CN112865725A - 一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，融合了分布式电路结构、负反馈式电路结构和电抗匹配电路结构的各自优势。在超宽带功放电路的射频功率输出级采用了分布式匹配结构，易于拓展带宽，提高功率、效率；功率驱动级采用负反馈式结构，易于改善输入驻波和增益平坦度。在放大器的输出级和驱动级之间采用了电抗匹配结构，改善输出级和驱动级之间的阻抗失配。通过融合三者电路结构的各自优势，可极大的提高了超宽带大功率单片集成功率放大器的整体性能。

Description

一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构

技术领域

本发明涉及一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，属于单片微波集成电路(MMIC)领域。

背景技术

宽带功率MMIC器件以其体积小、功率大、一致性好、可靠性高等优势，广泛应用于现代雷达、仪器仪表等系统中。如何在更宽频带，实现更大的输出功率，同时保证尽可能高的效率，一直是学术界和工业界研究的热点课题。

传统的超宽带放大器芯片实现方式有电抗匹配放大器、负反馈放大器和分布式放大器三种拓扑结构。

电抗匹配式结构灵活多样、阻抗匹配精准，输出功率大和效率高等优势，但带宽通常小于3个倍频程，尤其是大功率功放，随着带宽的扩展，效率急剧下降，对于十倍频以上的高功率高效率放大器，电抗式匹配结构已难以实现。

负反馈式放大器可有效的拓展带宽，带宽达十倍频以上，同时有着较好的输入和输出驻波，但效率低，只适合中小功率驱动放大器的设计。

分布式放大器其频带宽度能达到几十倍频程，同时输入驻波比和输出驻波比小，结构简单易实现，其输出功率主要受到漏级工作电压的限制，增益包络成滚降特性，低频增益高，高频增益低，平坦度指标受限。

发明内容

为了实现大功率、高效率、高增益平坦度的超宽带功率放大器，特别是频率带宽达到十倍频以上，单纯的使用分布式、电抗匹配或负反馈拓扑结构已难以实现或发挥不了器件的极致性能。本发明提出了一种负反馈式、分布式和电抗匹配相融合的超宽带功放芯片电路结构，结合这三种电路结构的优势，可以有效的超宽带高功率放大器的功率、效率以及增益等性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，由功率驱动单元(101)和末级功率输出单元级联构成；

所述功率驱动单元采用N个晶体管并联的负反馈结构；

所述末级功率输出单元采用N个晶体管级联的分布式电路结构。

进一步，所述功率驱动单元包括并联的N个晶体管、第一MIM电容和第一电阻，第一MIM电容和第一电阻串联在并联的N个晶体管的栅极和漏极之间形成射频反馈支路。

进一步，所述功率驱动单元还包括第五MIM电容、第四微带线和第五微带线，第五MIM电容和第四微带线串联后连接并联的N个晶体管的栅极，并联的N个晶体管的漏极串联第五微带线后连接末级功率输出单元。

进一步，该功率放大器电路还包括串联在功率驱动单元(101)和末级功率输出单元(102)之间的级间匹配结构，所述级间匹配结构包括负反馈式驱动级的输出端匹配电路和第三微带线；

负反馈式驱动级的输出端匹配电路包括直流压点、第二MIM电容、第二电阻、第一微带线、第二微带线、第三MIM电容与第四MIM电容，第二MIM电容和第二电阻串联构成串联谐振电路；直流压点与串联谐振电路并联到地，再串联第一微带线，构成漏极加电偏置电路；第二微带线和第三MIM电容串联，再与第四MIM电容并联到地，构成输出匹配网络；

第三微带线构成分布式功率输出级的输入端匹配电路；

第一微带线分别连接功率驱动单元和第二微带线，第三MIM电容与第四MIM电容的公共端经第三微带线连接末级功率输出单元。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、功率输出级采用分布式结构，结构简单、损耗低，带宽可拓展十倍频以上，突破了电抗式结构的带宽限制，回避了宽带电抗匹配损耗大的设计难题，极大的提升了超宽带功率放大器的功率、效率特性；

