CN112910417A - 一种宽带高效率微波功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带高效率微波功率放大器，包括输入单端转平衡匹配网络、第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络以及输出平衡转单端匹配网络，本发明核心架构采用第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络具有高功率、高增益特性，同时利用输入单端转平衡匹配网络和输出平衡转单端匹配网络在微波频段的良好的低插损和宽带驻波匹配特性，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高效率、良好的驻波特性和高功率输出能力。

Description

一种宽带高效率微波功率放大器
技术领域
本发明涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对射频微波终端收发机的发射模块应用的一种宽带高效率微波功率放大器。
背景技术
随着无线通信系统和射频微波电路的快速发展，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高输出功率、高增益、高效率、低成本等性能。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，主要体现为高功率、高效率能力受限，典型功率放大器采用多路并联合成结构，或者是分布式结构，这两种结构的合成效率有限，导致一部分功率损耗在合成网络中，限制了高功率、高效率能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽带高效率微波功率放大器，结合了输入单端转平衡匹配网络、第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络以及输出平衡转单端匹配网络合成技术的优点，具有在微波频段高功率、高增益且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种宽带高效率微波功率放大器，包括输入单端转平衡匹配网络、第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络以及输出平衡转单端匹配网络；
输入单端转平衡匹配网络的输入端为整个放大器的输入端，其第一输出端与第一宽带高增益放大网络输入端连接，其第二输出端与第二宽带高增益放大网络的输入端连接；
第一宽带高增益放大网络输出端与输出平衡转单端匹配网络的第一输入端连接，第二宽带高增益放大网络的第二输出端与输出平衡转单端匹配网络的第二输入端连接；
输出平衡转单端匹配网络的输出端为整个放大器的输出端。
本发明技术方案的有益效果是：采用第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络具有高功率、高增益特性，同时利用输入单端转平衡匹配网络和输出平衡转单端匹配网络形成的平衡性放大结构，使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高效率、良好的驻波特性和高功率输出能力。
进一步的，输入单端转平衡匹配网络的输入端连接微带线TL1和微带线TL2，微带线TL1的另一端连接接地电阻R1和微带线TL3，微带线TL3的另一端顺次连接微带线TL5和微带线TL8，微带线TL2的另一端顺次连接微带线TL6和微带线TL9，微带线TL8和微带线TL9的另一端分别为输入单端转平衡匹配网络的第一输出端和第二输出端；微带线TL3和微带线TL5的连接节点与微带线TL2和微带线TL6的连接节点之间通过微带线TL4连接，微带线TL5和微带线TL8的连接节点与微带线TL6和微带线TL9的连接节点之间通过微带线TL7连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入单端转平衡匹配网络在微波频段具有良好的低插损和宽带驻波匹配特性。
进一步的，第一宽带高增益放大网络的输入端连接电容C1，电容C1的另一端连接电阻R2和电容C2，电阻R2的另一端连接偏置电压Vg2和接地电容C3，电容C2的另一端连接场效应晶体管M4的栅极，电容C2的两端并联电阻R3，场效应晶体管M4的源极接地，M4的漏极分别通过微带线TL10和微带线TL12连接场效应晶体管M5和M6的源极，场效应晶体管M5和M6的栅极相互连接，其连接节点还同时连接接地电容C7、接地电阻R6和电阻R7，场效应晶体管M5和M6的漏极分别连接微带线TL13和微带线TL11，微带线TL13的另一端、微带线TL11的另一端和电阻R7的另一端同时连接第一宽带高增益放大网络的输出端；
第二宽带高增益放大网络的输入端连接电容C4，电容C4的另一端连接电阻R5和电容C5，电阻R5的另一端连接偏置电压Vg1和接地电容C6，电容C5的另一端连接场效应晶体管M1的栅极，电容C5的两端并联电阻R4，场效应晶体管M1的源极接地，M1的漏极分别通过微带线TL14和微带线TL16连接场效应晶体管M2和M3的源极，场效应晶体管M2和M3的栅极相互连接，其连接节点还同时连接接地电容C8、接地电阻R8和电阻R9，场效应晶体管M2和M3的漏极分别连接微带线TL15和微带线TL17，微带线TL15的另一端、微带线TL17的另一端和电阻R9的另一端同时连接第二宽带高增益放大网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络具有高功率、高增益特性，同时采用一个共源放大器(如M4)驱动两个小尺寸的共栅放大器(如M5和M6)的放大器结构，可以利用小尺寸晶体管的低寄生参数的特性，提升高频电路性能。
