CN111934632A - 一种超宽带高功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带高功率放大器，包括输入人工传输线匹配网络、输入吸收负载、高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络、输出人工传输线匹配网络和输出吸收负载，本发明结合了单个晶体管结构放大器和分布式放大器的优点，具有超宽带下高功率输出能力、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性且成本低等优点，同时避免了大功率功放设计中要面临集成电路工艺的低击穿电压特性，提高了电路的稳定性与可靠性。

Description

一种超宽带高功率放大器

技术领域

本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种超宽带高功率放大器的设计。

背景技术

随着电子战、软件无线电、超宽带通信、无线局域网等军用电子对抗与通信、民用通信市场的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有超宽带、高输出功率、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。

然而，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：

（1）高功率高效率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的栅长越来越短，由此带来了低击穿电压和高膝点电压，从而限制了单一晶体管的功率容量。为了获得高功率能力，往往需要多路晶体管功率合成，但是由于多路合成网络的能量损耗导致功率放大器的效率比较低，因此高功率、高效率能力较差。

（2）超宽带高功率放大能力受限：为满足高功率指标就需要多个晶体管功率合成，但是多路合成的负载阻抗大大降低，从而导致了很高的阻抗变换比；在高阻抗变换比下，实现宽带特性是极大的挑战。

常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是分布式放大器，但是分布式放大器要同时满足各项参数的要求十分困难，主要是因为：

（1）在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单一场效应晶体管采用分布式放大排列的方式实现，由于单一场效应晶体管其功率增益较低、最佳阻抗偏低、隔离度较差、因此也导致反射特性恶化，从而降低了合成效率；

（2）传统分布式放大器的设计中为了分析简单，往往忽略了密勒电容对于电路的影响，从而导致电路结构设计完后需要大量的工作进行电路调试，耗费了大量的人力物力，降低了电路设计效率；为了降低了密勒效应对于电路的影响，采用Cascode双晶体管分布式放大结构，但是Cascode双晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法改善功率增益等指标，也无法实现Cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，从而降低了输出功率特性。

（3）一些新型分布式放大器采用了二堆叠或者三堆叠放大器作为放大单元，这种结构可以改善功率增益，但是实现宽带放大器时堆叠晶体管的高频效率比传统共源或者共射放大器恶化更加显著，高频阻抗匹配和低频阻抗匹配很难达到平衡，往往高频效率损失较大。

由此可以看出，超宽带射频功率放大器设计难点为：超宽带下高功率输出、高功率增益难度较大，宽带高频效率恶化明显；传统单个晶体管结构、Cascode晶体管或者堆叠晶体管的分布式放大结构存在很多局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽带高功率放大器，结合了单个晶体管结构放大器和分布式放大器的优点，具有超宽带下高功率输出能力、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性且成本低等优点。

本发明的技术方案为：一种超宽带高功率放大器，包括输入人工传输线匹配网络、输入吸收负载、高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络、输出人工传输线匹配网络和输出吸收负载；输入人工传输线匹配网络的输入端为超宽带高功率放大器的射频输入端，其第一输出端、第二输出端和第三输出端分别与高功率低频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第四输出端、第五输出端和第六输出端分别与第一中功率中频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第七输出端、第八输出端和第九输出端分别与第二中功率中频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第十输出端、第十一输出端和第十二输出端分别与高功率高频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接；输出人工传输线匹配网络的输出端为超宽带高功率放大器的射频输出端，其第一输入端、第二输入端和第三输入端分别与高功率低频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第四输入端、第五输入端和第六输入端分别与第一中功率中频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第七输入端、第八输入端和第九输入端分别与第二中功率中频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第十输入端、第十一输入端和第十二输入端分别与高功率高频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接；输入吸收负载与输入人工传输线匹配网络连接，输出吸收负载与输出人工传输线匹配网络连接。

本发明的有益效果是：本发明的核心架构采用四堆叠、三堆叠、二堆叠到共源放大的多级网络，使得整个超宽带高功率放大器获得了良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高了电路的稳定性与可靠性。同时，这种结构可以显著改善宽带功率和高频效率指标，达到高频阻抗匹配和低频阻抗匹配的良好平衡。