2、输出级采用分布式结构，等效为人工传输线，提高漏压，增大管芯等效输出阻抗，即可提高输出功率，尤其适用于输出阻抗大的高压工艺。而传统电抗式匹配需要遵循Bode-Fano法则，提高电压，管芯等效输出阻抗增大，匹配损耗变大，效率降低；

3、功率驱动级采用负反馈结构，可以克服电抗式宽带匹配输入端驻波较差等问题。同时对放大器输入级进行均衡设计，改善超宽带放大器的增益平坦度和低端的谐波抑制，从而提升超宽带功率放大器的整体性能；

4、放大器的级间匹配单元采用了电抗匹配结构，充分发挥电抗匹配结构的阻抗匹配精准，结构丰富的特点，改善驱动级和输出级之间的阻抗失配，提高超宽带功率放大器的增益和效率；

5、本专利技术方案尤其适用于三代半导体GaN工艺功放芯片，可充分利用GaN高电压，高阻抗的特点，为超宽带大功率高效率功放芯片设计，提供了解决方案。

附图说明

图1是负反馈式与分布式相融合的电路拓扑结构示意图；

图2是负反馈式与分布式相融合的级间匹配电路示意图；

图3是负反馈式与分布式结构的级间阻抗匹配示意图；

图4是负反馈式与分布式结构相融合的具体电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来对本发明所述一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构做进一步详细说明。

如图1所示，一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，由负反馈式结构功率驱动单元101和分布式结构末级功率输出单元102构成。应用于微波、毫米波超宽带单片集成功率放大器电路，包括负反馈式、分布式和电抗匹配结构之间的融合设计方法以及电路匹配结构。该功率放大器电路是一种应用于超宽带，大功率，高增益平坦度的微波功率器件电路，相对带宽可超过十倍频程，典型输出功率大于30W，可显著改善传统超宽带放大器的增益平坦度。

所述功率驱动单元101采用由N个晶体管并联的负反馈结构，所述功率输出单元102采用由N个晶体管级联的分布式结构，整个电路结构合理，不增加额外芯片面积，且每一功放单元都拥有统一的加电方式。

如图2所示，在功率驱动单元101和末级功率输出单元102之间还串联有级间匹配结构103，级间匹配结构103需要在功率驱动级与功率输出级之间实现以下两种功能：①负反馈式功率驱动级输出阻抗匹配，②分布式结构的功率输出级的输入阻抗匹配。为了同时满足以上两种功能，在设计阻抗匹配网络时，构建一个特定的中间阻抗状态,使得负反馈式的输出端阻抗Zout1与分布式的输入端阻抗Zin1相匹配。从而既能保障负反馈式功率驱动级电路的功率输出特性，也将功率输出级的输入端的阻抗匹配网络简单化，减小损耗，提高电路的整体增益，拓展电路的带宽。

所述级间匹配单元103采用电抗匹配结构，包括负反馈式结构输出端匹配电路和分布式结构输入端匹配电路。在所述负反馈式驱动级的输出电路中，直流压点111为负反馈式结构放大器的漏极提供电压，并与MIM电容122和电阻142组成的串联谐振电路并联到地，再串联第一微带线131，一起构成所述负反馈式结构放大器的漏极加电偏置电路。第二微带线132、串联MIM电容123与并联MIM电容124构成负所述反馈结构放大器的输出匹配网络。第三微带线133构成所述分布匹配式电路的输入端部分匹配电路。

如图3所示，负反馈式驱动级经过输出电抗匹配网络使得其输出端阻抗Zout1匹配到某一特定阻抗点，分布式输出级的射频输入端阻抗Zin1也匹配到相应特定阻抗点，通过某一特定的中间阻抗，使得负反馈式的输出端阻抗Zout1与分布式的输入端阻抗Zin1相匹配，从而可以减小匹配损耗，提高放大器增益和效率。