进一步的，输出平衡转单端匹配网络的第一输入端连接微带线TL18，微带线TL18的另一端连接微带线TL19、开路微带线TL20和电容C9，微带线TL19的另一端连接偏置电压Vd2和接地电容C10，电容C9的另一端顺次连接微带线TL21、微带线TL27、微带线TL30，微带线TL30的另一端连接输出平衡转单端匹配网络的输出端；输出平衡转单端匹配网络的第二输入端连接微带线TL22，微带线TL22的另一端连接微带线TL24、开路微带线TL23和电容C11，微带线TL24的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容C12，电容C11的另一端顺次连接微带线TL25、微带线TL28、微带线TL31、微带线TL32，微带线TL32的另一端连接输出平衡转单端匹配网络的输出端；微带线TL21和微带线TL27的连接节点与微带线TL25和微带线TL28的连接节点之间通过微带线TL26连接，微带线TL27和微带线TL30的连接节点与微带线TL28和微带线TL31的连接节点之间通过微带线TL29连接，微带线TL31和微带线TL32的连接节点还同时连接接地电阻R10。
上述进一步方案的有益效果是：输出平衡转单端匹配网络在微波频段具有良好的低插损和宽带驻波匹配特性。
附图说明
图1为本发明功率放大器原理框图；
图2为本发明功率放大器电路图。
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宽带高效率微波功率放大器，包括输入单端转平衡匹配网络、第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络以及输出平衡转单端匹配网络；
如图1所示，输入单端转平衡匹配网络的输入端为整个放大器的输入端，其第一输出端与第一宽带高增益放大网络输入端连接，其第二输出端与第二宽带高增益放大网络的输入端连接；第一宽带高增益放大网络输出端与输出平衡转单端匹配网络的第一输入端连接，第二宽带高增益放大网络的第二输出端与输出平衡转单端匹配网络的第二输入端连接；输出平衡转单端匹配网络的输出端为整个放大器的输出端。
如图2所示，输入单端转平衡匹配网络的输入端连接微带线TL1和微带线TL2，微带线TL1的另一端连接接地电阻R1和微带线TL3，微带线TL3的另一端顺次连接微带线TL5和微带线TL8，微带线TL2的另一端顺次连接微带线TL6和微带线TL9，微带线TL8和微带线TL9的另一端分别为输入单端转平衡匹配网络的第一输出端和第二输出端；微带线TL3和微带线TL5的连接节点与微带线TL2和微带线TL6的连接节点之间通过微带线TL4连接，微带线TL5和微带线TL8的连接节点与微带线TL6和微带线TL9的连接节点之间通过微带线TL7连接。
如图2所示，第一宽带高增益放大网络的输入端连接电容C1，电容C1的另一端连接电阻R2和电容C2，电阻R2的另一端连接偏置电压Vg2和接地电容C3，电容C2的另一端连接场效应晶体管M4的栅极，电容C2的两端并联电阻R3，场效应晶体管M4的源极接地，M4的漏极分别通过微带线TL10和微带线TL12连接场效应晶体管M5和M6的源极，场效应晶体管M5和M6的栅极相互连接，其连接节点还同时连接接地电容C7、接地电阻R6和电阻R7，场效应晶体管M5和M6的漏极分别连接微带线TL13和微带线TL11，微带线TL13的另一端、微带线TL11的另一端和电阻R7的另一端同时连接第一宽带高增益放大网络的输出端；
如图2所示，第二宽带高增益放大网络的输入端连接电容C4，电容C4的另一端连接电阻R5和电容C5，电阻R5的另一端连接偏置电压Vg1和接地电容C6，电容C5的另一端连接场效应晶体管M1的栅极，电容C5的两端并联电阻R4，场效应晶体管M1的源极接地，M1的漏极分别通过微带线TL14和微带线TL16连接场效应晶体管M2和M3的源极，场效应晶体管M2和M3的栅极相互连接，其连接节点还同时连接接地电容C8、接地电阻R8和电阻R9，场效应晶体管M2和M3的漏极分别连接微带线TL15和微带线TL17，微带线TL15的另一端、微带线TL17的另一端和电阻R9的另一端同时连接第二宽带高增益放大网络的输出端。
如图2所示，输出平衡转单端匹配网络的第一输入端连接微带线TL18，微带线TL18的另一端连接微带线TL19、开路微带线TL20和电容C9，微带线TL19的另一端连接偏置电压Vd2和接地电容C10，电容C9的另一端顺次连接微带线TL21、微带线TL27、微带线TL30，微带线TL30的另一端连接输出平衡转单端匹配网络的输出端；输出平衡转单端匹配网络的第二输入端连接微带线TL22，微带线TL22的另一端连接微带线TL24、开路微带线TL23和电容C11，微带线TL24的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容C12，电容C11的另一端顺次连接微带线TL25、微带线TL28、微带线TL31、微带线TL32，微带线TL32的另一端连接输出平衡转单端匹配网络的输出端；微带线TL21和微带线TL27的连接节点与微带线TL25和微带线TL28的连接节点之间通过微带线TL26连接，微带线TL27和微带线TL30的连接节点与微带线TL28和微带线TL31的连接节点之间通过微带线TL29连接，微带线TL31和微带线TL32的连接节点还同时连接接地电阻R10。
