CN112543006B - 一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，包括控制功放单元、平衡功放单元、超宽带移相网络以及第一～第三超宽带耦合器。所述平衡功放单元包括镜像的两个功放单元，控制功放单元的输出功率对平衡功放单元中的两个功放单元的负载阻抗进行有源负载调制，实现超宽带可重构。

Description

一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路
技术领域
本发明属于移动通信系统领域，特别涉及了一种单片微波集成电路。
背景技术
在现代移动通信系统中，为了降低系统复杂度、节约空间、降低成本要求功率放大器具有超宽带与可重构特性。
传统的超宽带功率放大器采用分布式或电抗匹配式电路拓扑。分布式功率放大器带宽可以达到多个倍频程，结构相对简单且驻波性能良好，但其增益较低且输出功率受限，难以实现大功率高效率输出。电抗匹配式功率放大器增益较大，可以实现大功率高效率输出，但其驻波性能较差且带宽小于分布式结构，通常只可以达到3个倍频程左右。
传统的可重构功率放大器采用开关或变容器件实现电路或匹配网络的切换，以实现不同模式工作。通过切换开关导通与关断状态，可以实现功率放大器两种工作模式的切换。但开关结构插入损耗较大，尤其对于超宽带开关插入损耗更大，会对功率放大器整体性能指标产生较大影响。而且，单个开关结构仅具有导通和关断两种状态，所以只能实现两种离散状态的可重构，且在开关状态切换时，系统容易出现性能突变。若使用多个开关结构，功率放大器可以实现多个离散状态的可重构，但多个开关的组合会引入更大的插入损耗并增加系统复杂性。通过外部电压控制，可以调节变容器件的电容值实现匹配网络的可重构，但变容器件线性度较差、容值受温度影响较大且难以实现单片微波集成。
对于同时满足超宽带与可重构特性的功率放大器，尤其在单片微波集成电路(MMIC)技术领域目前相关研究较少。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，利用有源负载调制在超宽带范围内实现在不同输出功率、不同工作频段条件下的最优阻抗匹配，发挥器件的最佳性能，实现超宽带下的频率、功率连续可调，从而实现可重构。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，包括控制功放单元、平衡功放单元、超宽带移相网络以及第一～第三超宽带耦合器；所述第一超宽带耦合器的输入端与射频输入口连接；所述超宽带移相网络的输入端与第一超宽带耦合器的第一输出端连接，所述控制功放单元的输入端与超宽带移相网络的输出端连接；所述第二超宽带耦合器的输入端与第一超宽带耦合器的第二输出端连接，所述平衡功放单元包括镜像的两个功放单元，两个功放单元的输入端分别与第二超宽带耦合器的两个输出端连接；所述第三超宽带耦合器的输入端分别与控制功放单元的输出端和两个功放单元的输出端连接，第三超宽带耦合器的输出端与射频输出口连接；
所述控制功放单元、平衡功放单元、超宽带移相网络以及第一～第三超宽带耦合器均为超宽带结构；所述控制功放单元的输出功率对平衡功放单元中的两个功放单元的负载阻抗进行有源负载调制，实现可重构。
进一步地，所述控制功放单元包括依次连接的输入匹配电路、级间匹配电路、谐波控制网络和输出匹配电路，所述输入匹配电路与级间匹配电路之间串联晶体管，所述谐波控制网络与输出匹配电路之间串联晶体管。
进一步地，在控制功放单元中，所述输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路采用多级LC结构。
进一步地，所述平衡功放单元的两个功放单元均包括依次连接的输入匹配电路、级间匹配电路、谐波控制网络和预匹配电路，所述输入匹配电路与级间匹配电路之间串联晶体管，所述谐波控制网络与预匹配电路之间串联晶体管。
进一步地，在平衡功放单元中，所述输入匹配电路和级间匹配电路采用多级LC结构。
进一步地，所述第一超宽带耦合器将射频输入信号功率合理分配到超宽带移相网络和第二超宽带耦合器。
进一步地，所述第二超宽带耦合器将第一超宽带耦合器的第二输出端信号功率合理分配到平衡功放单元的两个功放单元。
