CN114978068B - 一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路 - Google Patents

一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，属于无线通信技术领域。包括第一高功率功放单元、第二高功率功放单元、低功率功放单元、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一~第四单刀单掷开关、第一90°耦合器、第二90°耦合器、第一50欧姆电阻、第二50欧姆电阻。本发明利用90°耦合器的宽带特性及其四个端口的阻抗特性，以及开关器件的开/关特性，实现了两种不同输出功率的超宽带低损耗切换；同时，由于使用了90°耦合器合成功率，使得高功率输出时，具有抗负载牵引的特点。

Description

一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路。
背景技术
功率放大器单片微波集成电路是一种可以将比较微弱的射频信号放大至一定功率并输出的芯片，是由晶体管、电感、电容、微带线以及耦合器等元件组成并制作在半导体材料上的电子器件。被广泛应用于通信和雷达等各种装置中。是现代通信系统和雷达系统中不可或缺的组成部分。
现代通信系统和雷达系统的功能日益复杂，并且设备体积越来越小。这种发展趋势对功率放大器单片微波集成电路提出了以下几种要求：一是两种不同输出功率模式能够集成在一个单片微波集成电路上；二是功率放大器的工作带宽要宽；三是功率放大器的性能指标要好，最主要的是功率附加效率要高，尤其是高功率输出模式情况下的附加效率尽可能高。
在现有技术中，能集成两种输出功率模式的方法主要分为两类：单刀双掷开关切换的方法和改变供电电压的方法。
通过将两个输出功率不同的放大器集成在一个单片微波集成电路上，并且在输入和输出各自集成一个单刀双掷开关分别与两个功率放大器相连，从而实现不同输出功率的集成和切换。此种方法的优点是实现方式简单，但是单刀双掷开关的插入损耗较大，在两个功率放大器的输出引入的单刀双掷开关会以较大幅度地衰减功放输出的信号，造成整个芯片的功率附加效率的恶化，这种效率恶化在宽带系统中尤为明显。
通过改变工作电压来实现输出功率的改变也是常见的一种技术手段。优点是实现方式简单，即仅设计一个功率放大器单片微波集成电路即可，通过改变工作电压实现输出功率的变化，同时可以保证其中一种模式工作时的功率附加效率高。该方法至少有以下三个缺点：一是两种模式的输出功率大小不能同时任意设计；二是对系统电源提出了更高的要求，需要额外地升/降压模块，提高了整个系统设备成本；三是两种模式对应的实际可工作频率范围必须一样。这三个缺点较大限制了该方法的推广和应用。
对于同时满足双模式功率输出，超宽带工作和高效率的功率放大器芯片技术领域目前相对研究较少。
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双模式高效率单片微波集成电路。利用90°耦合器的宽带特性及其四个端口的阻抗特性，以及开关器件的开/关特性，实现了两种不同输出功率的超宽带低损耗切换；同时，在高功率模式下，由于使用了90°耦合器合成功率，从而具有一定的抗负载牵引的能力，这是其它双模式技术所不具备的一个优点。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，包括第一高功率功放单元、第二高功率功放单元、低功率功放单元、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一单刀单掷开关、第二单刀单掷开关、第三单刀单掷开关、第四单刀单掷开关、第一90°耦合器、第二90°耦合器、第一50欧姆电阻、第二50欧姆电阻。
所述第一90°耦合器的IN端口作为整个单片微波集成电路的信号输入端口。
所述第一90°耦合器的0°端口与第一单刀单掷开关的输入端连接，第一单刀单掷开关的输出端与第一高功率功放单元的输入端连接，第一高功率功放单元的输出端与第三单刀单掷开关的输入端连接，第三单刀单掷开关的输出端与第二90°耦合器的-90°端口相连。
所述第一90°耦合器的-90°端口与第二单刀单掷开关的输入端相连，第二单刀单掷开关的输出端与第二高功率功放单元的输入端连接，第二高功率功放单元的输出端与第四单刀单掷开关的输入端连接，第四单刀单掷开关的输出端与第二90°耦合器的0°端口连接。
所述第一90°耦合器的ISO端口与第一单刀双掷开关的输入端相连，第一单刀双掷开关的输出端口1与第一50欧姆电阻的一端相连，第一50欧姆电阻的另一端接地。
所述第一单刀双掷开关的输出端口2与低功率功放单元的输入端相连，低功率功放单元的输出端与第二单刀双掷开关的输出端口2相连，第二单刀双掷开关的输出端口1与第二50欧姆电阻的一端连接，第二50欧姆电阻的另一端接地，第二单刀双掷开关的输入端与第二90°耦合器的ISO端口相连。
第二90°耦合器的IN端口作为单片微波集成电路的信号输出端口。
