CN114244295A - 一种超宽带高压高功率放大器电路 - Google Patents

一种超宽带高压高功率放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带高压高功率放大器电路，包括负反馈式结构功率驱动单元和分布式结构末级功率输出单元；所述负反馈式结构功率驱动单元包括N个并联的Cascode结构管芯，且各Cascode结构管芯的输入端与输出端之间均串联第一MIM电容和第一电阻，形成射频反馈支路；所述分布式结构末级功率输出单元包括M个级联的Cascode结构管芯。本发明以Cascode结构管芯为基本单元，融合分布式和负反馈式电路拓扑结构的各自优势，极大地提高了超宽带功率单片集成功率放大器的性能。

Description

一种超宽带高压高功率放大器电路
技术领域
本发明属于涉及单片微波集成电路（MMIC）领域，特别涉及了一种超宽带放大器电路。
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，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，想要提高输出功率，必须想办法进一步提高工作电压。但对指定的工艺而言，工作电压是固定的，因此对于传统基于共源管芯结构的分布式超宽带放大器，其输出功率通常受限。
Cascode（共源共栅）结构管芯，可等效为两个晶体管的串联，具有高工作电压，高输出阻抗，高增益，小输出电容特点，尤其适合宽带放大器的使用。但其缺点明显，Cascode管芯内部两个晶体管之间阻抗失配严重，稳定性差。
为了实现大功率、高效率、高稳定可靠的超宽带功率放大器，特别是频率带宽达到十倍频以上，单纯地使用分布式、电抗匹配或负反馈拓扑结构三种的某一种已难以实现或发挥不了器件的极致性能。
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高压高功率放大器电路。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：包括负反馈式结构功率驱动单元和分布式结构末级功率输出单元；所述负反馈式结构功率驱动单元包括N个并联的Cascode结构管芯，N≥1，且各Cascode结构管芯的输入端与输出端之间均串联第一MIM电容和第一电阻，形成射频反馈支路；所述分布式结构末级功率输出单元包括M个级联的Cascode结构管芯，M≥1。
进一步地，所述Cascode结构管芯的共栅结构管芯栅端通过串联第二MIM电容和第二电阻到地。
进一步地，所述负反馈式结构功率驱动单元的输出端与分布式结构末级功率输出单元的输入端通过级间匹配结构相连。
进一步地，所述级间匹配结构包括输出端匹配电路和输入端匹配电路，所述负反馈式结构功率驱动单元通过输出端匹配电路使得其输出端阻抗Zout1匹配到某一特定阻抗点，所述分布式结构末级功率输出单元通过输入端匹配电路使得其输入端阻抗Zin1也匹配到相应特定阻抗点。
进一步地，所述输出端匹配电路包括第一微带线、串联MIM电容和并联MIM电容，所述第一微带线的一端连接负反馈式结构功率驱动单元的输出端，第一微带线的另一端经串联MIM电容与并联MIM电容的一端相连，并联MIM电容的另一端接地，串联MIM电容与并联MIM电容的公共端连接输入端匹配电路。
进一步地，所述输入端匹配电路包括第二微带线，所述第二微带线的一端连接输出端匹配电路，第二微带线的另一端连接分布式结构末级功率输出单元的输入端。
进一步地，所述输出端匹配电路包括漏极加电偏置电路，所述漏极加电偏置电路包括第三微带线、第三MIM电容和第三电阻，所述第三微带线的一端经第三MIM电容与第三电阻的一端相连，第三电阻的另一端接地。
进一步地，晶圆的材料包括但不限于GaAs或GaN。
采用上述技术方案带来的有益效果：
1、本发明通过对Cascode（共源共栅）管芯结构单元进行稳定性设计，可改善Cascode结构管芯结构内部失配，提高管芯稳定性和可靠性。Cascode结构管芯单元较传统共源管芯结构单元，具有高工作电压，高输出阻抗，高增益，小输出电容特点，适用于宽带放大器的设计。
2、本发明的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，极大地提升了超宽带功率放大器的功率、效率特性。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，尤其适用于以Cascode管芯结构为基本单元进行设计，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，匹配损耗变大大，效率降低。
3、本发明的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、本发明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。
附图说明
图1为以Cascode结构管芯为基本单元的负反馈式与分布式相融合的电路拓扑结构示意图；
图2为以Cascode结构管芯为基本单元的负反馈式与分布式相融合的级间阻抗匹配示意图；
图3为以Cascode结构管芯为基本单元的负反馈式与分布式结构相融合的具体电路示意图；
图4为以Cascode结构管芯为基本单元的负反馈式与分布式结构相融合的具体电路实测结果图。
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高压高功率放大器电路，包括Cascode（共源共栅）结构管芯结构单元、负反馈和分布式匹配结构之间的融合设计方法以及电路匹配结构，结合三种结构的各自优势，可以发挥器件的最佳性能，提高超宽带功率放大器的整体性能。
本发明设计的超宽带高压高功率放大器电路，以Cascode结构管芯为基本单元103，电路拓扑结构包括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。见图1。
在所述负反馈式结构功率驱动单元101中，采用由N个Cascode结构晶体管并联的负反馈结构，MIM电容122和电阻142串联在晶体管的输入和输出之间，形成射频反馈支路。
在所述分布式结构末级功率输出单元102中，采用M个晶体管级联的分布式结构。
优选地，所述Cascode结构管芯单元103的共栅结构管芯的栅端，串联MIM电容121和电阻141到地回路，形成稳定性设计单元，可提高Cascode共源共栅结构管芯的稳定性。
优选地，负反馈式结构功率驱动单元的输出端与分布式结构末级功率输出单元的输入端通过级间匹配结构104相连。所述级间匹配单元104，采用了电抗匹配结构，包括了输出端匹配电路105和输入端匹配电路106，所述输出端匹配电路105包含负反馈式结构放大器的漏极加电偏置电路107，所述漏极加电偏置电路107为负反馈式结构放大器的漏极加电，并参与负反馈式驱动级放大器的输出端匹配。
所述级间匹配结构104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，见图2。
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。
本实例以0.3-6GHz 30W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3电路图所示。
所述负反馈式结构功率驱动单元采用由单个Cascode结构晶体管构成的负反馈结构，所述分布式结构末级功率输出单元采用5个晶体管级联的分布式结构。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。
直流压点211为反馈式结构放大器的漏极提供电压，并与MIM电容223和电阻243组成的串联电路并联到地，再串联微带线231，构成所述反馈式结构放大器的漏极加电偏置电路。微带线232、串联MIM电容224与并联MIM电容225构成所述反馈结构放大器的输出端匹配电路。输入端匹配电路包括微带线233。级间匹配结构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。
所述实施案例中功率放大电路输出功率曲线与附加效率曲线的实测结果如图4所示。从图中可以看出，所述超宽带GaN功率放大器漏级工作电压最高可达56V，在0.3-6GHz频率范围内输出功率最大可以达50W，附加效率典型值达30%，带宽可以达到20倍频程。
所述功放设计最大的难点有两个：
1、Cascode管芯结构的稳定性单元设计，需要根据工作频段和不同的管芯单元，合适选择的并联RC谐振网络，在保证Cascode管芯稳定的同时，尽量提高管芯的功率和效率。
2、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。
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 (8)

