CN112994627B - 高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路拓扑结构 - Google Patents

高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有高阻抗变换比能力的高效率功率放大器电路拓扑结构，包括依次连接的匹配单元一、第一级场效应晶体管Q1、匹配单元二、第二级场效应晶体管Q2、匹配单元三、第三级场效应晶体管Q3、匹配单元四。本发明拓扑结构采用3级放大，级间利用高阻抗变换比电路拓扑实现超过1:4的高级间推动比，末级利用超低损耗电路拓扑结构实现极低的末级匹配损耗（理论最小匹配损耗小于0.3dB，实际末级匹配损耗小于0.35dB，相较于传统匹配结构损耗减小0.2dB以上），在满足功率输出的前提下，可实现超高效率性能。

Description

高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路拓扑 结构
技术领域
本发明是一种高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路拓扑结构，属于高效率功率放大器技术领域。
背景技术
微波毫米波功率放大器为放大器电路的一种，在整个微波毫米波电子线路中居于十分突出的重要地位。随着我国社会与国民经济的不断发展进步，固态微波毫米波功率器件有着非常广阔的应用前景，如汽车防撞雷达、测试测绘雷达、无人驾驶、5G移动通信、卫星互联网等现阶段火热的无线通信发展方向都离不开高性能的微波毫米波功率放大器。
在MMIC功率放大器中，阻抗变换的本质是匹配网络，用来实现功率放大器的特定性能指标，最常见的是最大传输功率或最大传输效率，往往由电容、电感、电阻的组合来实现最佳的匹配效果。通过设计放大器级间的高阻抗变换比匹配电路网络，可提高前后级之间的功率推动比并降低级间匹配损耗，同时控制末级匹配电路拓扑实现最低的输出匹配损耗，进而有效提升放大器的效率等性能。传统的电路匹配拓扑结构中，还未发现既能满足高阻抗变换比又能有效实现最低末级匹配损耗的拓扑结构，因此，需要设计一种简单有效的高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路拓扑结构。
通过应用此电路拓扑结构设计功率放大器芯片，能够有效提升阻抗变换比，提高前后级之间的功率推动比，降低级间匹配损耗并实现最低的输出匹配损耗，对提升放大器芯片的效率等指标起着关键性的特殊作用。
发明内容
本发明提出的是高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路，目的在于实现K-Ka波段、中等功率、小电流、高效率等放大器指标，尤其适用于车载、机载、星载等能源供应受限的应用场景使用。
本发明的技术解决方案：
高阻抗变换比低匹配损耗的功率放大器电路拓扑结构包括匹配单元一、匹配单元二、匹配单元三、匹配单元四、第一级场效应晶体管Q1、第二级场效应晶体管Q2、第三级场效应晶体管Q3、栅极偏置电压VG和漏极偏置电压VD，所述匹配单元一信号输出端连接第一级场效应晶体管Q1栅极，第一级场效应晶体管Q1漏极连接匹配单元二信号输入端，匹配单元二信号输出端连接第二级场效应晶体管Q2栅极，第二级场效应晶体管Q2漏极连接匹配单元三信号输入端，匹配单元三信号输出端连接第三级场效应晶体管Q3栅极，第三级场效应晶体管Q3漏极连接匹配单元四信号输入端；所述第一级场效应晶体管Q1、第二级场效应晶体管Q2、第三级场效应晶体管Q3的源极均接地；第一级场效应晶体管Q1的栅极经匹配单元一连接栅极偏置电压VG；第二级场效应晶体管Q2的栅极经匹配单元二连接栅极偏置电压VG；第三级场效应晶体管Q3的栅极经匹配单元三连接栅极偏置电压VG；第一级场效应晶体管Q1的漏极经匹配单元二连接漏极偏置电压VD；第二级场效应晶体管Q2的漏极经匹配单元三连接漏极偏置电压VD；第三级场效应晶体管Q3的漏极经匹配单元四连接漏极偏置电压VD。