在高功率输出模式下，第一~第四单刀双掷开关处于导通状态；第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于导通状态，第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于关断状态；第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于导通状态，第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于关断状态。
在所述高功率输出模式下，输入的射频信号经过第一90°耦合器一分为二；其中，第一路信号依次经过第一单刀单掷开关、第一高功率功放单元、第三单刀单掷开关；第二路信号依次经过第二单刀单掷开关、第二高功率功放单元、第四单刀单掷开关；第一路信号和第二路信号分别进入第二90°耦合器的-90°端口和0°端口，通过第二90°耦合器功率合成，最后从第二90°耦合器的IN端口输出。
在低功率输出模式下，第一~第四单刀单掷开关处于关断状态；第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于导通状态，第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于关断状态；第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于导通状态，第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于关断状态。
在所述低功率输出模式下，输入的射频信号进入第一90°耦合器的IN端口，输出至第一90°耦合器的ISO端口，然后依次经过第一单刀双掷开关输入端至其输出端口2、低功率功放单元、第二单刀双掷开关的输出端口2至其输入端，再进入第二90°耦合器的ISO端口，最后从第二90°耦合器的IN端口输出。
进一步地，所述第一高功率功放单元和第二高功率功放单元的结构相同，均包括依次连接的第一输入匹配电路、至少一个第一级间匹配电路和第一输出匹配电路；在第一输入匹配电路和第一级间匹配电路之间串联晶体管，在第一级间匹配电路与第一输出匹配电路之间串联晶体管，若存在多个第一级间匹配电路，在各个第一级间匹配电路之间串联晶体管。
进一步地，所述低功率功放单元包括依次连接的第二输入匹配电路、至少一个第二级间匹配电路和第二输出匹配电路；在第二输入匹配电路和第二级间匹配电路之间串联晶体管，在第二级间匹配电路与第二输出匹配电路之间串联晶体管，若存在多个第二级间匹配电路，在各个第二级间匹配电路之间串联晶体管。
进一步地，所述第一输入匹配电路、第二输入匹配电路、第一级间匹配电路、第二级间匹配电路、第一输出匹配电路以及第二输出匹配电路，均采用宽带匹配形式，使用多级电感-电容结构实现。
进一步地，第一~第四单刀单掷开关采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
进一步地，第一~第二单刀双掷开关的两个支路结构相同，均采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
进一步地，所述第一90°耦合器和第二90°耦合器采用兰格耦合器；兰格耦合器具有超宽带特性。
进一步地，第一~第四单刀单掷开关以及第一~第二单刀双掷开关中的开关器件采用高电子迁移率晶体管、PIN二极管、三极管、金属-半导体接触场效应晶体管或金属-介质-半导体场效应晶体管。
进一步地，所述超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路的晶圆采用硅、或氮化镓、或碳化硅，或砷化镓作为基片和外延层材料。
采用上述技术方案带来的有益效果：
（1）本发明实现了超宽带下任意两种不同功率等级的输出。
（2）本发明中的高功率模式下，高功率功放单元的输出端引入的损耗最低，使得功率附加效率最优。
（3）本发明中的高功率模式下，因为采用90°耦合器，使得高功率输出时，具有抗负载牵引的特点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中高功率功放单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中低功率功放单元的结构示意图；
图4为本发明实施例中单刀单掷开关单元的结构示意图；
图5为本发明实施例中单刀双掷开关单元的结构示意图；
图6为本发明实施例的高功率输出模式下的输出功率曲线；
图7为本发明实施例的高功率输出模式下的功率附加效率曲线；
图8为本发明实施例的低功率输出模式下的输出功率曲线；
图9为本发明实施例的低功率输出模式下的功率附加效率曲线。
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。