进一步地，输入人工传输线匹配网络包括依次串联的电容C₁、电感L₁、电感L₂、电感L₃、电感L₄、电感L₅、电感L₆、电感L₇、电感L₈、电感L₉、电感L₁₀、电感L₁₁、电感L₁₂和电感L₁₃；电容C₁的一端与电感L₁连接，其另一端作为输入人工传输线匹配网络的输入端；电感L₁和电感L₂的连接节点还与电容C₂的一端连接，电容C₂的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第一输出端，电感L₂和电感L₃的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第二输出端，电感L₃和电感L₄的连接节点还与电容C₃的一端连接，电容C₃的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第三输出端；电感L₄和电感L₅的连接节点还与电容C₄的一端连接，电容C₄的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第四输出端，电感L₅和电感L₆的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第五输出端，电感L₆和电感L₇的连接节点还与电容C₅的一端连接，电容C₅的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第六输出端；电感L₇和电感L₈的连接节点还与电容C₆的一端连接，电容C₆的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第七输出端，电感L₈和电感L₉的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第八输出端，电感L₉和电感L₁₀的连接节点还与电容C₇的一端连接，电容C₇的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第九输出端；电感L₁₀和电感L₁₁的连接节点还与电容C₈的一端连接，电容C₈的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第十输出端，电感L₁₁和电感L₁₂的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第十一输出端，电感L₁₂和电感L₁₃的连接节点还与电容C₉的一端连接，电容C₉的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第十二输出端；电感L₁₃的一端与电感L₁₂连接，其另一端与输入吸收负载连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用输入人工传输线匹配网络，可以改善输入匹配网络的匹配驻波，同时简化栅极供电网络，节省芯片面积。

进一步地，输入吸收负载包括接地电容C₁₀、电容C₁₁、电感L₁₄和接地电阻R₁，电容C₁₁的一端与接地电阻R₁连接，其另一端分别与电感L₁₄的一端以及电感L₁₃的另一端连接，电感L₁₄的另一端分别与接地电容C₁₀以及低压偏置电源V_g连接。

上述进一步方案的有益效果是：输入吸收负载用于吸收输入人工传输线匹配网络的反射信号，改善电路的阻抗匹配，同时提高电路稳定性指标。

进一步地，高功率低频放大网络包括第一路四堆叠功率放大结构和第二路四堆叠功率放大结构；第一路四堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁、中间层晶体管M₂、中间层晶体管M₃以及底层晶体管M₄，底层晶体管M₄的源极接地，其栅极与电阻R₅的一端连接，并作为高功率低频放大网络的第一输入端，中间层晶体管M₃的栅极分别与电阻R₄的一端以及接地电容C₁₄连接，中间层晶体管M₂的栅极分别与电阻R₃的一端以及接地电容C₁₃连接，顶层晶体管M₁的栅极分别与电阻R₂的一端以及接地电容C₁₂连接，其漏极作为高功率低频放大网络的第一输出端；第二路四堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₅、中间层晶体管M₆、中间层晶体管M₇以及底层晶体管M₈，底层晶体管M₈的源极接地，其栅极与电阻R₉的一端连接，并作为高功率低频放大网络的第三输入端，中间层晶体管M₇的栅极分别与电阻R₈的一端以及接地电容C₁₇连接，中间层晶体管M₆的栅极分别与电阻R₇的一端以及接地电容C₁₆连接，顶层晶体管M₅的栅极分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₁₅连接，其漏极作为高功率低频放大网络的第三输出端；电阻R₅的另一端分别与电阻R₉的另一端、电阻R₁₂的一端以及电阻R₁₃的一端连接，电阻R₁₃的另一端作为高功率低频放大网络的第二输入端，电阻R₄的另一端分别与电阻R₈的另一端、电阻R₁₂的另一端以及电阻R₁₁的一端连接，电阻R₃的另一端分别与电阻R₇的另一端、电阻R₁₁的另一端以及电阻R₁₀的一端连接，电阻R₂的另一端分别与电阻R₆的另一端以及电阻R₁₀的另一端连接，并作为高功率低频放大网络的第二输出端。

上述进一步方案的有益效果是：高功率低频放大网络可以显著提升低频的功率增益、功率容量，提高电路的耐击穿特性。

进一步地，第一中功率中频放大网络包括第一路三堆叠功率放大结构和第二路三堆叠功率放大结构；第一路三堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₉、中间层晶体管M₁₀以及底层晶体管M₁₁，底层晶体管M₁₁的源极接地，其栅极与电阻R₁₆的一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第一输入端，中间层晶体管M₁₀的栅极分别与电阻R₁₅的一端以及接地电容C₁₉连接，顶层晶体管M₉的栅极分别与电阻R₁₄的一端以及接地电容C₁₈连接，其漏极作为第一中功率中频放大网络的第一输出端；第二路三堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₂、中间层晶体管M₁₃以及底层晶体管M₁₄，底层晶体管M₁₄的源极接地，其栅极与电阻R₁₉的一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第三输入端，中间层晶体管M₁₃的栅极分别与电阻R₁₈的一端以及接地电容C₂₁连接，顶层晶体管M₁₂的栅极分别与电阻R₁₇的一端以及接地电容C₂₀连接，其漏极作为第一中功率中频放大网络的第三输出端；电阻R₁₆的另一端分别与电阻R₁₉的另一端、电阻R₂₁的一端以及电阻R₂₂的一端连接，电阻R₂₂的另一端作为第一中功率中频放大网络的第二输入端，电阻R₁₅的另一端分别与电阻R₁₈的另一端、电阻R₂₁的另一端以及电阻R₂₀的一端连接，电阻R₁₄的另一端分别与电阻R₁₇的另一端以及电阻R₂₀的另一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第二输出端。

