CN114465585A - 一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，设计无线通信技术领域，包括依次连接的输入级电路、功率分配网络、偏置电路、稳定网络、晶体管Q、漏极电路、匹配网络、功率合成网络等，采用四级放大和尽可能对称的电路结构，能够最大限度避免相位偏移而产生损耗，在栅极电路中加入电阻提高电路的稳定性，最终末级放大电路进行四路功率合成，以实现高功率、高效率、低驻波的功率放大，对小型化、高可靠性、高信息容量的现代化通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片。
背景技术
随着微波通信技术的发展，单片微波集成电路(Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit,MMIC)凭借小型紧凑、稳定性好、抗干扰能力强和产品性能一致性好成为制导、雷达、导航、电子战、通信以及众多的民用系统中极具吸引力的选择。目前，K波段至Ka波段微波单片集成电路已成为当前各种高科技武器的重点发展方向，可广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、卫星通信系统和陆海空基的先进相控阵雷达，特别是机载和星载雷达，因此研究该频段的功率放大器芯片变得尤为重要。为满足各试用领域对单片微波功率放大器的更高功率、更高效率、更高可靠性的要求，研发高压、高效、大功率的单片微波功率放大器成为必然趋势。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片,以满足K波段到Ka波段高功率、高效率、宽带高增益、低驻波、小型化应用场景下保持高性能的功率放大器芯片。
本发明采用下述的技术方案：一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，包括依次连接的输入级电路和功率分配网络1，所述输入级电路输入端连接射频输入，所述功率分配网络1输出端分别连接结构相同的两路：第一通路和第二通路；
所述第一通路包括依次连接的偏置电路1、稳定网络1、晶体管Q1、漏极电路1、匹配网络1、偏置电路2、稳定网络2、晶体管Q2、漏极电路2、匹配网络2、功率分配网络2，所述功率分配网络2输出端分别连接结构相同的两路：第三通路和第四通路，第二通路上也连接有与第三通路结构相同的第五通路和第六通路；
所述第三通路包括依次连接的偏置电路3、稳定网络3、晶体管Q3、漏极电路3、匹配网络3、偏置电路4、稳定网络4、晶体管Q4、漏极电路4，所述漏极电路4输出端连接功率合成网络；
所述第三通路、第四通路、第五通路、第六通路末端的漏极电路均连接功率合成网络，所述功率合成网络输出端连接射频输出；
所述稳定网络1、稳定网络2共同连接第一通路、第二通路；所述稳定网络3、稳定网络4共同连接第三通路、第四通路；稳定网络5、稳定网络6均共同连接第五通路、第六通路。
一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片采用四级放大，信号经过一个晶体管放大一级。
优选的，所述输入级电路包括微带线TL1、电容C0、微带线TL2、微带线TL3和微带线TL4，所述微带线TL1、电容C0、微带线TL2、微带线TL4依次串联，所述微带线TL3一端连接在所述微带线TL2和微带线TL4之间，另一端接地。
优选的，所述功率分配网络包括TL4输出端连接的两条并联电路，一条并联电路上依次串联着微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8，另一条并联电路上依次串联着包括微带线TL65、微带线TL66、微带线TL67、微带线TL68，电阻R1一端连接在所述微带线TL7、微带线TL8之间，另一端连接在微带线TL67、微带线TL68之间，所述TL8输出端连接第一通路、TL68连接第二通路。
优选的，所述偏置电路包括依次连接的电容C1、微带线TL9，所述微带线TL9输出端连接两条并联电路，一路依次串联着微带线TL10、电阻R2、电阻R3、电源VGS1，电容C2一端连接在电阻R2和电阻R3之间，另一端接地，另一路依次串联TL11、电阻R4、电容C3，所述C3的另一端接地，所述微带线TL9的输出端还连接稳定网络输入端，偏置电路中加入电阻以提升晶体管的稳定性，同时让偏置电路中的微带线参与匹配，缩小电路面积，设置滤波电容进行滤波减少对信号的干扰。
