CN113612456A - 一种宽带微波功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供一种宽带微波功率放大器，包括：差分信号生成网络，所述差分信号生成网络设置有信号输入端、第一差分信号输出端、及第二差分信号输出端号；第一输入匹配网络，其输入端连接所述第一差分信号输出端；第二输入匹配网络，其输入端连接所述第二差分信号输出端；第一放大单元，其输入端连接所述第一输入匹配网络的输出端；第二放大单元，其输入端连接所述第二输入匹配网络的输出端；第一输出匹配网络，其输入端连接所述第一放大单元的输出端；第二输出匹配网络，其输入端连接所述第二放大单元的输出端；以及输出端共面带线巴伦。本发明可实现宽带、集成度高、有利于芯片小型化，且成本低、一致性好。

Description

一种宽带微波功率放大器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种宽带微波功率放大器。
背景技术
微波功率放大器位于无线通信系统发射链路的最末端，用于将发射信号放大到一 定功率水平，驱动天线将信号传播一定的通信距离。微波功率放大器性能决定着无线通信 信号传输的质量，其功率的大小决定着传播距离的远近。为了传播更远的距离，需要大功率 的微波功率放大器。采用集成电路工艺设计微波功率放大器必须要考虑到集成电路工艺特 性。当前，设计微波功率放大器的主要集成电路工艺包括GaAs HBT、SiGe HBT和CMOS工艺。 CMOS工艺广泛应用于数字电路、信号处理、微波收发器等电路中，在成本上具有优势。不过 对于微波功率放大器设计而言，CMOS器件较低的击穿电压限制了其用于设计较大功率的电 路。同样，基于硅基材料的SiGe HBT，常常被用于设计中小功率的驱动放大器以及低噪声放 大器。因为GaAs HBT在击穿电压、线性特性、带宽和效率上的优势，工程实践中更多采用 GaAs HBT来设计微波功率放大器。常见的GaAs HBT器件的击穿电压只有十几伏电压，只能 工作在
Figure 955609DEST_PATH_IMAGE001
等低电源电压条件下，为了保证可靠的工作，单端结构的GaAs HBT微波功率放大器的饱和输出功率往往被限制在3W左右。要输出更大的功率，必须使用功 率合成的方法。
在大多数应用中，无线通信系统要求微波功率放大器的输入输出是单端形式。由于平衡式放大器具有抗干扰能力强，抗电源噪声和地噪声，且具有偶数谐波抑制功能，单片微波集成电路（MMIC）常常采用平衡式功率合成技术，以实现单端输入单端输出，同时实现两路功率合成，输出更大功率。如图1所示为常见的采用同轴传输线变压器巴伦构成的平衡式微波功率放大器。同轴传输线变压器巴伦也称电流巴伦，同轴电缆内部的电流大小相等且相位相反，虽然可保证两个输出端的输出电流相等，但输出电压不一定相等。同轴传输线变压器巴伦要用到同轴线，为非平面电路工艺，不利于产品小型化，输出功率的一致性和稳定性也受到影响。
发明内容
本发明实施例提供一种宽带微波功率放大器，以解决上述技术问题。
本发明实施例提供一种宽带微波功率放大器，包括：
差分信号生成网络，所述差分信号生成网络设置有信号输入端、第一差分信号输出端、及第二差分信号输出端，原始输入信号由所述信号输入端输入，通过所述差分信号生成网络后，由所述第一差分信号输出端、第二差分信号输出端输出差分信号；
第一输入匹配网络，其输入端连接所述第一差分信号输出端；
第二输入匹配网络，其输入端连接所述第二差分信号输出端；
第一放大单元，其输入端连接所述第一输入匹配网络的输出端；
第二放大单元，其输入端连接所述第二输入匹配网络的输出端；
第一输出匹配网络，其输入端连接所述第一放大单元的输出端；
第二输出匹配网络，其输入端连接所述第二放大单元的输出端；
输出端共面带线巴伦，所述输出端共面带线巴伦设置有第一差分信号输入端、第二差分信号输入端、以及信号输出端，所述第一差分信号输入端连接所述第一输出匹配网络的输出端，所述第二差分信号输入端连接所述第二输出匹配网络的输出端，所述差分信号经通过所述输出端共面带线巴伦进行合成后由其信号输出端输出。
优选的，所述差分信号生成网络为输入端共面带线巴伦。
优选的，所述输入端共面带线巴伦的信号输入端、第一差分信号输出端、第二差分信号输出端的阻抗相同。
优选的，所述输出端共面带线巴伦的信号输出端、第一差分信号输入端、第二差分信号输入端的阻抗相同。
优选的，输出端共面带线巴伦包括：第一差分信号输入端、与所述第一差分信号输入端连接并弯折延伸的第一传输线、第二差分信号输入端、与所述第二差分信号输入端连接并弯折延伸的第二传输线、分别连接所述第一传输线和所述第二传输线的第三传输线、信号输出端、以及地平面。
优选的，所述第一传输线的长度为3/4波长，所述第二传输线的长度为1/4波长。
优选的，所述第一传输线、第二传输线的宽度相同。
优选的，所述第三传输线的宽度与所述第一传输线、第二传输线的宽度之和相同。
优选的，所述第一传输线、第二传输线以垂直于第三传输线的方式进行弯折后连 接到所述第三传输线，所述第一传输线相对于所述第三传输线弯折延伸的高度为L1，所述 第二传输线相对于所述第三传输线弯折延伸的高度为L2，其中，