进一步地，所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路的晶圆采用GaN或GaAs材料作为基片。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明在超宽带范围内实现不同输出功率、不同工作频段条件下的最优阻抗匹配，发挥器件的最佳性能，最终实现超宽带可重构；
(2)本发明实现功率放大器状态的连续可重构，而不同于传统可重构功率放大器只在若干离散状态实现可重构；
(3)本发明基于有源负载调制，可调谐阻抗范围大，可以遍布整个史密斯圆图，与固定的无源匹配网络相比具有更大的灵活性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中控制功放单元的一种实施例示意图；
图3为本发明中平衡功放单元的一种实施例示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，如图1所示，包括控制功放单元100、平衡功放单元200、超宽带移相网络300、超宽带耦合器400、超宽带耦合器500、超宽带耦合器600。
所述超宽带耦合器400的输入端与射频输入口相连，用于将射频输入信号功率合理分配到超宽带移相网络300和超宽带耦合器500，具体的功率分配比可以根据需要进行调整，本发明对此不做限制。
所述超宽带移相网络300的输入端与超宽带耦合器400的输出端①相连，用于相位调整。
所述超宽带耦合器500的输入端与超宽带耦合器400输出端②相连，用于将超宽带耦合器400输出端②的信号功率合理分配到平衡功放单元200的两个镜像部分210和220，常用的功率分配比为3dB，具体的功率分配比可以根据需要进行调整，本发明对此不做限制。
所述平衡功放单元200包括两个镜像部分210和220，两个镜像部分210和220的输入端分别与超宽带耦合器500的两个输出端连接。
所述控制功放单元100的输入端与超宽带移相网络300的输出端相连。所述控制功放单元100的输出功率Pcs对平衡功放单元200的两个镜像部分210和220的负载阻抗ZB1和ZB2进行有源负载调制，实现可重构。
所述超宽带耦合器600的输入端分别与控制功放单元100和平衡功放单元200的输出端相连。所述超宽带耦合器600的输出端与射频输出口相连。
在本实施例中，如图2所示，提供了控制功放单元100的一种实施例图，包括输入匹配电路110、级间匹配电路120、谐波控制网络130、输出匹配电路140。所述输入匹配电路110、级间匹配电路120、输出匹配电路140采用多级LC结构实现超宽带阻抗匹配。所述谐波控制网络130对谐波进行抑制提高控制功放单元100的效率。
在本实施例中，如图3所示，提供了平衡功放单元200的一种实施例图，其中镜像部分210包括输入匹配电路211、级间匹配电路212、谐波控制网络213、预匹配电路214，镜像部分220包括输入匹配电路221、级间匹配电路222、谐波控制网络223、预匹配电路224。所述输入匹配电路211、221，级间匹配电路212、222采用多级LC结构实现超宽带阻抗匹配。所述预匹配电路214、224实现超宽带阻抗初步的低损耗末级预匹配。所述谐波控制网络213、223对谐波进行抑制提高平衡功放单元200的效率。
本发明综合考虑工作频段、功率、效率、一致性、成品率、成本，以适当的半导体技术制造，晶圆可以采用GaN或GaAs材料作为基片，但不仅限于此。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，其特征在于：包括控制功放单元、平衡功放单元、超宽带移相网络以及第一～第三超宽带耦合器；所述第一超宽带耦合器的输入端与射频输入口连接；所述超宽带移相网络的输入端与第一超宽带耦合器的第一输出端连接，所述控制功放单元的输入端与超宽带移相网络的输出端连接；所述第二超宽带耦合器的输入端与第一超宽带耦合器的第二输出端连接，所述平衡功放单元包括镜像的两个功放单元，两个功放单元的输入端分别与第二超宽带耦合器的两个输出端连接；所述第三超宽带耦合器的输入端分别与控制功放单元的输出端和两个功放单元的输出端连接，第三超宽带耦合器的输出端与射频输出口连接；
所述控制功放单元、平衡功放单元、超宽带移相网络以及第一～第三超宽带耦合器均为超宽带结构；所述控制功放单元的输出功率对平衡功放单元中的两个功放单元的负载阻抗进行有源负载调制，实现可重构；
所述控制功放单元包括依次连接的输入匹配电路、级间匹配电路、谐波控制网络和输出匹配电路，所述输入匹配电路与级间匹配电路之间串联第一晶体管，所述谐波控制网络与输出匹配电路之间串联的第二晶体管；