1.一种超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：包括负反馈式结构功率驱动单元和分布式结构末级功率输出单元；所述负反馈式结构功率驱动单元包括N个并联的Cascode结构管芯，N≥1，且各Cascode结构管芯的输入端与输出端之间均串联第一MIM电容和第一电阻，形成射频反馈支路；所述分布式结构末级功率输出单元包括M个级联的Cascode结构管芯，M≥1。
2.根据权利要求1所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：所述Cascode结构管芯的共栅结构管芯栅端通过串联第二MIM电容和第二电阻到地。
3.根据权利要求1所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：所述负反馈式结构功率驱动单元的输出端与分布式结构末级功率输出单元的输入端通过级间匹配结构相连。
4.根据权利要求3所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：所述级间匹配结构包括输出端匹配电路和输入端匹配电路，所述负反馈式结构功率驱动单元通过输出端匹配电路使得其输出端阻抗Zout1匹配到某一特定阻抗点，所述分布式结构末级功率输出单元通过输入端匹配电路使得其输入端阻抗Zin1也匹配到相应特定阻抗点。
5.根据权利要求4所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：所述输出端匹配电路包括第一微带线、串联MIM电容和并联MIM电容，所述第一微带线的一端连接负反馈式结构功率驱动单元的输出端，第一微带线的另一端经串联MIM电容与并联MIM电容的一端相连，并联MIM电容的另一端接地，串联MIM电容与并联MIM电容的公共端连接输入端匹配电路。
6.根据权利要求4所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：所述输入端匹配电路包括第二微带线，所述第二微带线的一端连接输出端匹配电路，第二微带线的另一端连接分布式结构末级功率输出单元的输入端。
7.根据权利要求4所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：所述输出端匹配电路包括漏极加电偏置电路，所述漏极加电偏置电路包括第三微带线、第三MIM电容和第三电阻，所述第三微带线的一端经第三MIM电容与第三电阻的一端相连，第三电阻的另一端接地。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述超宽带高压高功率放大器电路，其特征在于：晶圆的材料包括但不限于GaAs或GaN。
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