Figure 301139DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 654760DEST_PATH_IMAGE003
为微 带线波导波长。
优选的，所述地平面为截断地平面。
优选的，所述差分信号生成网络为
Figure 187373DEST_PATH_IMAGE004
混合网络。
本发明实施例中，采用共面带线巴伦实现功率的分配和或功率合成，该共面带线巴伦，可通过平面电路工艺制造，有利于高集成度和芯片小型化，同时成本较低，另外共面带线巴伦带宽较宽，插损小，一致性好，可与天线集成，形成射频前端阵列，输出高功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有微波功率放大器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的微波功率放大器的一种结构示意图；
图3是本发明实施例中输出端共面带线巴伦的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的微波功率放大器的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的每个行人其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种宽带微波功率放大器，包括：差分信号生成网络10、第一输入匹配网络21、第二输入匹配网络22、第一放大单元31、第二放大单元32、第一输出匹配网络41、第二输出匹配网络42、以及输出端共面带线巴伦50。
其中，所述差分信号生成网络10设置有信号输入端、第一差分信号输出端、及第二差分信号输出端，原始输入信号RFin由所述信号输入端输入，通过所述差分信号生成网络10后，由所述第一差分信号输出端输出第一差分信号RF+，由第二差分信号输出端输出第二差分信号RF-。
所述第一输入匹配网络21的输入端连接所述差分信号生成网络10的第一差分信号输出端，对第一差分信号RF+提供阻抗匹配；所述第二输入匹配网络22其输入端连接所述第二差分信号输出端，对第二差分信号RF-提供阻抗匹配。
所述第一放大单元31的输入端连接所述第一输入匹配网络21的输出端，用于对经阻抗匹配后的第一差分信号RF+进行放大处理；第二放大单元32的输入端连接所述第二输入匹配网络22的输出端，用于对经阻抗匹配后的第二差分信号RF-进行放大处理。
所述第一输出匹配网络41的输入端连接所述第一放大单元31的输出端，用于对经放大处理后的第一差分信号RF+进行再次阻抗匹配；第二输出匹配网络42的输入端连接所述第二放大单元32的输出端，用于对经放大处理后的第二差分信号RF-进行再次阻抗匹配。
本实施例中，如图3所示，输出端共面带线巴伦50设置有第一差分信号输入端P+、第二差分信号输入端P-、以及信号输出端CM（公共端），所述第一差分信号输入端P+连接所述第一输出匹配网络41的输出端，所述第二差分信号输入端P-连接所述第二输出匹配网络42的输出端，第一差分信号RF+、第二差分信号RF-在通过放大和阻抗匹配后，通过所述输出端共面带线巴伦50进行合成后由其信号输出端输出末端信号RFout。
本实施例中，所述输出端共面带线巴伦50的信号输出端CM、第一差分信号输入端P+、第二差分信号输入端P-的阻抗相同。本实施例中，它们的阻抗都为50欧姆。
在本实施例中，输出端共面带线巴伦包括：第一差分信号输入端P+、与所述第一差分信号输入端P+连接并弯折延伸的第一传输线CD、第二差分信号输入端P-、与所述第二差分信号输入端P-连接并弯折延伸的第二传输线AB、分别连接所述第一传输线CD和所述第二传输线AB的第三传输线EF、信号输出端CM、以及地平面。
本实施例中，所述第一传输线CD的长度为3/4波长，所述第二传输线AB的长度为1/4波长。
本实施例中，所述第一传输线CD的宽度
Figure 651852DEST_PATH_IMAGE005
与第二传输线AB的宽度
Figure 851889DEST_PATH_IMAGE006
相同，使 其特性阻抗均为
Figure 110832DEST_PATH_IMAGE007
欧姆。
本实施例中，所述第三传输线的宽度
Figure 130741DEST_PATH_IMAGE008
与所述第一传输线、第二传输线的宽度 之和相同，即
Figure 133332DEST_PATH_IMAGE009
。
在本实施例中，所述第一传输线CD、第二传输线AB以垂直于第三传输线EF的方式 进行弯折后连接到所述第三传输线，所述第一传输线相对于所述第三传输线弯折延伸的高 度为L1，所述第二传输线相对于所述第三传输线弯折延伸的高度为L2，其中，
Figure 187876DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 883299DEST_PATH_IMAGE011
为微带线波导波长，微波信号经过传输线AB和CD后，相位相差
Figure 390504DEST_PATH_IMAGE012
， 微带线中仅传播奇模信号，抑制了偶模信号。
在本实施例中，所述地平面为截断地平面，以实现信号从50欧姆到共面带线巴伦 的平滑过渡，微带线中还设置有
Figure 196786DEST_PATH_IMAGE013
弯斜接面（图3中标注
