，放大器的工作频率和可使用的节数收到FET寄生参数和栅极线漏极线损耗的限制，存在一个最佳的节数。共源共栅(cascode)放大结构是通过将第一级晶体管的漏极与第二级晶体管的源极相连的结构，使放大器具有高增益、高输出阻抗和高反向隔离等优点，该结构在提高放大器带宽的同时可将放大器增益做到一级和二级电路之间，但输出功率受限于第一晶体管。将上述两种结构结合，并通过匹配网络连接，这种新型结构不仅有效提高了工作带宽，也可以在提高增益并获得增益正斜率的同时，实现了高功率输出。

本发明实施例中，每组共源共栅放大单元均包括共源共栅放大网络、栅极到地网络和RC均衡网络；

其中，图1中的共源共栅放大网络包括共源放大管M1和共栅放大管M2，共源放大管的栅极与RC均衡网络中均衡电阻R1的一端和均衡电容C1的一端连接，均衡电阻R1的另一端和均衡电容C1的另一端作为共源共栅放大单元的输入端与行波放大结构连接，共源放大管的源极接地，共源放大管M1的漏极通过一根微带线TL14与共栅放大管M2的源极连接，共栅放大管M2的栅极通过第一电阻Rg11与栅极到地网络中的第二电阻Rg1的一端、去耦电容Cg11的一端和行波放大结构连接，第二电阻Rg1的另一端连接一个接地电容Cg1，去耦电容Cg11的另一端接地，共栅放大管M2的漏极作为共源共栅放大单元的输出端与行波放大结构连接。

在上述共源共栅放大单元中，微带线TL14为共源放大管M1和共栅放大管 M2的级间匹配，共源放大管M1的栅极输入端并联均衡电阻R1和均衡电容C1 组成的均衡网络，起到增益均衡作用，可以优化增益正斜率；在栅极倒地网络中，第一电阻Rg11和去耦电容Cg11，起到直流电源信号滤波，稳定共源放大管M2静态工作点的作用，电阻Rg1和电容Cg1参与电路匹配，用于提高共源放大管M2级间稳定性，通过调节电阻和电容可以使放大器在宽频带内无条件稳定。相比于传统的共源结构，本实施例中的共源共栅结构提高了放大器的输出阻抗匹配，拓宽了频段，能够在较宽范围的频率范围内实现更高的增益和更高的反向隔离度，同时由于M1和M2共用一路电流，相比传统结构具有较低的功耗。

本发明实施例中的行波放大结构包括行波结构栅线、行波结构漏线、栅极吸收网络、漏极吸收网络和栅极分压网络；其中，行波结构栅线的输入端与输入匹配网络的输出端连接，行波结构栅线的分支输出端与每个共源共栅放大单元中的输入端连接，行波结构栅线的输出端与栅极吸收网络连接，行波结构漏线的输入端与漏极吸收网络连接，行波结构漏极线的分支输入端与每个共源共栅放大单元中的输出端连接，行波结构漏线的输出端与输出匹配网络连接。

具体地，图1中的行波结构栅线包括依次连接的若干根第一微带线 TL2-TL7，其中第一根第一微带线TL2的输入端与输入匹配网络的输出端连接，最后一根第一微带线TL7的输出端与栅极吸收网络连接，每两根第一微带线之间作为行波结构栅线的一个分支输出端与一组共源共栅放大单元的输入端连接；行波结构漏线包括依次连接的若干根第二微带线TL8-TL12，其中第一根第二微带线TL8的输入端与漏极吸收网络连接，最后一根第二微带线TL12的输出端与输出匹配网络的输入端连接，每两根第二微带线之间作为行波结构漏线的分支输入端与一组共源共栅放大单元的输出端连接。其中，行波结构栅线中的微带线TL2、TL3、TL4、TL5、TL6和TL7用于吸收共源放大管M1、M3、 M5、M7和M9的的输入电容电阻，行波结构漏线中的TL8、TL9、TL10、TL11、 TL12和TL13用于共栅放大管M2、M4、M6、M8和M10的输出电容电阻，从而实现各放大管的跨导相加，实现工作带宽的同时，实现增益和功率合成。

