CN111628737A - 一种改进型超宽带高效率功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进型超宽带高效率功率放大器，该放大器包括多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2、偏置电路、栅极RC电路、输入匹配电路和非均匀输出匹配电路，共源级管芯FET1的栅极经过栅极RC电路与输入匹配电路连接，共栅级管芯FET2的栅极经过偏置电路与共栅级管芯供电端连接，共栅级管芯FET2的漏极与非均匀输出匹配电路连接。本发明通过在分布式功率放大器的栅极串联栅极RC并联电路，从而实现减小栅极总电容，扩展分布式功放的带宽，提高功放的稳定性；并且在分布式功率放大器的漏极采用非均匀传输线来进行匹配，从而使得晶体管的阻抗匹配达到最优，显著增大功率放大器的效率。

Description

一种改进型超宽带高效率功率放大器
技术领域
本发明属于宽带功率放大器技术领域，具体涉及一种改进型超宽带高效率功率放大器。
背景技术
随着军事作战系统覆盖领域的不断扩大，超宽带通信由于其自身的特殊优势在通信领域内所具有的地位不言而喻。目前，超宽带通信主要应用于雷达、军事通信、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，均需要功率放大器具有高效率、高功率、超带宽等特性。
在其它各个领域中，超宽带放大器的应用也很广泛。在通信系统中需要覆盖多个频带来支持多种通信标准，一些做法是将多个射频模块集成到一块电路板上，不仅面积增加，使系统增大了功耗，而且也引起了兼容性的问题，宽带的支持多频带的无线通信系统可以解决这些问题；在医疗方面，高分辨率医学成像系统由于其分辨率高、对比度高、成本低引起了人们的广泛关注和使用，而为了提高系统的分辨率，需要利用宽带的射频前端来构建这种系统。
宽带功率放大器将直流电源的能量转换为大功率的射频能量，是宽带射频前端中必不可少的单元。功率放大器的功耗占据发射链路功耗的绝大部分，功率放大器的效率决定了射频发射链路的效率。因此，迫切需要提高超宽带功率放大器的效率，以提高超宽带射频前端的整体效率。
功率放大器通常采用大尺寸的晶体管来获得足够的输出功率，但大尺寸晶体管的寄生电阻、电容会显著降低高频段的增益使工作频率减小，增加对负载变化的敏感度。通常情况下频率每增加一倍，增益会下降6dB。因此，在多个倍频程的频带范围内，功率放大器同时实现良好的增益平坦度和输出功率平坦度以及较高的效率难度较大。
针对效率低、增益平坦度和输出功率平坦度差的情况，一般采用传统分布式放大器来进行设计，在这种放大器结构中，晶体管的输入输出的寄生电容被集总电感综合，形成了人造传输线。这些传输线把器件的跨导并联在一起，使放大器在很宽的带宽内获得良好的增益和平稳的增益平坦度，但是输出功率较小，需要增加级数来实现所需的输出功率，这样一来就会使芯片的面积增加。
传统分布式功率放大器的输出功率较小，效率较低，主要的问题存在于：1、各级晶体管从漏极看向两侧的阻抗相等，只有一半的漏极电流会流向输出端，另一半的漏极电流会流向漏极的吸收电阻，导致输出功率、增益和效率均下降；2、电流是从前到后逐级叠加的，而各级晶体管的漏极负载阻抗是相同的，所以各级晶体管的漏级电压摆幅不同，后级晶体管具有更大的电压摆幅，而各级晶体管的漏极偏置电压相同，导致前级晶体管的电压摆幅空间有很大的浪费，降低了输出功率和效率。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种改进型超宽带高效率功率放大器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种改进型超宽带高效率功率放大器，包括多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2、偏置电路、栅极RC电路、输入匹配电路和非均匀输出匹配电路，所述共源级管芯FET1的漏极与共栅级管芯FET2的源极连接，所述共源级管芯FET1的栅极经过栅极RC电路与输入匹配电路连接；所述输入匹配电路的一端作为放大信号输入端，其另一端与共源级管芯供电端连接；所述共栅级管芯FET2的栅极经过偏置电路与共栅级管芯供电端连接，所述共栅级管芯FET2的漏极与非均匀输出匹配电路连接；所述非均匀输出匹配电路的一端作为放大信号输出端，其另一端与共栅级管芯供电端连接。
进一步地，所述多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2具体包括多级共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2构成的功率放大单元，每级功率放大单元中共源级管芯FET1的漏极与共栅级管芯FET2的源极连接，各级功率放大单元中共栅级管芯FET2的栅极依次连接。
进一步地，所述栅极RC电路包括与多级共源共栅结构对应的多组并联电阻R1和电容C1，每组并联电阻R1和电容C1的输出端与共源级管芯FET1的栅极连接，每组并联电阻R1和电容C1的输入端与输入匹配电路连接。
进一步地，所述输入匹配电路包括与多级共源共栅结构对应的多个微带线Tg，各个微带线Tg依次串联连接，每个微带线Tg的输出端与并联电阻R1和电容C1的输入端连接，首端微带线Tg的输入端为放大信号输入端，尾端微带线Tg的输出端与共源级管芯供电端连接。