所述输入匹配包括第一~三电容、第一~三微带线、第一栅级偏置电压和第一电阻；第一电容的一端与超宽带移相器网络连接，的另一端分别与第二电容和第一微带线的一端连接；第二电容的另一端接地；第一微带线的另一端分别与第二微带线和第三微带线的一端连接；第二微带线的另一端与第一电阻的一端连接；第三微带线的另一端与第一晶体管的栅级连接；第一电阻的另一端分别与第三电容一端以及第一栅级偏置电压连接；第三电容的另一端接地；
所述级间匹配电路包括第四~第九微带线、第四~第九电容、第一漏级偏置电压、第二栅级偏置电压以及第二电阻；第四微带线的一端与第一晶体管的漏极连接，另一端分别与第五微带线的一端和第四电容的一端连接；第五微带线的另一端与第五电容一端和第一漏级偏置电压的一端连接；第五电容的另一端接地；第四电容的另一端分别与第六电容和第六微带线的一端连接；第六电容的另一端接地；第六微带线的另一端与第七电容和第七微带线的一端连接；第七电容的另一端接地；第七微带线的另一端与第八微带线、第八电容以及第二电阻的一端连接；第八微带线的另一端分别与第九电容和第二栅级偏置电压的一端连接；第九电容的另一端接地；第八电容的另一端与第二电阻的另一端和第九微带线、的一端连接；第九微带线的另一端与谐波控制网络连接；
所述谐波控制网络包括第十微带线和第十电容；第十微带线的一端与级间匹配网络的一端和第二晶体管的栅级连接，另一端与第十电容的一端连接；第十电容的另一端接地；
所述输出匹配电路包括第十一~十四微带线、第十一~第十四电容以及第二漏级偏置电压；第十一微带线的一端与第二晶体管的漏级连接，另一端与第十二微带线和第十三微带线的一端连接；第十二微带线的另一端与第十一电容和第二漏级偏置电压的一端连接；第十三微带线的另一端与第十二电容和第十四微带线的一端连接；第十四微带线的另一端与第十三电容和第十四电容的一端连接；第十四电容的另一端与超宽带耦合器连接；第十一电容、第十二电容以及第十三电容的另一端均接地；
所述平衡功放单元的两个功放单元结构相同，均包括依次连接的输入匹配电路、级间匹配电路、谐波控制网络和预匹配电路，所述输入匹配电路与级间匹配电路之间串联第三晶体管，所述谐波控制网络与预匹配电路之间串联第四晶体管；所述平衡功放单元的输入匹配电路、级间匹配电路、谐波控制网络与所述控制功放单元中的输入匹配电路、级间匹配电路、谐波控制网络结构相同；
所述预匹配电路包括第十五~十七微带线、第三漏极偏置电压和第十五、第十六电容；第十五微带线的一端与第四晶体管的漏级连接，另一端分别与十七微带线和第十六微带线的一端连接；第十六微带线的另一端分别与第十五电容和第三漏级偏置电压（VD6）的一端连接;第十五电容的另一端接地；第十七微带线的另一端与第十六电容的一端连接；第十六电容的另一端与超宽带耦合器。
2.根据权利要求1所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，其特征在于：在控制功放单元中，所述输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路采用多级LC结构。
3.根据权利要求1所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，其特征在于：在平衡功放单元中，所述输入匹配电路和级间匹配电路采用多级LC结构。
4.根据权利要求1所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，其特征在于：所述第一超宽带耦合器将射频输入信号功率合理分配到超宽带移相网络和第二超宽带耦合器。
5.根据权利要求1所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，其特征在于：所述第二超宽带耦合器将第一超宽带耦合器的第二输出端信号功率合理分配到平衡功放单元的两个功放单元。
6.根据权利要求1所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路，其特征在于：所述超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路的晶圆采用GaN或GaAs材料作为基片。
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