综合考虑工作频率、带宽、功率、效率、一致性、成品率、成本，以适当的半导体技术制造，其采用GaAs或GaN材料作为基片，但不限于此。

下面结合具体实施方式和附图4，进一步阐述本发明。

本实例以0.3-6GHz 40W超宽带GaN功率放大器的研制为基础，对本发明所提出的一种超宽带大功率高效率的芯片电路拓扑结构做进一步详细说明，如图4版图布局所示。

所述功放功率驱动级采用负反馈式结构放大器201，在拓展电路带宽的同时可以优化输入端的驻波，对放大器的整体增益进行均衡设计，改善电路的增益平坦度和谐波抑制特性。

所述功放电路末级采用分布式结构放大器204，结构简单、损耗低，带宽可拓展十倍频以上，突破了电抗式结构的带宽限制，回避了宽带电抗匹配损耗大的设计难题，极大的提升了超宽带功率放大器的功率、效率特性；

所述功放的级间单元采用电抗匹配结构，由功率驱动级放大器的直流偏置202和级间无源匹配电路203构成，充分发挥电抗匹配结构的多样性和阻抗匹配精准的特点，可有效改善驱动级输出阻抗和输出级输入阻抗的失配，提高超宽带功率放大器的增益和效率。

所述功放最大的难点在于分布式末级结构和负反馈式驱动级之间的电抗匹配网络设计。功放功率驱动级采用了负反馈式放大结构，功率输出级采用分布式放大结构，为了实现两种电路匹配结构的融合，在设计级间匹配网络时，构建某一特定的中间阻抗,使得负反馈驱动放大器的输出端与分布式末级放大器的输入端相匹配。从而既能保障功率驱动级的功率输出特性，也将功率输出级输入端的阻抗匹配网络简单化，减小损耗，提高电路的整体增益和效率。

本发明一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，融合了分布式电路结构、负反馈式电路结构和电抗匹配电路结构的各自优势。在超宽带功放电路的射频功率输出级采用了分布式匹配结构，易于拓展带宽，提高功率、效率；功率驱动级采用负反馈式结构，易于改善输入驻波和增益平坦度。在放大器的输出级和驱动级之间采用了电抗匹配结构，改善输出级和驱动级之间的阻抗失配。通过融合三者电路结构的各自优势，可极大的提高了超宽带大功率单片集成功率放大器的整体性能。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，其特征在于，由功率驱动单元(101)和末级功率输出单元(102)级联构成；

所述功率驱动单元(101)采用N个晶体管并联的负反馈结构；

所述末级功率输出单元(102)采用N个晶体管级联的分布式电路结构。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，其特征在于，所述功率驱动单元(101)包括并联的N个晶体管、第一MIM电容(121)和第一电阻(141)，第一MIM电容(121)和第一电阻(141)串联在并联的N个晶体管的栅极和漏极之间形成射频反馈支路。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，其特征在于，所述功率驱动单元(101)还包括第五MIM电容、第四微带线和第五微带线，第五MIM电容和第四微带线串联后连接并联的N个晶体管的栅极，并联的N个晶体管的漏极串联第五微带线后连接末级功率输出单元(102)。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带大功率高效率的单片集成功率放大器电路结构，其特征在于，还包括串联在功率驱动单元(101)和末级功率输出单元(102)之间的级间匹配结构(103)，所述级间匹配结构(103)包括负反馈式驱动级的输出端匹配电路和第三微带线(133)；

负反馈式驱动级的输出端匹配电路包括直流压点(111)、第二MIM电容(122)、第二电阻(142)、第一微带线(131)、第二微带线(132)、第三MIM电容(123)与第四MIM电容(124)，第二MIM电容(122)和第二电阻(142)串联构成串联谐振电路；直流压点(111)与串联谐振电路并联到地，再串联第一微带线(131)，构成漏极加电偏置电路；第二微带线(132)和第三MIM电容(123)串联，再与第四MIM电容(124)并联到地，构成输出匹配网络；

第三微带线(133)构成分布式功率输出级的输入端匹配电路；

第一微带线(131)分别连接功率驱动单元(101)和第二微带线(132)，第三MIM电容(123)与第四MIM电容(124)的公共端经第三微带线(133)连接末级功率输出单元(102)。

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