进一步地，所述输入匹配电路中尾端微带线Tg的输出端还经过串联电阻R6和电容C4接地。
进一步地，所述偏置电路包括与多级共源共栅结构对应的多组串联电阻R2和电容C2，每组串联电阻R2和电容C2的一端与共栅级管芯FET2的栅极连接，每组串联电阻R2和电容C2的另一端接地，各组串联电阻R2和电容C2的连接端依次串联连接。
进一步地，所述偏置电路中各组串联电阻R2和电容C2的连接端与串联电阻R3和电阻R4的连接端连接，所述串联电阻R3和电阻R4的一端与共栅级管芯供电端连接，所述串联电阻R3和电阻R4的另一端接地。
进一步地，所述非均匀输出匹配电路包括与多级共源共栅结构对应的多个非均匀微带线Td，各个非均匀微带线Td依次串联连接，每个非均匀微带线Td的输入端与共栅级管芯FET2的漏极连接，首端非均匀微带线Td的输入端与共栅级管芯供电端连接，尾端非均匀微带线Td的输出端为放大信号输入端。
进一步地，所述输出匹配电路中首端非均匀微带线Td的输入端经过串联电阻R5和电容C3接地，所述串联电阻R5和电容C3的连接端与共栅级管芯供电端连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2构成分布式功率放大器，在分布式功率放大器的栅极串联栅极RC并联电路，从而实现减小栅极总电容，扩展分布式功放的带宽，提高功放的稳定性；并且在分布式功率放大器的漏极采用非均匀传输线来进行匹配，从而使得晶体管的阻抗匹配达到最优，显著增大功率放大器的效率。
附图说明
图1为本发明改进型超宽带高效率功率放大器的结构示意图；
图2为本发明改进型超宽带高效率功率放大器的原理示意图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种改进型超宽带高效率功率放大器，包括多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2、偏置电路、栅极RC电路、输入匹配电路和非均匀输出匹配电路，所述共源级管芯FET1的漏极与共栅级管芯FET2的源极连接，所述共源级管芯FET1的栅极经过栅极RC电路与输入匹配电路连接；所述输入匹配电路的一端作为放大信号输入端，其另一端与共源级管芯供电端连接；所述共栅级管芯FET2的栅极经过偏置电路与共栅级管芯供电端连接，所述共栅级管芯FET2的漏极与非均匀输出匹配电路连接；所述非均匀输出匹配电路的一端作为放大信号输出端，其另一端与共栅级管芯供电端连接。
如图2所示，本发明的多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2具体包括多个由共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2构成的功率放大单元组成的多级分布式功率放大器，使得功率放大器具有较宽的带宽；其中每级功率放大单元中共源级管芯FET1的漏极与共栅级管芯FET2的源极连接，各级功率放大单元中共栅级管芯FET2的栅极依次连接。共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2均采用耗尽型放大管芯，共同构成共源共栅结构。
限制分布式结构带宽的因素是栅极人工传输线和漏极人工传输线的截止频率，而对于场效应管来说，通常其栅源寄生电容要大于漏源寄生电容，人工传输线的截止频率随着寄生电容的增大而减小，因此分布式功放的工作带宽主要受到栅极人工传输线截止频率的限制。
为了提高栅极人工传输线的截止频率，本发明在共源级管芯FET1的栅极串联电容来减小栅极总电容。栅极串联电容的存在阻断了栅极直流偏置，因此通过与栅极串联电容C并联一个电阻R来为晶体管提供栅极偏置通路，本发明设置栅极RC并联电路不仅可以减小栅极总电容，扩展分布式功放的带宽，还能够提高功放的稳定性。
如图2所示，本发明的栅极RC电路包括与多级共源共栅结构对应的多组并联电阻R1和电容C1，每组并联电阻R1和电容C1与对应的功率放大单元连接；具体而言，每组并联电阻R1和电容C1的输出端与共源级管芯FET1的栅极连接，每组并联电阻R1和电容C1的输入端与输入匹配电路连接，从而实现拓展带宽并有效提高稳定性的作用。
如图2所示，本发明的输入匹配电路包括与多级共源共栅结构对应的多个微带线Tg，每个微带线Tg经过并联电阻R1和电容C1与对应的功率放大单元连接；具体而言，各个微带线Tg依次串联连接，每个微带线Tg的输出端与并联电阻R1和电容C1的输入端连接，首端微带线Tg的输入端为放大信号输入端，尾端微带线Tg的输出端与共源级管芯供电端连接，共源级管芯供电端通过外接负压Vg来提供。
本发明的输入匹配电路中尾端微带线Tg的输出端还经过串联电阻R6和电容C4接地，通过串联电阻R6和电容C4吸收多余的信号。
如图2所示，本发明的偏置电路包括与多级共源共栅结构对应的多组串联电阻R2和电容C2，每组串联电阻R2和电容C2与对应的功率放大单元连接；具体而言，每组串联电阻R2和电容C2的一端与共栅级管芯FET2的栅极连接，每组串联电阻R2和电容C2的另一端接地，各组串联电阻R2和电容C2之间的连接端依次串联连接，使得共栅级管芯FET2的栅极射频接地形成共栅结构，从而实现较高增益、高的输出阻抗、良好的反射隔离度等特性。