优选的，所述稳定网络由完全镜像的电路连接构成，包括微带线TL9输出端连接的RC并联电路，所述RC并联电路输出端连接有两条并联电路，一路包括RC串联电路，所述RC串联电路的另一端接地，另一路连接电阻R7；镜像的连接第二通路上的微带线TL69输出端连接RC并联电路，所述RC并联电路输出端连接有两条并联电路，一路包括RC串联电路，所述RC串联电路的另一端接地，另一路连接电阻R45，所述电阻R7和电阻R45均连接到电容C6的输入端，所述C6的输出端接地。由于本功放是两路构成，所以两路信号之间要加隔离电阻，防止奇模振荡，把隔离电阻引入到单路信号的稳定网络中，再添加并联电容，实现在单个信号通路上，串联一个RC并联网络，并联两个RC串联网络，其中一个RC串联网络为两路信号共享，以实现整个频带内电路稳定并防止产生奇模振荡。
优选的，所述漏极电路包括串联的微带线TL12和微带线TL15，所述微带线TL15输出端连接匹配网络1，微带线TL13一端连接在微带线TL2、微带线TL5之间，另一端连接电源VDS1，电容C7一端连接在微带线TL13与电源VDS1之间，另一端接地，微带线TL14一端连接在微带线TL2、微带线TL5之间，另一端连接电容C8，所述电容C8的另一端接地。漏极采用微带线进行偏压，能够增加电路稳定性。
优选的，所述匹配网路包括依次串联的微带线TL15、电容C9、微带线TL16，匹配网络采用经典的LC匹配网络，用微带线来代替传统的电感，以减少电感带来的空间损耗，通过匹配网络实现输出端口的阻抗匹配到负载/源牵引得到的额最佳源和负载阻抗。
优选的，所述功率合成网络包括连接第三通路依次串联的微带线TL39、微带线TL40、微带线TL41，连接第四通路的微带线TL58、微带线TL59、微带线TL60,电阻R27一端连接在微带线TL39和微带线TL40之间，另一端连接在微带线TL58和微带线TL59之间，所述微带线TL41、微带线TL60输出端均连接在微带线TL61上将第三通路、第四通路合成一路，所述TL61输出端依次串联微带线TL62、电容C9、微带线TL63、TL64，第五通路、第六通路连接有相同的电路，合成一路后依次串联微带线TL102、微带线TL103、电容C92、微带线TL104、微带线TL105，所述微带线TL64、微带线TL105的输出端均连接在微带线TL106的输入端，完成4路合成一路，所述微带线TL106输出端依次串联电容C93、微带线TL126。通过在微带线TL39与TL58之间并联电阻，可以吸收两路信号之间的奇模信号，以增加端口之间的隔离性，通过微带线与电容串联完成阻抗匹配功能。
本发明的有益效果是：
1)、本发明频率范围覆盖24-29GHz，采用硅基GaN工艺，其栅长为100nm，本发明采用四级放大电路，改进的稳定网络以及在偏执电路中加入稳定电阻使得信号经过末级放大电路和四路功率合成后能够稳定输出7W的功率，输入输出回波损耗均小于-16dB，并且芯片的功率附加效率(PAE)达到33％左右，小信号增益在23dB左右，该芯片具有尺寸小、效率高、功率高等优势。
2)、本发明采用的改进后的稳定网络，在两路信号之间加入隔离电阻，防止奇模振荡，把隔离电阻引入到单路信号的稳定网络中，再添加并联电容，实现在单个信号通路上，串联一个R-C并联网络，并联两个R-C串联网络，其中一个R-C串联网络为两路信号共享，实现在整个频带内的电路稳定，并且该结构插损较小，能够减少通路信号的损耗。
3)、本发明采用引入吸收电阻的偏置电路以及微带线参与匹配的漏极电路，能够在防止高频自激振荡的同时进一步提高电路的稳定性。
4)、本发明的芯片采用微带线代替电感，再与电容进行阻抗匹配，能够保证匹配的同时减小尺寸，微带线还具有易调节、损耗低等优点，能够有效地减少信号通路产生的损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本芯片的信号通路结构示意图。
图2是本芯片的整体电路结构示意图。
图3是本芯片的输入级电路结构示意图。
图4是本芯片的功率分配网络电路结构示意图。
图5是本芯片的偏置电路结构示意图。
图6是本芯片的稳定网络电路结构示意图。
图7是本芯片的漏极电路电路结构示意图。
图8是本芯片的匹配网络电路结构示意图。
图9是本芯片的功率合成网络电路结构示意图。
图10是本芯片的输入和输出回波损耗曲线图。
图11是本芯片的小信号增益曲线图。
图12是本芯片的输出功率(Pout)曲线图。
图13是本芯片的功率附加效率(PAE)曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，包括依次连接的输入级电路和功率分配网络1，所述输入级电路输入端连接射频输入，所述功率分配网络1输出端分别连接结构相同的两路：第一通路和第二通路；