本发明实施例中的栅极吸收网络还与第一滤波网络连接；图1中的栅极吸收网络包括依次连接的第一吸收电阻Rg和第一吸收接地电容Cg，第一吸收电阻Rg的一端分别与行波结构栅线中最后一根第一微带线TL7的输出端和第一滤波网络中第一滤波电阻R6的一端连接，第一滤波电阻R6的另一端分别与电源和第一去耦接地电容C6连接；漏极吸收网络包括依次连接的第二吸收电阻 Rd和第二吸收接地电容Cd，第二吸收电阻Rd的一端分别与行波结构漏线中第一根第二微带线TL8的输入端和栅极分压网络连接，第二吸收电阻Rd的另一端与接地第二吸收电容Cd连接；栅极分压网络包括第一分压电阻Rg6和第二分压电阻Rg7，第一分压电阻Rg6的一端与第二吸收电阻Rd的一端连接，第一分压电阻Rg6的另一端与第二分压电阻Rg7的一端连接，并通过一个电阻与每个共源共栅放大单元中栅极到地网络中的第二电阻Rg1的一端和去耦电容Cg11的一端连接，第二分压电阻Rg7的另一端接地。

其中，栅极吸收网络中的第一吸收电阻Rg串联第一吸收电容Cg，防止射频信号对直流偏压构成干扰，漏极吸收网络中的第二吸收电阻Rd串联第二吸收电容Rg，第二吸收电阻Rd可以减小EC功率的消耗，在提供射频到地通路的同时，起到隔直流的效果。栅极分压网络中的分压电阻R6和R7通过分压给共栅放大管M2、M4、M6、M8和M10五个放大管同时提供栅极电压，电阻R8起到稳定电压的作用。

本发明实施例中的输入匹配网络包括输入匹配电容Cin，第一匹配电容 Cin的一端作为输入匹配网络的输入端，输入匹配电容Cin的另一端连接一根开路微带线TL1，并与行波结构栅线中的第一根第一微带线TL2的输入端连接；输出匹配网络还与第二滤波网络连接；输出匹配网络包括输出匹配电容Cout，输出匹配电容的一端作为输出匹配网络的输出端，输出匹配电容Cout的另一端与行波结构漏线中的最后一根第二微带线TL13的输出端连接，并通过扼流电感 Lout与第二滤波网络中的第二去耦接地电容C8和第二滤波电阻R7的一端连接，第二滤波电阻R7的另一端与第三去耦接地电容C7连接，第二滤波电阻R7的一端与电源连接。其中，三个去耦电容C6、C7和C8用于去除直流电压信号的杂波。其中，输入匹配网络用于实现行波放大结构的输入阻抗匹配，输出匹配网络中的扼流电感Lout起到扼流、滤波的作用，电容Cout用于隔直，输出阻抗匹配。

在本发明实施例中，需要说明的是，本发明实施例中使用理想的 FET，分布式放大器通过增加节数能够获得更高的增益和输出功率，该结构能在很宽的频率范围内提供较好的增益，同时兼顾噪声系数和输出功率，在实际使用中，放大器的工作频率和可使用的节数收到FET寄生参数和栅极线漏极线损耗的限制。在行波放大结构中，更多的级数意味着更大的增益-带宽积，但也会引入更大的功耗，同时随着级数增加放大器的带宽也会受到限制，因此综合考虑带宽、增益、功耗等指标，经过仿真优化，本发明中优选共源共栅放大结构包括5组共源共栅放大单元。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用共源共栅结构和行波放大结构相结合的技术，解决了多个放大管级联时功耗较大，且工作带宽有限、高频增益难提高等问题；

(2)本发明中的行波放大结构能在很宽的频带范围内提供较好的增益，同时兼顾噪声系数和输出功率；

(3)本发明中的共源共栅放大结构通过两个晶体管的漏极与源极相连，使放大器具有高增益、高输出和高反向隔离等优点，在提高放大器带宽的同时可将放大器增益做到一级和二级电路之间。

Claims (7)

1.一种微波单片集成超宽带功率放大器，其特征在于，包括共源共栅放大结构、行波放大结构和匹配网络；

所述共源共栅放大结构包括若干组结构相同的共源共栅放大单元，每组所述共源共栅放大单元均与所述行波放大结构连接；所述匹配网络包括输入匹配网络和输出匹配网络，所述输入匹配网络通过行波放大结构及共源共栅放大单元与所述输出匹配网络连接，所述输入匹配网络的输入端作为超宽带功率放大器的输入端，所述输出匹配网络的输出端作为超宽带功率放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的微波单片集成超带宽功率放大器，其特征在于，每组所述共源共栅放大单元均包括共源共栅放大网络、栅极到地网络和RC均衡网络；