本发明的偏置电路中各组串联电阻R2和电容C2的连接端与串联电阻R3和电阻R4的连接端连接，所述串联电阻R3和电阻R4的一端与共栅级管芯供电端连接，所述串联电阻R3和电阻R4的另一端接地。
由于传统分布式放大器中每级晶体管的负载是相同的，电流会逐级增加，后级的晶体管的漏极电压摆幅会大于前级晶体管的漏极电压摆幅，所以在晶体管工作在非最佳负载阻抗的条件下，导致功率放大器的效率较低。
因此本发明在各级晶体管漏极采用非均匀传输线来进行匹配，各级晶体管的电流可以同相叠加，晶体管的寄生电容可以被栅极和漏极传输线完全吸收，可以使晶体管的阻抗匹配达到最优，使功率放大器的效率增大。
如图2所示，本发明的非均匀输出匹配电路包括与多级共源共栅结构对应的多个非均匀微带线Td，各个非均匀微带线Td采用非均匀结构并依次串联连接，使晶体管达到最优阻抗匹配；每个非均匀微带线Td的输入端与共栅级管芯FET2的漏极连接，首端非均匀微带线Td的输入端与共栅级管芯供电端连接，尾端非均匀微带线Td的输出端为放大信号输入端。
如图2所示，本发明的输出匹配电路中首端非均匀微带线Td的输入端经过串联电阻R5和电容C3接地，从而通过串联电阻R5和电容C3吸收多余的信号；串联电阻R5和电容C3的连接端与共栅级管芯供电端连接，共栅级管芯供电端通过电影Vd提供。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，包括多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2、偏置电路、栅极RC电路、输入匹配电路和非均匀输出匹配电路，所述共源级管芯FET1的漏极与共栅级管芯FET2的源极连接，所述共源级管芯FET1的栅极经过栅极RC电路与输入匹配电路连接；所述输入匹配电路的一端作为放大信号输入端，其另一端与共源级管芯供电端连接；所述共栅级管芯FET2的栅极经过偏置电路与共栅级管芯供电端连接，所述共栅级管芯FET2的漏极与非均匀输出匹配电路连接；所述非均匀输出匹配电路的一端作为放大信号输出端，其另一端与共栅级管芯供电端连接。
2.根据权利要求1所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述多级共源共栅结构的共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2具体包括多级共源级管芯FET1和共栅级管芯FET2构成的功率放大单元，每级功率放大单元中共源级管芯FET1的漏极与共栅级管芯FET2的源极连接，各级功率放大单元中共栅级管芯FET2的栅极依次连接。
3.根据权利要求2所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述栅极RC电路包括与多级共源共栅结构对应的多组并联电阻R1和电容C1，每组并联电阻R1和电容C1的输出端与共源级管芯FET1的栅极连接，每组并联电阻R1和电容C1的输入端与输入匹配电路连接。
4.根据权利要求3所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路包括与多级共源共栅结构对应的多个微带线Tg，各个微带线Tg依次串联连接，每个微带线Tg的输出端与并联电阻R1和电容C1的输入端连接，首端微带线Tg的输入端为放大信号输入端，尾端微带线Tg的输出端与共源级管芯供电端连接。
5.根据权利要求4所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路中尾端微带线Tg的输出端还经过串联电阻R6和电容C4接地。
6.根据权利要求2所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述偏置电路包括与多级共源共栅结构对应的多组串联电阻R2和电容C2，每组串联电阻R2和电容C2的一端与共栅级管芯FET2的栅极连接，每组串联电阻R2和电容C2的另一端接地，各组串联电阻R2和电容C2的连接端依次串联连接。
7.根据权利要求6所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述偏置电路中各组串联电阻R2和电容C2的连接端与串联电阻R3和电阻R4的连接端连接，所述串联电阻R3和电阻R4的一端与共栅级管芯供电端连接，所述串联电阻R3和电阻R4的另一端接地。
8.根据权利要求7所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述非均匀输出匹配电路包括与多级共源共栅结构对应的多个非均匀微带线Td，各个非均匀微带线Td依次串联连接，每个非均匀微带线Td的输入端与共栅级管芯FET2的漏极连接，首端非均匀微带线Td的输入端与共栅级管芯供电端连接，尾端非均匀微带线Td的输出端为放大信号输入端。
9.根据权利要求8所述的改进型超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述输出匹配电路中首端非均匀微带线Td的输入端经过串联电阻R5和电容C3接地，所述串联电阻R5和电容C3的连接端与共栅级管芯供电端连接。
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