所述匹配单元一包括依次串联连接的TL1_1微带线、电容C1_1、微带线TL2_1、微带线TL3_1和微带线TL4_1；匹配单元一信号输入端连接TL1_1微带线；微带线TL5_1并联于微带线TL1_1与电容C1_1之间；电容C2_1并联于微带线TL2_1与微带线TL3_1之间；微带线TL6_1、电阻R1_1和电容C3_1构成一个串联支路并联于微带线TL3_1与微带线TL4_1之间；微带线TL4_1的另一端与第一级场效应晶体管Q1的栅极连接；电阻R1_1和电容C3_1的公共端连接栅极偏置电压VG。
所述匹配单元二包括依次串联微带线TL1_2、电容C1_2、微带线TL2_2、微带线TL3_2、微带线TL4_2；微带线TL5_2、电阻R1_2、电容C3_2构成一个串联支路并联于微带线TL1_2和电容C1_2之间；电容C2_2并联于微带线TL2_2与微带线TL3_2之间；微带线TL6_2、电阻R2_2、电容C4_2构成一个串联支路并联于微带线TL3_2、微带线TL4_2；微带线TL1_2的另一端与第一级场效应晶体管Q1的漏极连接；微带线TL4_2的另一端与第二级场效应晶体管Q2的栅极连接；电阻R1_2和电容C3_2的公共端连接漏极偏置电压VD，电阻R2_2和电容C4_2的公共端连接栅极偏置电压VG。
所述匹配单元三包括，依次串联的微带线TL1_3、电容C1_3、电容C2_3、微带线TL2_3、微带线TL3_3、微带线TL4_3、微带线TL7_3并与第三级场效应晶体管Q3的一个管胞栅极连接；依次串联的微带线TL1_3、电容C1_3、电容C2_3、微带线TL2_3、微带线TL3_3、微带线TL4_3'、微带线TL7_3'与第三级场效应晶体管Q3的另外一个管胞栅极连接；微带线TL5_3、电容C4_3构成一个串联支路并联于微带线TL1_3和电容C1_3之间；微带线TL6_3并联于电容C1_3和电容C2_3之间；电容C3_3并联于微带线TL2_3与微带线TL3_3之间；微带线TL8_3、电阻R1_3、电容C5_3构成一个串联支路并联于微带线TL4_3与微带线TL7_3之间；微带线TL8_3'、电阻R1_3'、电容C5_3'构成一个串联支路并联于微带线TL4_3'与微带线TL7_3'之间；微带线TL1_3的另一端与第二级场效应晶体管Q2的漏极连接；微带线TL7_3、TL7_3'的另一端分别与第三级场效应晶体管Q3的两个管胞栅极连接；微带线TL4_3、微带线TL7_3、微带线TL8_3、电阻R1_3、电容C5_3与微带线TL4_3'、微带线TL7_3'微带线TL8_3'、电阻R1_3'、电容C5_3'等值镜像；电阻R1_3和电容C5_3的公共端连接栅极偏置电压VG，电阻R1_3'和电容C5_3'的公共端连接栅极偏置电压VG，微带线TL5_3和电容C4_3的公共端连接漏极偏置电压VD。
所述匹配单元四包括，第三级场效应晶体管Q3的一个管胞依次串联连接微带线TL1_4、TL2_4、TL3_4、TL4_4和电容C2_4；第三级场效应晶体管Q3的另一个管胞依次串联连接微带线TL1_4'、TL2_4'、TL3_4、TL4_4和电容C2_4；微带线TL5_4、电容C3_4构成一个串联支路并联于微带线TL1_4和TL2_4之间；微带线TL5_4'、电容C3_4'构成一个串联支路并联于微带线TL1_4'和TL2_4'之间；电容C1_4并联连接在微带线TL3_4和TL4_4之间；微带线TL1_4、微带线TL1_4'与第三级场效应晶体管Q3两个管胞的漏极连接；电容C2_4与输出端连接；微带线TL1_4、L5_4、电容C3_4与微带线TL1_4'、L5_4'、电容C3_4'等值镜像；微带线TL5_4和电容C3_4的公共端连接漏极偏置电压VD，微带线TL5_4'、电容C3_4'的公共端连接漏极偏置电压VD。
本发明的有益效果：
1、本发明匹配单元四结构简单，易于在微波毫米波频段实现阻抗完美匹配，同时具有极小的匹配损耗，理论值匹配损耗小于0.3dB，实际末级匹配损耗小于0.35dB，相较于普通匹配结构损耗减小0.2dB以上，能够有效大幅提升功率放大器效率；