上述进一步方案的有益效果是：第一中功率中频放大网络在保证中频功率容量的前提下可显著提升低频到高频的增益平坦度。

进一步地，第二中功率中频放大网络包括第一路二堆叠功率放大结构和第二路二堆叠功率放大结构；第一路二堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₅和底层晶体管M₁₆，底层晶体管M₁₆的源极接地，其栅极与电阻R₂₄的一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第一输入端，顶层晶体管M₁₅的栅极分别与电阻R₂₃的一端以及接地电容C₂₂连接，其漏极作为第二中功率中频放大网络的第一输出端；第二路二堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₇和底层晶体管M₁₈，底层晶体管M₁₈的源极接地，其栅极与电阻R₂₆的一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第三输入端，顶层晶体管M₁₇的栅极分别与电阻R₂₅的一端以及接地电容C₂₃连接，其漏极作为第二中功率中频放大网络的第三输出端；电阻R₂₄的另一端分别与电阻R₂₆的另一端、电阻R₂₇的一端以及电阻R₂₈的一端连接，电阻R₂₈的另一端作为第二中功率中频放大网络的第二输入端，电阻R₂₃的另一端分别与电阻R₂₅的另一端以及电阻R₂₇的另一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第二输出端。

上述进一步方案的有益效果是：第二中功率中频放大网络在保证中频功率容量的前提下可显著提升低频到高频的增益平坦度。

进一步地，高功率高频放大网络包括晶体管M₁₉和晶体管M₂₀，晶体管M₁₉的源极接地，其栅极与电阻R₂₉的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第一输入端，其漏极作为高功率高频放大网络的第一输出端，晶体管M₂₀的源极接地，其栅极与电阻R₃₀的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第三输入端，其漏极作为高功率高频放大网络的第三输出端，电阻R₂₉的另一端分别与电阻R₃₀的另一端以及电阻R₃₁的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第二输出端，电阻R₃₁的另一端作为高功率高频放大网络的第二输入端。

上述进一步方案的有益效果是：高功率高频放大网络同堆叠放大网络相比，效率损失小，高频效率指标改善更加明显，同时规避了堆叠放大网络的高频寄生损耗。

进一步地，输出人工传输线匹配网络包括依次串联的电感L₁₆、电感L₁₇、电感L₁₈、电感L₁₉、电容C₂₇、电感L₂₁、电感L₂₂、电感L₂₃、电容C₃₀、电感L₂₅、电感L₂₆、电感L₂₇、电容C₃₃、电感L₂₉、电感L₃₀、电感L₃₁和电容C₃₆；电感L₁₆的一端与电感L₁₇连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第一输入端，其另一端分别与接地电容C₂₅以及高压偏置电源V_d1连接，电感L₁₇和电感L₁₈的连接节点还分别与电阻R₃₃的一端以及接地电容C₂₅连接，电阻R₃₃的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第二输入端，电感L₁₈和电感L₁₉的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第三输入端；电容C₂₇和电感L₂₁的连接节点还与电感L₂₀的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第四输入端，电感L₂₀的另一端分别与接地电容C₂₈以及高压偏置电源V_d2连接，电感L₂₁和电感L₂₂的连接节点还分别与电阻R₃₄的一端以及接地电容C₂₉连接，电阻R₃₄的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第五输入端，电感L₂₂和电感L₂₃的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第六输入端；电容C₃₀和电感L₂₅的连接节点还与电感L₂₄的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第七输入端，电感L₂₄的另一端分别与接地电容C₃₁以及高压偏置电源V_d3连接，电感L₂₅和电感L₂₆的连接节点还分别与电阻R₃₅的一端以及接地电容C₃₂连接，电阻R₃₅的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第八输入端，电感L₂₆和电感L₂₇的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第九输入端；电容C₃₃和电感L₂₉的连接节点还与电感L₂₈的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第十输入端，电感L₂₈的另一端分别与接地电容C₃₄以及高压偏置电源V_d4连接，电感L₂₉和电感L₃₀的连接节点还分别与电阻R₃₆的一端以及接地电容C₃₅连接，电阻R₃₆的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第十一输入端，电感L₃₀和电感L₃₁的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第十二输入端；电容C₃₆的一端与电感L₃₁连接，其另一端作为输出人工传输线匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用输出人工传输线匹配网络，可以改善输出匹配网络的驻波匹配，同时为高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络提供良好的漏极供电和电路去耦。