所述第一通路包括依次连接的偏置电路1、稳定网络1、晶体管Q1、漏极电路1、匹配网络1、偏置电路2、稳定网络2、晶体管Q2、漏极电路2、匹配网络2、功率分配网络2，所述功率分配网络2输出端分别连接结构相同的两路：第三通路和第四通路，第二通路上也连接有与第三通路结构相同的第五通路和第六通路；
所述第三通路包括依次连接的偏置电路3、稳定网络3、晶体管Q3、漏极电路3、匹配网络3、偏置电路4、稳定网络4、晶体管Q4、漏极电路4，所述漏极电路4输出端连接功率合成网络；
所述第三通路、第四通路、第五通路、第六通路末端的漏极电路均连接功率合成网络，所述功率合成网络输出端连接射频输出；
所述稳定网络1、稳定网络2共同连接第一通路、第二通路；所述稳定网络3、稳定网络4共同连接第三通路、第四通路；稳定网络5、稳定网络6均共同连接第五通路、第六通路。
一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片采用四级放大，信号经过一个晶体管放大一级。该芯片为四级放大芯片，Q1、Q7晶体管构成第一级放大电路，Q2、Q8晶体管构成第二级放大电路，Q3、Q5、Q9、Q11构成中间级放大电路，Q4、Q6、Q10、Q12构成末级放大电路，第一级放大电路与第二级放大电路驱动中间级和末级放大电路进行功率放大，电路整体关于射频输入与射频输出中心线呈镜像对称，中间级与末级放大电路又分别关于功率分配网络2、功率分配网络3呈镜像对称，射频信号输入经过功率分配网络1分为两路信号，经过两级放大后，由功率分配网络2和功率分配网络3分为4路信号，在中间级和末级放大电路放大后，经功率合成网络进行功率合成后进行射频输出，所述第一级放大电路及第二级放大电路所用晶体管的栅宽为4*60um，中间级及末级放大电路所用晶体管的栅宽为8*85um，该芯片的整体尺寸为3.5mm*2.5mm*0.1mm，使用的是栅长为100nm的硅基GaN材料工艺，用于信号的发射。
如图2所示，所述芯片共有24个供电接口，该芯片处于正常工作状态时，偏置电路供电电压为VGS1-VGS4＝-1.2V，漏极电路的供电电压为VDS1-VDS4＝12V。
如图3所示，所述输入级电路包括微带线TL1、电容C0、微带线TL2、微带线TL3和微带线TL4，所述微带线TL1、电容C0、微带线TL2、微带线TL4依次串联，所述微带线TL3一端连接在所述微带线TL2和微带线TL4之间，另一端接地。
如图4所示，所述功率分配网络包括TL4输出端连接的两条并联电路，一条并联电路上依次串联着微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8，另一条并联电路上依次串联着包括微带线TL65、微带线TL66、微带线TL67、微带线TL68，电阻R1一端连接在所述微带线TL7、微带线TL8之间，另一端连接在微带线TL67、微带线TL68之间，所述TL8输出端连接第一通路、TL68连接第二通路。
如图5所示，所述偏置电路包括依次连接的电容C1、微带线TL9，所述微带线TL9输出端连接两条并联电路，一路依次串联着微带线TL10、电阻R2、电阻R3、电源VGS1，电容C2一端连接在电阻R2和电阻R3之间，另一端接地，另一路依次串联TL11、电阻R4、电容C3，所述C3的另一端接地，所述微带线TL9的输出端还连接稳定网络输入端，偏置电路中加入电阻以提升晶体管的稳定性，同时让偏置电路中的微带线参与匹配，缩小电路面积，设置滤波电容进行滤波减少对信号的干扰。
如图6所示，所述稳定网络由完全镜像的电路连接构成，包括微带线TL9输出端连接的RC并联电路，所述RC并联电路输出端连接有两条并联电路，一路包括RC串联电路，所述RC串联电路的另一端接地，另一路连接电阻R7；镜像的连接第二通路上的微带线TL69输出端连接RC并联电路，所述RC并联电路输出端连接有两条并联电路，一路包括RC串联电路，所述RC串联电路的另一端接地，另一路连接电阻R45，所述电阻R7和电阻R45均连接到电容C6的输入端，所述C6的输出端接地。由于本功放是两路构成，所以两路信号之间要加隔离电阻，防止奇模振荡，把隔离电阻引入到单路信号的稳定网络中，再添加并联电容，实现在单个信号通路上，串联一个RC并联网络，并联两个RC串联网络，其中一个RC串联网络为两路信号共享，以实现整个频带内电路稳定并防止产生奇模振荡。把隔离电阻引入到单路信号的稳定网络中，再添加并联电容，实现在单个信号通路上，串联一个RC并联网络，并联两个RC串联网络，其中一个RC串联网络为两路信号共享，实现在整个频带内的电路稳定，并且该结构插损较小，能够减少通路信号的损耗，其中R5、R44＝10欧姆，R6、R7、R45、R46＝100欧姆，电容C4、C50＝10pF，电容C5、C6、C51＝100pF。