2、本发明匹配单元三和匹配单元二的拓扑结构，可以实现从总栅宽较小的场效应晶体管胞到总栅宽很大的场效应晶体管胞之间的匹配连接，即实现前后级大功率推动比（推动比大于4:1）阻抗变换，且级间匹配损耗较小；
3、本发明采用三级放大，能够在满足功放输出功率的要求下，实现非常高的效率性能，较普通电路拓扑结构提升5-8个效率百分点。
附图说明
图1是本发明信号通路结构图。
图2是本发明匹配单元一结构示意图。
图3是本发明匹配单元二结构示意图。
图4是本发明匹配单元三结构示意图。
图5是本发明匹配单元四结构示意图。
图6是本发明匹配单元四拓扑结构的理论最小匹配损耗曲线与实际匹配损耗曲线。
图7本发明的功率曲线案例。
图8本发明的效率曲线案例。
附图中所有TL是微带线、所有C是电容、所有Q是场效应晶体管、所有R是电阻、VD是漏极偏置电压、VG是栅极偏置电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步解释说明。
对照附图1，一种高阻抗变换比、低匹配损耗的高效率功率放大器电路拓扑结构及方法，包括匹配单元一、匹配单元二、匹配单元三、匹配单元四；所述放大器电路由输入信号Pin依次经过匹配单元一、第一级场效应晶体管Q1、匹配单元二、第二级场效应晶体管Q2、匹配单元三、第三级场效应晶体管Q3、匹配单元四放大输出；
所述匹配单元一、匹配单元二、匹配单元三和匹配单元四中的微带线、电容、电阻构成串联或并联的关系；每一个匹配单元有不同的结构，通过调节每一节微带线的长宽、电容大小和电阻大小可以实现输入、输出和每一级放大器之间的阻抗匹配，减小端口驻波。
对照附图2，所述匹配单元一，包括依次串联连接的微带线TL1_1、电容C1_1、微带线TL2_1、微带线TL3_1和微带线TL4_1；微带线TL5_1并联于微带线TL1_1与电容C1_1之间；电容C2_1并联于微带线TL2_1与微带线TL3_1之间；微带线TL6_1、电阻R1_1和电容C3_1构成一个串联支路并联于微带线TL3_1与微带线TL4_1之间；微带线TL4_1的另一端与第一级场效应晶体管Q1的栅极连接。栅极偏置电压VG从电阻R1_1和电容C3_1之间接入匹配网络，匹配单元一的作用是实现系统的输入端口源阻抗（50欧姆）匹配到第一级场效应晶体管Q1的输入阻抗，并隔离直流偏置信号与系统射频信号输入端口。
对照附图3，所述匹配单元二包括依次串联微带线TL1_2、电容C1_2、微带线TL2_2、微带线TL3_2、微带线TL4_2；微带线TL5_2、电阻R1_2、电容C3_2构成一个串联支路并联于微带线TL1_2和电容C1_2之间；电容C2_2并联于微带线TL2_2与微带线TL3_2之间；微带线TL6_2、电阻R2_2、电容C4_2构成一个串联支路并联于微带线TL3_2、微带线TL4_2；微带线TL1_2的另一端与第一级场效应晶体管Q1的漏极连接；微带线TL4_2的另一端与第二级场效应晶体管Q2的栅极连接；匹配单元二的作用是实现第一级场效应晶体管Q1到第二级场效应晶体管Q2之间的匹配，控制第一级放大单元的增益和平坦度，并增强系统的稳定因子，改善输入端口驻波比。
对照附图4，所述匹配单元三包括，依次串联的微带线TL1_3、电容C1_3、电容C2_3、微带线TL2_3、微带线TL3_3、微带线TL4_3、微带线TL7_3并与第三级场效应晶体管Q3的一个管胞栅极连接；依次串联的微带线TL1_3、电容C1_3、电容C2_3、微带线TL2_3、微带线TL3_3、微带线TL4_3'、微带线TL7_3'与第三级场效应晶体管Q3的另外一个管胞栅极连接；微带线TL5_3、电容C4_3构成一个串联支路并联于微带线TL1_3和电容C1_3之间；微带线TL6_3并联于电容C1_3和电容C2_3之间；电容C3_3并联于微带线TL2_3与微带线TL3_3之间；微带线TL8_3、电阻R1_3、电容C5_3构成一个串联支路并联于微带线TL4_3与微带线TL7_3之间；微带线TL8_3'、电阻R1_3'、电容C5_3'构成一个串联支路并联于微带线TL4_3'与微带线TL7_3'之间；微带线TL1_3的另一端与第二级场效应晶体管Q2的漏极连接；微带线TL7_3、TL7_3'的另一端分别与第三级场效应晶体管Q3的两个管胞栅极连接；微带线TL4_3、微带线TL7_3、微带线TL8_3、电阻R1_3、电容C5_3与微带线TL4_3'、微带线TL7_3'微带线TL8_3'、电阻R1_3'、电容C5_3'等值镜像。