进一步地，输出吸收负载包括电感L₁₅、电容C₂₄以及接地电阻R₃₂，电感L₁₅的一端与输出人工传输线匹配网络的第一输入端连接，其另一端通过电容C₂₄与接地电阻R₃₂连接。

上述进一步方案的有益效果是：输出吸收负载用于吸收输出人工传输线匹配网络的反射信号，改善电路的阻抗匹配，同时提高电路稳定性指标。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种超宽带高功率放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的一种超宽带高功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种超宽带高功率放大器，如图1所示，包括输入人工传输线匹配网络、输入吸收负载、高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络、输出人工传输线匹配网络和输出吸收负载。

输入人工传输线匹配网络的输入端为超宽带高功率放大器的射频输入端，其第一输出端、第二输出端和第三输出端分别与高功率低频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第四输出端、第五输出端和第六输出端分别与第一中功率中频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第七输出端、第八输出端和第九输出端分别与第二中功率中频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第十输出端、第十一输出端和第十二输出端分别与高功率高频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接。

输出人工传输线匹配网络的输出端为超宽带高功率放大器的射频输出端，其第一输入端、第二输入端和第三输入端分别与高功率低频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第四输入端、第五输入端和第六输入端分别与第一中功率中频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第七输入端、第八输入端和第九输入端分别与第二中功率中频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第十输入端、第十一输入端和第十二输入端分别与高功率高频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接。

输入吸收负载与输入人工传输线匹配网络连接，输出吸收负载与输出人工传输线匹配网络连接。

如图2所示，输入人工传输线匹配网络包括依次串联的电容C₁、电感L₁、电感L₂、电感L₃、电感L₄、电感L₅、电感L₆、电感L₇、电感L₈、电感L₉、电感L₁₀、电感L₁₁、电感L₁₂和电感L₁₃。

电容C₁的一端与电感L₁连接，其另一端作为输入人工传输线匹配网络的输入端。

电感L₁和电感L₂的连接节点还与电容C₂的一端连接，电容C₂的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第一输出端，电感L₂和电感L₃的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第二输出端，电感L₃和电感L₄的连接节点还与电容C₃的一端连接，电容C₃的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第三输出端。

电感L₄和电感L₅的连接节点还与电容C₄的一端连接，电容C₄的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第四输出端，电感L₅和电感L₆的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第五输出端，电感L₆和电感L₇的连接节点还与电容C₅的一端连接，电容C₅的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第六输出端。

电感L₇和电感L₈的连接节点还与电容C₆的一端连接，电容C₆的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第七输出端，电感L₈和电感L₉的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第八输出端，电感L₉和电感L₁₀的连接节点还与电容C₇的一端连接，电容C₇的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第九输出端。

电感L₁₀和电感L₁₁的连接节点还与电容C₈的一端连接，电容C₈的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第十输出端，电感L₁₁和电感L₁₂的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第十一输出端，电感L₁₂和电感L₁₃的连接节点还与电容C₉的一端连接，电容C₉的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第十二输出端。

电感L₁₃的一端与电感L₁₂连接，其另一端与输入吸收负载连接。

如图2所示，输入吸收负载包括接地电容C₁₀、电容C₁₁、电感L₁₄和接地电阻R₁，电容C₁₁的一端与接地电阻R₁连接，其另一端分别与电感L₁₄的一端以及电感L₁₃的另一端连接，电感L₁₄的另一端分别与接地电容C₁₀以及低压偏置电源V_g连接。

如图2所示，高功率低频放大网络包括第一路四堆叠功率放大结构和第二路四堆叠功率放大结构。

第一路四堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁、中间层晶体管M₂、中间层晶体管M₃以及底层晶体管M₄，底层晶体管M₄的源极接地，其栅极与电阻R₅的一端连接，并作为高功率低频放大网络的第一输入端，中间层晶体管M₃的栅极分别与电阻R₄的一端以及接地电容C₁₄连接，中间层晶体管M₂的栅极分别与电阻R₃的一端以及接地电容C₁₃连接，顶层晶体管M₁的栅极分别与电阻R₂的一端以及接地电容C₁₂连接，其漏极作为高功率低频放大网络的第一输出端。