如图7所示，所述漏极电路包括串联的微带线TL12和微带线TL15，所述微带线TL15输出端连接匹配网络1，微带线TL13一端连接在微带线TL2、微带线TL5之间，另一端连接电源VDS1，电容C7一端连接在微带线TL13与电源VDS1之间，另一端接地，微带线TL14一端连接在微带线TL2、微带线TL5之间，另一端连接电容C8，所述电容C8的另一端接地。漏极采用微带线进行偏压，能够增加电路稳定性。
如图8所示，所述匹配网路包括依次串联的微带线TL15、电容C9、微带线TL16，匹配网络采用经典的LC匹配网络，用微带线来代替传统的电感，以减少电感带来的空间损耗，通过匹配网络实现输出端口的阻抗匹配到负载和源牵引得到的额最佳源和负载阻抗。
如图9所示，所述功率合成网络包括连接第三通路依次串联的微带线TL39、微带线TL40、微带线TL41，连接第四通路的微带线TL58、微带线TL59、微带线TL60,电阻R27一端连接在微带线TL39和微带线TL40之间，另一端连接在微带线TL58和微带线TL59之间，所述微带线TL41、微带线TL60输出端均连接在微带线TL61上将第三通路、第四通路合成一路，所述TL61输出端依次串联微带线TL62、电容C9、微带线TL63、TL64，第五通路、第六通路连接有相同的电路，合成一路后依次串联微带线TL102、微带线TL103、电容C92、微带线TL104、微带线TL105，所述微带线TL64、微带线TL105的输出端均连接在微带线TL106的输入端，完成4路合成一路，所述微带线TL106输出端依次串联电容C93、微带线TL126。通过在微带线TL39与TL58之间并联电阻，可以吸收两路信号之间的奇模信号，以增加端口之间的隔离性，通过微带线与电容串联完成阻抗匹配功能。电路对中心线呈镜像对称，采用并联匹配网络结构，直接采用微带线将需要功率合成的功放管并联，微带线将匹配元件合成到一个共同的节点，通过调节微带线的特性阻抗和电容的容值等参数就可以进行阻抗匹配和功率合成，这种并联匹配网络结构不仅可以同时完成阻抗匹配和功率合成，而且结构简单、功率损耗小，占用电路面积小。
如图10所示，该芯片的输入回波损耗在24-29GHz频段在-16dB以下，输出回波损耗在频段内在-18dB以下，可见该芯片有低驻波的优势。
如图11所示，该芯片的小信号增益在23dB以上，可见该芯片有高增益的优势。
如图12所示，该芯片的输出功率(Pout)在频带内维持在39dBm以上，可见该芯片有高输出功率的优势。
如图13所示，该芯片的功率附加效率(PAE)在频带内基本维持在33％左右，可见该芯片有高效率的优势。
所述芯片为四级放大，输入级和第二级放大为两路放大，采用栅宽为4*60um的晶体管，中间级和末级放大为四路放大，采用栅宽为8*85um的晶体管，所述芯片关于射频输入输出中心线高度对称，保证了两路信号的幅相一致性，减少了功率合成时的功率损耗，在功率合成网络及功率分配网络中并入电阻，吸收奇模信号，进一步介绍两路信号的功率损耗，在偏置电路中加入电阻并让微带线参与匹配，以及改进后的稳定网络，不仅减少芯片尺寸，更能增加电路稳定性，最终进行四路信号合成，实现高性能，大功率的功率放大芯片。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，其内部包括依次连接的输入级电路和功率分配网络1，所述输入级电路输入端连接射频输入，所述功率分配网络1输出端分别连接结构相同的两路：第一通路和第二通路；
所述第一通路包括依次连接的偏置电路1、稳定网络1、晶体管Q1、漏极电路1、匹配网络1、偏置电路2、稳定网络2、晶体管Q2、漏极电路2、匹配网络2、功率分配网络2，所述功率分配网络2输出端分别连接结构相同的两路：第三通路和第四通路，第二通路上也连接有与第三通路结构相同的第五通路和第六通路；
所述第三通路包括依次连接的偏置电路3、稳定网络3、晶体管Q3、漏极电路3、匹配网络3、偏置电路4、稳定网络4、晶体管Q4、漏极电路4，所述漏极电路4输出端连接功率合成网络；
所述第三通路、第四通路、第五通路、第六通路末端的漏极电路均连接功率合成网络，所述功率合成网络输出端连接射频输出；