对功率放大器而言，末级管芯的工作状态对器件的性能影响最大，因此匹配单元三的匹配效果将对功放性能起着至关重要的作用，本实施例匹配单元三拓扑结构作用是实现第二级场效应晶体管Q2输出端最佳效率负载阻抗点匹配到第三级场效应管Q3输入端最佳源阻抗点，保证在1:4的前后级功率推动比条件下，第二级场效应晶体管Q2的经过匹配单元三的匹配后输出功率足够推动第三级场效应晶体管Q3工作在饱和状态，同时匹配单元三的匹配损耗可以控制在很小的范围。
对照附图5，所述匹配单元四包括，第三级场效应晶体管Q3的一个管胞依次串联连接微带线TL1_4、TL2_4、TL3_4、TL4_4和电容C2_4；第三级场效应晶体管Q3的另一个管胞依次串联连接微带线TL1_4'、TL2_4'、TL3_4、TL4_4和电容C2_4；微带线TL5_4、电容C3_4构成一个串联支路并联于微带线TL1_4和TL2_4之间；微带线TL5_4'、电容C3_4'构成一个串联支路并联于微带线TL1_4'和TL2_4'之间；电容C1_4并联连接在微带线TL3_4和TL4_4之间；微带线TL1_4、微带线TL1_4'与第三级场效应晶体管Q3两个管胞的漏极连接；电容C2_4与输出端连接；微带线TL1_4、L5_4、电容C3_4与微带线TL1_4'、L5_4'、电容C3_4'等值镜像。所述匹配单元四，其作用是以最简单的匹配电路拓扑结构实现第三级场效应晶体管Q3输出端的最佳效率阻抗点到负载阻抗（50欧姆）的匹配，并达到最小的匹配损耗，实现更高效率的设计目标，同时控制输出端口驻波比。
对照附图6-8，本发明匹配单元四结构简单，易于在微波毫米波频段实现阻抗完美匹配，同时具有极小的匹配损耗（理论值匹配损耗小于0.3dB，实际末级匹配损耗小于0.35dB，相较于普通匹配结构损耗减小0.2dB以上），能够有效大幅提升功率放大器效率。

Claims (2)

1.高阻抗变换比低匹配损耗的功率放大器电路拓扑结构，其特征是包括匹配单元一、匹配单元二、匹配单元三、匹配单元四、第一级场效应晶体管（Q1）、第二级场效应晶体管（Q2）、第三级场效应晶体管（Q3）、栅极偏置电压（VG）和漏极偏置电压（VD），所述匹配单元一信号输出端连接第一级场效应晶体管（Q1）栅极，第一级场效应晶体管（Q1）漏极连接匹配单元二信号输入端，匹配单元二信号输出端连接第二级场效应晶体管（Q2）栅极，第二级场效应晶体管（Q2）漏极连接匹配单元三信号输入端，匹配单元三信号输出端连接第三级场效应晶体管（Q3）栅极，第三级场效应晶体管（Q3）漏极连接匹配单元四信号输入端；所述第一级场效应晶体管（Q1）、第二级场效应晶体管（Q2）、第三级场效应晶体管（Q3）的源极均接地；第一级场效应晶体管（Q1）的栅极经匹配单元一连接栅极偏置电压（VG）；第二级场效应晶体管（Q2）的栅极经匹配单元二连接栅极偏置电压（VG）；第三级场效应晶体管（Q3）的栅极经匹配单元三连接栅极偏置电压（VG）；第一级场效应晶体管（Q1）的漏极经匹配单元二连接漏极偏置电压（VD）；第二级场效应晶体管（Q2）的漏极经匹配单元三连接漏极偏置电压（VD）；第三级场效应晶体管（Q3）的漏极经匹配单元四连接漏极偏置电压（VD）；
匹配单元一包括依次串联连接的TL1_1微带线、C1_1电容、TL2_1微带线、TL3_1微带线和TL4_1微带线；匹配单元一信号输入端连接TL1_1微带线；TL5_1微带线一端连接在TL1_1微带线与C1_1电容之间，另一端接地；C2_1电容一端连接在TL2_1微带线与TL3_1微带线之间，另一端接地；TL6_1微带线、R1_1电阻和C3_1电容构成一个串联支路一端连接在TL3_1微带线与TL4_1微带线之间，另一端接地；TL4_1微带线的另一端与第一级场效应晶体管（Q1）的栅极连接；R1_1电阻和C3_1电容的公共端连接栅极偏置电压（VG）；