第二路四堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₅、中间层晶体管M₆、中间层晶体管M₇以及底层晶体管M₈，底层晶体管M₈的源极接地，其栅极与电阻R₉的一端连接，并作为高功率低频放大网络的第三输入端，中间层晶体管M₇的栅极分别与电阻R₈的一端以及接地电容C₁₇连接，中间层晶体管M₆的栅极分别与电阻R₇的一端以及接地电容C₁₆连接，顶层晶体管M₅的栅极分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₁₅连接，其漏极作为高功率低频放大网络的第三输出端。

电阻R₅的另一端分别与电阻R₉的另一端、电阻R₁₂的一端以及电阻R₁₃的一端连接，电阻R₁₃的另一端作为高功率低频放大网络的第二输入端，电阻R₄的另一端分别与电阻R₈的另一端、电阻R₁₂的另一端以及电阻R₁₁的一端连接，电阻R₃的另一端分别与电阻R₇的另一端、电阻R₁₁的另一端以及电阻R₁₀的一端连接，电阻R₂的另一端分别与电阻R₆的另一端以及电阻R₁₀的另一端连接，并作为高功率低频放大网络的第二输出端。

如图2所示，第一中功率中频放大网络包括第一路三堆叠功率放大结构和第二路三堆叠功率放大结构。

第一路三堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₉、中间层晶体管M₁₀以及底层晶体管M₁₁，底层晶体管M₁₁的源极接地，其栅极与电阻R₁₆的一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第一输入端，中间层晶体管M₁₀的栅极分别与电阻R₁₅的一端以及接地电容C₁₉连接，顶层晶体管M₉的栅极分别与电阻R₁₄的一端以及接地电容C₁₈连接，其漏极作为第一中功率中频放大网络的第一输出端。

第二路三堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₂、中间层晶体管M₁₃以及底层晶体管M₁₄，底层晶体管M₁₄的源极接地，其栅极与电阻R₁₉的一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第三输入端，中间层晶体管M₁₃的栅极分别与电阻R₁₈的一端以及接地电容C₂₁连接，顶层晶体管M₁₂的栅极分别与电阻R₁₇的一端以及接地电容C₂₀连接，其漏极作为第一中功率中频放大网络的第三输出端。

电阻R₁₆的另一端分别与电阻R₁₉的另一端、电阻R₂₁的一端以及电阻R₂₂的一端连接，电阻R₂₂的另一端作为第一中功率中频放大网络的第二输入端，电阻R₁₅的另一端分别与电阻R₁₈的另一端、电阻R₂₁的另一端以及电阻R₂₀的一端连接，电阻R₁₄的另一端分别与电阻R₁₇的另一端以及电阻R₂₀的另一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第二输出端。

如图2所示，第二中功率中频放大网络包括第一路二堆叠功率放大结构和第二路二堆叠功率放大结构。

第一路二堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₅和底层晶体管M₁₆，底层晶体管M₁₆的源极接地，其栅极与电阻R₂₄的一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第一输入端，顶层晶体管M₁₅的栅极分别与电阻R₂₃的一端以及接地电容C₂₂连接，其漏极作为第二中功率中频放大网络的第一输出端。

第二路二堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₇和底层晶体管M₁₈，底层晶体管M₁₈的源极接地，其栅极与电阻R₂₆的一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第三输入端，顶层晶体管M₁₇的栅极分别与电阻R₂₅的一端以及接地电容C₂₃连接，其漏极作为第二中功率中频放大网络的第三输出端。

电阻R₂₄的另一端分别与电阻R₂₆的另一端、电阻R₂₇的一端以及电阻R₂₈的一端连接，电阻R₂₈的另一端作为第二中功率中频放大网络的第二输入端，电阻R₂₃的另一端分别与电阻R₂₅的另一端以及电阻R₂₇的另一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第二输出端。

如图2所示，高功率高频放大网络包括晶体管M₁₉和晶体管M₂₀，晶体管M₁₉的源极接地，其栅极与电阻R₂₉的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第一输入端，其漏极作为高功率高频放大网络的第一输出端，晶体管M₂₀的源极接地，其栅极与电阻R₃₀的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第三输入端，其漏极作为高功率高频放大网络的第三输出端，电阻R₂₉的另一端分别与电阻R₃₀的另一端以及电阻R₃₁的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第二输出端，电阻R₃₁的另一端作为高功率高频放大网络的第二输入端。

如图2所示，输出人工传输线匹配网络包括依次串联的电感L₁₆、电感L₁₇、电感L₁₈、电感L₁₉、电容C₂₇、电感L₂₁、电感L₂₂、电感L₂₃、电容C₃₀、电感L₂₅、电感L₂₆、电感L₂₇、电容C₃₃、电感L₂₉、电感L₃₀、电感L₃₁和电容C₃₆。