Figure 371415DEST_PATH_IMAGE013
处的两相对弯斜接面），即第 一传输线CD、第二传输线AB的弯折斜面、以及与第三传输线EF连接处的弯折斜面，优化后的 微带线
Figure 972161DEST_PATH_IMAGE013
弯斜接面提高了信号传输带宽，以实现信号的宽带功率合成。
在本实施例中，差分信号生成网络10可以为输入端共面带线巴伦，该输入端共面带线巴伦的结构与图3所示的输出端共面带线巴伦的结构相同。不同在于输入和输出是相反的。
作为本实施例的另一种可替代的实施方式，如图4所示，所述差分信号生成网络10 为
Figure 966662DEST_PATH_IMAGE014
混合网络，而输出端依然采用共面带线巴伦结构实现差分信号的功率合成，整个微 波功率放大器的信号带宽取决于
Figure 576635DEST_PATH_IMAGE014
混合网络和共面带线巴伦的带宽特性，优化放大器的 增益特性有助于信号的宽带放大。
本发明实施例中，采用共面带线巴伦实现功率的分配和或功率合成，该共面带线巴伦，可通过平面电路工艺制造，有利于高集成度和芯片小型化，同时成本较低，另外共面带线巴伦带宽较宽，插损小，一致性好，可与天线集成，形成射频前端阵列，输出高功率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种宽带微波功率放大器，其特征在于，包括：
差分信号生成网络，所述差分信号生成网络设置有信号输入端、第一差分信号输出端、及第二差分信号输出端，原始输入信号由所述信号输入端输入，通过所述差分信号生成网络后，由所述第一差分信号输出端、第二差分信号输出端输出差分信号；
第一输入匹配网络，其输入端连接所述第一差分信号输出端；
第二输入匹配网络，其输入端连接所述第二差分信号输出端；
第一放大单元，其输入端连接所述第一输入匹配网络的输出端；
第二放大单元，其输入端连接所述第二输入匹配网络的输出端；
第一输出匹配网络，其输入端连接所述第一放大单元的输出端；
第二输出匹配网络，其输入端连接所述第二放大单元的输出端；
输出端共面带线巴伦，所述输出端共面带线巴伦设置有第一差分信号输入端、第二差分信号输入端、以及信号输出端，所述第一差分信号输入端连接所述第一输出匹配网络的输出端，所述第二差分信号输入端连接所述第二输出匹配网络的输出端，所述差分信号经通过所述输出端共面带线巴伦进行合成后由其信号输出端输出。
2.如权利要求1所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述差分信号生成网络为输入端共面带线巴伦。
3.如权利要求2所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述输入端共面带线巴伦的信号输入端、第一差分信号输出端、第二差分信号输出端的阻抗相同。
4.如权利要求1或2所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述输出端共面带线巴伦的信号输出端、第一差分信号输入端、第二差分信号输入端的阻抗相同。
5.如权利要求2所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，输出端共面带线巴伦包括：第一差分信号输入端、与所述第一差分信号输入端连接并弯折延伸的第一传输线、第二差分信号输入端、与所述第二差分信号输入端连接并弯折延伸的第二传输线、分别连接所述第一传输线和所述第二传输线的第三传输线、信号输出端、以及地平面。
6.如权利要求5所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述第一传输线的长度为3/4波长，所述第二传输线的长度为1/4波长。
7.如权利要求5所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述第一传输线、第二传输线的宽度相同。
8.如权利要求7所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述第三传输线的宽度与所述第一传输线、第二传输线的宽度之和相同。
9.如权利要求5所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述第一传输线、第二传输 线以垂直于第三传输线的方式进行弯折后连接到所述第三传输线，所述第一传输线相对于 所述第三传输线弯折延伸的高度为L1，所述第二传输线相对于所述第三传输线弯折延伸的 高度为L2，其中，
Figure 516781DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 699501DEST_PATH_IMAGE002
为微带线波导波长。
10.如权利要求5所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述地平面为截断地平面。
11.如权利要求1所述的宽带微波功率放大器，其特征在于，所述差分信号生成网络为
Figure 10396DEST_PATH_IMAGE003
混合网络。
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