所述稳定网络1、稳定网络2共同连接第一通路、第二通路；所述稳定网络3、稳定网络4共同连接第三通路、第四通路；稳定网络5、稳定网络6均共同连接第五通路、第六通路。
2.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述输入级电路包括微带线TL1、电容C0、微带线TL2、微带线TL3和微带线TL4，所述微带线TL1、电容C0、微带线TL2、微带线TL4依次串联，所述微带线TL3一端连接在所述微带线TL2和微带线TL4之间，另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述功率分配网络包括TL4输出端连接的两条并联电路，一条并联电路上依次串联着微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8，另一条并联电路上依次串联着包括微带线TL65、微带线TL66、微带线TL67、微带线TL68，电阻R1一端连接在所述微带线TL7、微带线TL8之间，另一端连接在微带线TL67、微带线TL68之间，所述TL8输出端连接第一通路、TL68连接第二通路。
4.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述偏置电路包括依次连接的电容C1、微带线TL9，所述微带线TL9输出端连接两条并联电路，一路依次串联着微带线TL10、电阻R2、电阻R3、电源VGS1，电容C2一端连接在电阻R2和电阻R3之间，另一端接地，另一路依次串联TL11、电阻R4、电容C3，所述C3的另一端接地，所述微带线TL9的输出端还连接稳定网络输入端。
5.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述稳定网络由完全镜像的电路连接构成，包括微带线TL9输出端连接的RC并联电路，所述RC并联电路输出端连接有两条并联电路，一路包括RC串联电路，所述RC串联电路的另一端接地，另一路连接电阻R7；镜像的连接第二通路上的微带线TL69输出端连接RC并联电路，所述RC并联电路输出端连接有两条并联电路，一路包括RC串联电路，所述RC串联电路的另一端接地，另一路连接电阻R45，所述电阻R7和电阻R45均连接到电容C6的输入端，所述C6的输出端接地。
6.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述漏极电路包括串联的微带线TL12和微带线TL15，所述微带线TL15输出端连接匹配网络1，微带线TL13一端连接在微带线TL2、微带线TL5之间，另一端连接电源VDS1，电容C7一端连接在微带线TL13与电源VDS1之间，另一端接地，微带线TL14一端连接在微带线TL2、微带线TL5之间，另一端连接电容C8，所述电容C8的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述匹配网路包括依次串联的微带线TL15、电容C9、微带线TL16。
8.根据权利要求1所述的一种K波段到Ka波段高性能功率放大器芯片，其特征在于，所述功率合成网络包括连接第三通路依次串联的微带线TL39、微带线TL40、微带线TL41，连接第四通路的微带线TL58、微带线TL59、微带线TL60,电阻R27一端连接在微带线TL39和微带线TL40之间，另一端连接在微带线TL58和微带线TL59之间，所述微带线TL41、微带线TL60输出端均连接在微带线TL61上将第三通路、第四通路合成一路，所述TL61输出端依次串联微带线TL62、电容C9、微带线TL63、TL64，第五通路、第六通路连接有相同的电路，合成一路后依次串联微带线TL102、微带线TL103、电容C92、微带线TL104、微带线TL105，所述微带线TL64、微带线TL105的输出端均连接在微带线TL106的输入端，完成4路合成一路，所述微带线TL106输出端依次串联电容C93、微带线TL126。
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|---|---|---|---|---|
| CN117134724A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-11-28 | 成都屿西半导体科技有限公司 | 一种具有谐波抑制网络的宽带功率放大器 |
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