电感L₁₆的一端与电感L₁₇连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第一输入端，其另一端分别与接地电容C₂₅以及高压偏置电源V_d1连接，电感L₁₇和电感L₁₈的连接节点还分别与电阻R₃₃的一端以及接地电容C₂₅连接，电阻R₃₃的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第二输入端，电感L₁₈和电感L₁₉的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第三输入端。

电容C₂₇和电感L₂₁的连接节点还与电感L₂₀的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第四输入端，电感L₂₀的另一端分别与接地电容C₂₈以及高压偏置电源V_d2连接，电感L₂₁和电感L₂₂的连接节点还分别与电阻R₃₄的一端以及接地电容C₂₉连接，电阻R₃₄的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第五输入端，电感L₂₂和电感L₂₃的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第六输入端。

电容C₃₀和电感L₂₅的连接节点还与电感L₂₄的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第七输入端，电感L₂₄的另一端分别与接地电容C₃₁以及高压偏置电源V_d3连接，电感L₂₅和电感L₂₆的连接节点还分别与电阻R₃₅的一端以及接地电容C₃₂连接，电阻R₃₅的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第八输入端，电感L₂₆和电感L₂₇的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第九输入端。

电容C₃₃和电感L₂₉的连接节点还与电感L₂₈的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第十输入端，电感L₂₈的另一端分别与接地电容C₃₄以及高压偏置电源V_d4连接，电感L₂₉和电感L₃₀的连接节点还分别与电阻R₃₆的一端以及接地电容C₃₅连接，电阻R₃₆的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第十一输入端，电感L₃₀和电感L₃₁的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第十二输入端。

电容C₃₆的一端与电感L₃₁连接，其另一端作为输出人工传输线匹配网络的输出端。

如图2所示，输出吸收负载包括电感L₁₅、电容C₂₄以及接地电阻R₃₂，电感L₁₅的一端与输出人工传输线匹配网络的第一输入端连接，其另一端通过电容C₂₄与接地电阻R₃₂连接。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端RF_in进入电路，通过输入隔直耦合电容C₁，以电压分布式的方式进入L₁~L₁₃、C₂~C₉构成的栅极人工传输线，然后分别进入高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络，针对不同频段的信号进行功率放大后，以电压分布式的方式进入L₁₇~L₃₁构成的输出人工传输线匹配网络进行功率叠加，然后通过输出隔直耦合电容C₃₆，进入输出端RF_out完成信号功率放大。其中电容C₂₇、C₃₀、C₃₃用于实现高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络之间的直流供电的隔直作用，使得其漏极供电相互无干扰。

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)

1.一种超宽带高功率放大器，其特征在于，包括输入人工传输线匹配网络、输入吸收负载、高功率低频放大网络、第一中功率中频放大网络、第二中功率中频放大网络、高功率高频放大网络、输出人工传输线匹配网络和输出吸收负载；

所述输入人工传输线匹配网络的输入端为超宽带高功率放大器的射频输入端，其第一输出端、第二输出端和第三输出端分别与高功率低频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第四输出端、第五输出端和第六输出端分别与第一中功率中频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第七输出端、第八输出端和第九输出端分别与第二中功率中频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接，其第十输出端、第十一输出端和第十二输出端分别与高功率高频放大网络的第一输入端、第二输入端和第三输入端一一对应连接；

所述输出人工传输线匹配网络的输出端为超宽带高功率放大器的射频输出端，其第一输入端、第二输入端和第三输入端分别与高功率低频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第四输入端、第五输入端和第六输入端分别与第一中功率中频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第七输入端、第八输入端和第九输入端分别与第二中功率中频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接，其第十输入端、第十一输入端和第十二输入端分别与高功率高频放大网络的第一输出端、第二输出端和第三输出端一一对应连接；

所述输入吸收负载与输入人工传输线匹配网络连接，所述输出吸收负载与输出人工传输线匹配网络连接。

2.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述输入人工传输线匹配网络包括依次串联的电容C₁、电感L₁、电感L₂、电感L₃、电感L₄、电感L₅、电感L₆、电感L₇、电感L₈、电感L₉、电感L₁₀、电感L₁₁、电感L₁₂和电感L₁₃；

所述电容C₁的一端与电感L₁连接，其另一端作为输入人工传输线匹配网络的输入端；

所述电感L₁和电感L₂的连接节点还与电容C₂的一端连接，所述电容C₂的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第一输出端，所述电感L₂和电感L₃的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第二输出端，所述电感L₃和电感L₄的连接节点还与电容C₃的一端连接，所述电容C₃的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第三输出端；

所述电感L₄和电感L₅的连接节点还与电容C₄的一端连接，所述电容C₄的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第四输出端，所述电感L₅和电感L₆的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第五输出端，所述电感L₆和电感L₇的连接节点还与电容C₅的一端连接，所述电容C₅的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第六输出端；