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RFin进入电路，通过输入单端转平衡匹配网络进行阻抗变换匹配后，以相位相差90度的平衡信号的形式同时进入第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络输入端，通过放大网络进行功率放大后，以平衡信号的形式同时从第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络的输出端输出，再经过输出平衡转单端匹配网络后，将两路信号进行相位相差负90度的合成，并成为一路单端信号从输出端RFout输出。
基于上述电路分析，本发明提出的一种宽带高效率微波功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用一驱二型堆叠晶体管的放大器结构：
一驱二型堆叠晶体管与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述。
一驱二型堆叠晶体管与常规堆叠晶体管的不同之处在于：常规堆叠晶体管的结构为一个共源放大器驱动一个等尺寸的共栅放大器；而一驱二型堆叠晶体管采用一个共源放大器(如M4)驱动两个小尺寸的共栅放大器(如M5和M6)的放大器结构，可以利用小尺寸晶体管的低寄生参数的特性，提升高频电路性能，更适合高频应用。
在整个一种宽带高效率微波功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现高功率输出、高功率增益、高效率且良好的输入输出匹配特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宽带高效率微波功率放大器，其特征在于，包括输入单端转平衡匹配网络、第一宽带高增益放大网络、第二宽带高增益放大网络以及输出平衡转单端匹配网络；
所述输入单端转平衡匹配网络的输入端为整个所述放大器的输入端，其第一输出端与所述第一宽带高增益放大网络输入端连接，其第二输出端与所述第二宽带高增益放大网络的输入端连接；
所述第一宽带高增益放大网络的输出端与所述输出平衡转单端匹配网络的第一输入端连接；所述第二宽带高增益放大网络的输出端与所述输出平衡转单端匹配网络的第二输入端连接；
所述输出平衡转单端匹配网络的输出端为整个所述放大器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高效率微波功率放大器，其特征在于，所述输入单端转平衡匹配网络的输入端连接微带线TL1和微带线TL2，微带线TL1的另一端连接接地电阻R1和微带线TL3，微带线TL3的另一端顺次连接微带线TL5和微带线TL8，微带线TL2的另一端顺次连接微带线TL6和微带线TL9，微带线TL8和微带线TL9的另一端分别为所述输入单端转平衡匹配网络的第一输出端和第二输出端；微带线TL3和微带线TL5的连接节点与微带线TL2和微带线TL6的连接节点之间通过微带线TL4连接，微带线TL5和微带线TL8的连接节点与微带线TL6和微带线TL9的连接节点之间通过微带线TL7连接。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高效率微波功率放大器，其特征在于，所述第一宽带高增益放大网络的输入端连接电容C1，电容C1的另一端连接电阻R2和电容C2，电阻R2的另一端连接偏置电压Vg2和接地电容C3，电容C2的另一端连接场效应晶体管M4的栅极，电容C2的两端并联电阻R3，所述场效应晶体管M4的源极接地，M4的漏极分别通过微带线TL10和微带线TL12连接场效应晶体管M5和M6的源极，所述场效应晶体管M5和M6的栅极相互连接，其连接节点还同时连接接地电容C7、接地电阻R6和电阻R7，所述场效应晶体管M5和M6的漏极分别连接微带线TL13和微带线TL11，微带线TL13的另一端、微带线TL11的另一端和电阻R7的另一端同时连接所述第一宽带高增益放大网络的输出端；
所述第二宽带高增益放大网络的输入端连接电容C4，电容C4的另一端连接电阻R5和电容C5，电阻R5的另一端连接偏置电压Vg1和接地电容C6，电容C5的另一端连接场效应晶体管M1的栅极，电容C5的两端并联电阻R4，所述场效应晶体管M1的源极接地，M1的漏极分别通过微带线TL14和微带线TL16连接场效应晶体管M2和M3的源极，所述场效应晶体管M2和M3的栅极相互连接，其连接节点还同时连接接地电容C8、接地电阻R8和电阻R9，所述场效应晶体管M2和M3的漏极分别连接微带线TL15和微带线TL17，微带线TL15的另一端、微带线TL17的另一端和电阻R9的另一端同时连接所述第二宽带高增益放大网络的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高效率微波功率放大器，其特征在于，所述输出平衡转单端匹配网络的第一输入端连接微带线TL18，微带线TL18的另一端连接微带线TL19、开路微带线TL20和电容C9，微带线TL19的另一端连接偏置电压Vd2和接地电容C10，电容C9的另一端顺次连接微带线TL21、微带线TL27、微带线TL30，微带线TL30的另一端连接所述输出平衡转单端匹配网络的输出端；所述输出平衡转单端匹配网络的第二输入端连接微带线TL22，微带线TL22的另一端连接微带线TL24、开路微带线TL23和电容C11，微带线TL24的另一端连接偏置电压Vd1和接地电容C12，电容C11的另一端顺次连接微带线TL25、微带线TL28、微带线TL31、微带线TL32，微带线TL32的另一端连接所述输出平衡转单端匹配网络的输出端；微带线TL21和微带线TL27的连接节点与微带线TL25和微带线TL28的连接节点之间通过微带线TL26连接，微带线TL27和微带线TL30的连接节点与微带线TL28和微带线TL31的连接节点之间通过微带线TL29连接，微带线TL31和微带线TL32的连接节点还同时连接接地电阻R10。
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