所述共源共栅放大网络包括共源放大管共栅放大管，所述共源放大管的栅极与RC均衡网络中均衡电阻的一端和均衡电容的一端连接，所述均衡电阻的另一端和均衡电容的另一端作为共源共栅放大单元的输入端与行波放大结构连接，所述共源放大管的源极接地，所述共源放大管的漏极通过一根微带线与所述共栅放大管的源极连接，所述共栅放大管的栅极通过第一电阻与栅极到地网络中的第二电阻的一端、去耦电容的一端和行波放大结构连接，所述第二电阻的另一端连接一个接地电容，所述去耦电容的另一端接地，所述共栅放大管的漏极作为共源共栅放大单元的输出端与行波放大结构连接。

3.根据权利要求2所述的微波单片集成超宽带功率放大器，其特征在于，所述行波放大结构包括行波结构栅线、行波结构漏线、栅极吸收网络、漏极吸收网络和栅极分压网络；

所述行波结构栅线的输入端与输入匹配网络的输出端连接，所述行波结构栅线的分支输出端与每个共源共栅放大单元中的输入端连接，所述行波结构栅线的输出端与栅极吸收网络连接，所述行波结构漏线的输入端与漏极吸收网络连接，所述行波结构漏极线的分支输入端与每个共源共栅放大单元中的输出端连接，所述行波结构漏线的输出端与输出匹配网络连接。

4.根据权利要求3所述的微波单片集成超宽带功率放大器，其特征在于，所述行波结构栅线包括依次连接的若干根第一微带线，其中第一根第一微带线的输入端与所述输入匹配网络的输出端连接，最后一根第一微带线的输出端与栅极吸收网络连接，每两根第一微带线之间作为行波结构栅线的一个分支输出端与一组共源共栅放大单元的输入端连接；

所述行波结构漏线包括依次连接的若干根第二微带线，其中第一根第二微带线的输入端与所述漏极吸收网络连接，最后一根第二微带线的输出端与输出匹配网络的输入端连接，每两根第二微带线之间作为行波结构漏线的分支输入端与一组共源共栅放大单元的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的微波单片集成超宽带功率放大器，其特征在于，所述栅极吸收网络还与第一滤波网络连接；

所述栅极吸收网络包括依次连接的第一吸收电阻和第一吸收接地电容，所述第一吸收电阻的一端分别与行波结构栅线中最后一根第一微带线的输出端和第一滤波网络中第一滤波电阻的一端连接，所述第一滤波电阻的另一端分别与电源和第一去耦接地电容连接；

所述漏极吸收网络包括依次连接的第二吸收电阻和第二吸收接地电容，所述第二吸收电阻的一端分别与行波结构漏线中第一根第二微带线的输入端和栅极分压网络连接，所述第二吸收电阻的另一端与接地第二吸收电容连接；

所述栅极分压网络包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端与所述第二吸收电阻的一端连接，所述第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的一端连接，并通过一个电阻与每个共源共栅放大单元中栅极到地网络中的第二电阻的一端和去耦电容的一端连接，第二分压电阻的另一端接地。

6.根据权利要求4所述的微波单片集成超宽带功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络包括输入匹配电容，所述第一匹配电容的一端作为输入匹配网络的输入端，所述输入匹配电容的另一端连接一根开路微带线，并与所述行波结构栅线中的第一根第一微带线的输入端连接；

所述输出匹配网络还与第二滤波网络连接；所述输出匹配网络包括输出匹配电容，所述输出匹配电容的一端作为输出匹配网络的输出端，所述输出匹配电容的另一端与所述行波结构漏线中的最后一根第二微带线的输出端连接，并通过扼流电感与第二滤波网络中的第二去耦接地电容和第二滤波电阻的一端连接，所述第二滤波电阻的另一端与第三去耦接地电容连接，所述第二滤波电阻的一端与电源连接。

7.根据权利要求5所述的微带单片集成超宽带功率放大器，其特征在于，所述共源共栅放大结构包括5组共源共栅放大单元。

Images