所述电感L₇和电感L₈的连接节点还与电容C₆的一端连接，所述电容C₆的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第七输出端，所述电感L₈和电感L₉的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第八输出端，所述电感L₉和电感L₁₀的连接节点还与电容C₇的一端连接，所述电容C₇的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第九输出端；

所述电感L₁₀和电感L₁₁的连接节点还与电容C₈的一端连接，所述电容C₈的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第十输出端，所述电感L₁₁和电感L₁₂的连接节点作为输入人工传输线匹配网络的第十一输出端，所述电感L₁₂和电感L₁₃的连接节点还与电容C₉的一端连接，所述电容C₉的另一端作为输入人工传输线匹配网络的第十二输出端；

所述电感L₁₃的一端与电感L₁₂连接，其另一端与输入吸收负载连接。

3.根据权利要求2所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述输入吸收负载包括接地电容C₁₀、电容C₁₁、电感L₁₄和接地电阻R₁，所述电容C₁₁的一端与接地电阻R₁连接，其另一端分别与电感L₁₄的一端以及电感L₁₃的另一端连接，所述电感L₁₄的另一端分别与接地电容C₁₀以及低压偏置电源V_g连接。

4.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述高功率低频放大网络包括第一路四堆叠功率放大结构和第二路四堆叠功率放大结构；

所述第一路四堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁、中间层晶体管M₂、中间层晶体管M₃以及底层晶体管M₄，所述底层晶体管M₄的源极接地，其栅极与电阻R₅的一端连接，并作为高功率低频放大网络的第一输入端，所述中间层晶体管M₃的栅极分别与电阻R₄的一端以及接地电容C₁₄连接，所述中间层晶体管M₂的栅极分别与电阻R₃的一端以及接地电容C₁₃连接，所述顶层晶体管M₁的栅极分别与电阻R₂的一端以及接地电容C₁₂连接，其漏极作为高功率低频放大网络的第一输出端；

所述第二路四堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₅、中间层晶体管M₆、中间层晶体管M₇以及底层晶体管M₈，所述底层晶体管M₈的源极接地，其栅极与电阻R₉的一端连接，并作为高功率低频放大网络的第三输入端，所述中间层晶体管M₇的栅极分别与电阻R₈的一端以及接地电容C₁₇连接，所述中间层晶体管M₆的栅极分别与电阻R₇的一端以及接地电容C₁₆连接，所述顶层晶体管M₅的栅极分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₁₅连接，其漏极作为高功率低频放大网络的第三输出端；

所述电阻R₅的另一端分别与电阻R₉的另一端、电阻R₁₂的一端以及电阻R₁₃的一端连接，所述电阻R₁₃的另一端作为高功率低频放大网络的第二输入端，所述电阻R₄的另一端分别与电阻R₈的另一端、电阻R₁₂的另一端以及电阻R₁₁的一端连接，所述电阻R₃的另一端分别与电阻R₇的另一端、电阻R₁₁的另一端以及电阻R₁₀的一端连接，所述电阻R₂的另一端分别与电阻R₆的另一端以及电阻R₁₀的另一端连接，并作为高功率低频放大网络的第二输出端。

5.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述第一中功率中频放大网络包括第一路三堆叠功率放大结构和第二路三堆叠功率放大结构；

所述第一路三堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₉、中间层晶体管M₁₀以及底层晶体管M₁₁，所述底层晶体管M₁₁的源极接地，其栅极与电阻R₁₆的一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第一输入端，所述中间层晶体管M₁₀的栅极分别与电阻R₁₅的一端以及接地电容C₁₉连接，所述顶层晶体管M₉的栅极分别与电阻R₁₄的一端以及接地电容C₁₈连接，其漏极作为第一中功率中频放大网络的第一输出端；

所述第二路三堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₂、中间层晶体管M₁₃以及底层晶体管M₁₄，所述底层晶体管M₁₄的源极接地，其栅极与电阻R₁₉的一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第三输入端，所述中间层晶体管M₁₃的栅极分别与电阻R₁₈的一端以及接地电容C₂₁连接，所述顶层晶体管M₁₂的栅极分别与电阻R₁₇的一端以及接地电容C₂₀连接，其漏极作为第一中功率中频放大网络的第三输出端；

所述电阻R₁₆的另一端分别与电阻R₁₉的另一端、电阻R₂₁的一端以及电阻R₂₂的一端连接，所述电阻R₂₂的另一端作为第一中功率中频放大网络的第二输入端，所述电阻R₁₅的另一端分别与电阻R₁₈的另一端、电阻R₂₁的另一端以及电阻R₂₀的一端连接，所述电阻R₁₄的另一端分别与电阻R₁₇的另一端以及电阻R₂₀的另一端连接，并作为第一中功率中频放大网络的第二输出端。