匹配单元二包括依次串联TL1_2微带线、C1_2电容、TL2_2微带线、TL3_2微带线、TL4_2微带线；TL5_2微带线、R1_2电阻、C3_2电容构成一个串联支路一端连接在TL1_2微带线和C1_2电容之间，另一端接地；C2_2电容一端连接在TL2_2微带线与TL3_2微带线之间，另一端接地；TL6_2微带线、R2_2电阻、C4_2电容构成一个串联支路一端连接在TL3_2微带线和TL4_2微带线之间，另一端接地；TL1_2微带线的另一端与第一级场效应晶体管（Q1）的漏极连接；TL4_2微带线的另一端与第二级场效应晶体管（Q2）的栅极连接；R1_2电阻和C3_2电容的公共端连接漏极偏置电压（VD），R2_2电阻和C4_2电容的公共端连接栅极偏置电压（VG）；
匹配单元四包括，第三级场效应晶体管（Q3）的一个管胞依次串联连接TL1_4微带线、TL2_4微带线、TL3_4微带线、TL4_4微带线和C2_4电容；第三级场效应晶体管（Q3）的另一个管胞依次串联连接TL1_4'微带线、TL2_4'微带线、TL3_4微带线、TL4_4微带线和C2_4电容；TL5_4微带线、C3_4电容构成一个串联支路一端连接在TL1_4微带线和TL2_4微带线之间，另一端接地；TL5_4'微带线、C3_4'电容构成一个串联支路一端连接在TL1_4'微带线和TL2_4'微带线之间，另一端接地；C1_4电容一端连接在TL3_4微带线和TL4_4微带线之间，另一端接地；TL1_4微带线、TL1_4'微带线与第三级场效应晶体管（Q3）两个管胞的漏极连接；C2_4电容与输出端连接；TL1_4微带线、TL5_4微带线、C3_4电容与TL1_4'微带线、TL5_4'微带线、C3_4'电容等值镜像；TL5_4微带线和C3_4电容的公共端连接漏极偏置电压（VD），TL5_4'微带线、C3_4'电容的公共端连接漏极偏置电压（VD）。
2. 根据权利要求1所述的高阻抗变换比低匹配损耗的功率放大器电路拓扑结构，其特征是所述匹配单元三包括依次串联的TL1_3微带线、C1_3电容、C2_3电容、TL2_3微带线、TL3_3微带线、TL4_3微带线、TL7_3微带线并与第三级场效应晶体管（Q3）的一个管胞栅极连接；依次串联的TL1_3微带线、C1_3电容、C2_3电容、TL2_3微带线、TL3_3微带线、TL4_3'微带线、TL7_3'微带线与第三级场效应晶体管（Q3）的另外一个管胞栅极连接； TL5_3微带线、C4_3电容构成一个串联支路一端连接在TL1_3微带线和C1_3电容之间，另一端接地；TL6_3微带线一端连接在C1_3电容和C2_3电容之间，另一端接地；C3_3电容一端连接在TL2_3微带线与TL3_3微带线之间，另一端接地；TL8_3微带线、R1_3电阻、C5_3电容构成一个串联支路一端连接在TL4_3微带线与TL7_3微带线之间，另一端接地；TL8_3'微带线、R1_3'电阻、C5_3'电容构成一个串联支路一端连接在TL4_3'微带线与TL7_3'微带线之间，另一端接地；TL1_3微带线的另一端与第二级场效应晶体管（Q2）的漏极连接；TL7_3微带线、TL7_3'微带线的另一端分别与第三级场效应晶体管（Q3）的两个管胞栅极连接； TL4_3微带线、TL7_3微带线、TL8_3微带线、R1_3电阻、C5_3电容与TL4_3'微带线、TL7_3'微带线、TL8_3'微带线、R1_3'电阻、C5_3'电容等值镜像；R1_3电阻和C5_3电容的公共端连接栅极偏置电压（VG），R1_3'电阻和C5_3'电容的公共端连接栅极偏置电压（VG），TL5_3微带线和C4_3电容的公共端连接漏极偏置电压（VD）。
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