6.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述第二中功率中频放大网络包括第一路二堆叠功率放大结构和第二路二堆叠功率放大结构；

所述第一路二堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₅和底层晶体管M₁₆，所述底层晶体管M₁₆的源极接地，其栅极与电阻R₂₄的一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第一输入端，所述顶层晶体管M₁₅的栅极分别与电阻R₂₃的一端以及接地电容C₂₂连接，其漏极作为第二中功率中频放大网络的第一输出端；

所述第二路二堆叠功率放大结构包括依次按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M₁₇和底层晶体管M₁₈，所述底层晶体管M₁₈的源极接地，其栅极与电阻R₂₆的一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第三输入端，所述顶层晶体管M₁₇的栅极分别与电阻R₂₅的一端以及接地电容C₂₃连接，其漏极作为第二中功率中频放大网络的第三输出端；

所述电阻R₂₄的另一端分别与电阻R₂₆的另一端、电阻R₂₇的一端以及电阻R₂₈的一端连接，所述电阻R₂₈的另一端作为第二中功率中频放大网络的第二输入端，所述电阻R₂₃的另一端分别与电阻R₂₅的另一端以及电阻R₂₇的另一端连接，并作为第二中功率中频放大网络的第二输出端。

7.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述高功率高频放大网络包括晶体管M₁₉和晶体管M₂₀，所述晶体管M₁₉的源极接地，其栅极与电阻R₂₉的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第一输入端，其漏极作为高功率高频放大网络的第一输出端，所述晶体管M₂₀的源极接地，其栅极与电阻R₃₀的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第三输入端，其漏极作为高功率高频放大网络的第三输出端，所述电阻R₂₉的另一端分别与电阻R₃₀的另一端以及电阻R₃₁的一端连接，并作为高功率高频放大网络的第二输出端，所述电阻R₃₁的另一端作为高功率高频放大网络的第二输入端。

8.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述输出人工传输线匹配网络包括依次串联的电感L₁₆、电感L₁₇、电感L₁₈、电感L₁₉、电容C₂₇、电感L₂₁、电感L₂₂、电感L₂₃、电容C₃₀、电感L₂₅、电感L₂₆、电感L₂₇、电容C₃₃、电感L₂₉、电感L₃₀、电感L₃₁和电容C₃₆；

所述电感L₁₆的一端与电感L₁₇连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第一输入端，其另一端分别与接地电容C₂₅以及高压偏置电源V_d1连接，所述电感L₁₇和电感L₁₈的连接节点还分别与电阻R₃₃的一端以及接地电容C₂₅连接，所述电阻R₃₃的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第二输入端，所述电感L₁₈和电感L₁₉的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第三输入端；

所述电容C₂₇和电感L₂₁的连接节点还与电感L₂₀的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第四输入端，所述电感L₂₀的另一端分别与接地电容C₂₈以及高压偏置电源V_d2连接，所述电感L₂₁和电感L₂₂的连接节点还分别与电阻R₃₄的一端以及接地电容C₂₉连接，所述电阻R₃₄的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第五输入端，所述电感L₂₂和电感L₂₃的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第六输入端；

所述电容C₃₀和电感L₂₅的连接节点还与电感L₂₄的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第七输入端，所述电感L₂₄的另一端分别与接地电容C₃₁以及高压偏置电源V_d3连接，所述电感L₂₅和电感L₂₆的连接节点还分别与电阻R₃₅的一端以及接地电容C₃₂连接，所述电阻R₃₅的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第八输入端，所述电感L₂₆和电感L₂₇的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第九输入端；

所述电容C₃₃和电感L₂₉的连接节点还与电感L₂₈的一端连接，并作为输出人工传输线匹配网络的第十输入端，所述电感L₂₈的另一端分别与接地电容C₃₄以及高压偏置电源V_d4连接，所述电感L₂₉和电感L₃₀的连接节点还分别与电阻R₃₆的一端以及接地电容C₃₅连接，所述电阻R₃₆的另一端作为输出人工传输线匹配网络的第十一输入端，所述电感L₃₀和电感L₃₁的连接节点作为输出人工传输线匹配网络的第十二输入端；

所述电容C₃₆的一端与电感L₃₁连接，其另一端作为输出人工传输线匹配网络的输出端。

9.根据权利要求1所述的超宽带高功率放大器，其特征在于，所述输出吸收负载包括电感L₁₅、电容C₂₄以及接地电阻R₃₂，所述电感L₁₅的一端与输出人工传输线匹配网络的第一输入端连接，其另一端通过电容C₂₄与接地电阻R₃₂连接。

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