本实施例提供了一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，如图1所示，包括第一90°耦合器、第二90°耦合器、第一单刀单掷开关、第二单刀单掷开关、第三单刀单掷开关、第四单刀单掷开关、第一高功率功放单元、第二高功率功放单元、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、低功率功放单元、第一50欧姆电阻以及第二50欧姆电阻。
在高功率输出模式下，第一~第四单刀双掷开关处于导通状态；第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于导通状态，第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于关断状态；第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于导通状态，第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于关断状态。
在所述高功率输出模式下，输入的射频信号经过第一90°耦合器，一分为二；其中，第一路信号依次经过第一单刀单掷开关、第一高功率功放单元放大、第三单刀单掷开关；第二路信号依次经过第二单刀单掷开关、第二高功率功放单元放大、第四单刀单掷开关；然后第一路信号和第二路信号分别进入第二90°耦合器的-90°端口和0°端口，通过第二90°耦合器功率合成，最后从第二90°耦合器的IN端口输出。
在低功率输出模式下，第一~第四单刀单掷开关处于关断状态；第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于导通状态，第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于关断状态；第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于导通状态，第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于关断状态。
在所述低功率输出模式下，输入的射频信号进入第一90°耦合器的IN端口，输出至第一90°耦合器的ISO端口，然后依次经过第一单刀双掷开关输入端至其输出端口2，经过低功率功放单元放大，经过第二单刀双掷开关的输出端口2至其输入端，进入第二90°耦合器的ISO端口，最后从第二90°耦合器的IN端口输出。
所述第一高功率功放单元和第二高功率功放单元结构相同，元件取值一样。图2所示为本实施例中第一、第二高功率功放单元的结构示意图，包括第一输入匹配电路、第一级间匹配电路、第一输出匹配电路以及晶体管。所述第一输入匹配电路、第一级间匹配电路和第一输出匹配电路采用多级电感-电容结构实现超宽带阻抗匹配，其各个元件取值如下：
L101=(150Ω, 50°)；L102=(140Ω, 30°)；L103=(150Ω, 15°)；L104=(120Ω,90°)；
L105=(90Ω, 60°)；L106=(60Ω, 90°)；L107=(50Ω, 5°)；L108=(120Ω, 13°)；
L109=(120Ω, 90°)；L110=(60Ω, 15°)；L111=(50Ω, 90°)；L112=(50Ω, 60°)；
L113=(90Ω, 60°)；L114=(130Ω, 70°)；L115=(50Ω, 10°)；
C101=4 pF；C102=0.5 pF；C103=20 pF；C104=20 pF；C105=4 pF；C106=1.5 pF；
C107=20 pF；C108=20 pF；C109=4 pF；C110=0.6 pF；
FET101=6×50um；FET102=8×100um。
图3所示为本实施例的低功率功放单元的结构示意图，包括第二输入匹配电路、第二级间匹配电路、第二输出匹配电路以及晶体管。所述第二输入匹配电路、第二级间匹配电路和第二输出匹配电路采用多级电感-电容结构实现超宽带阻抗匹配，其各个元件取值如下：
L201=(130Ω, 60°)；L202=(120Ω, 20°)；L203=(150Ω, 25°)；L204=(120Ω,90°)；
L205=(120Ω, 70°)；L206=(60Ω, 90°)；L207=(80Ω, 2°)；L208=(120Ω, 20°)；
L209=(120Ω, 90°)；L210=(100Ω, 25°)；L211=(50Ω, 90°)；L212=(100Ω,60°)；
L213=(90Ω, 60°)；L214=(150Ω, 80°)；L215=(50Ω, 10°)；
C201=4 pF；C202=0.4 pF；C203=20 pF；C204=20 pF；C205=4 pF；C206=1.2 pF；
C207=20 pF；C208=20 pF；C209=4 pF；C210=0.2 pF；
FET201=4×50um；FET202=8×50um。
图4所示为本实施例的单刀单掷开关的结构示意图，由两级开关器件并联和三段微带线匹配构成，各个元件取值如下：
L301=(20Ω, 50°)；L302=(120Ω, 90°)；L303=(20Ω, 50°)；
FET301=8×70um；FET302=8×60um。
中图5所示为本实施例的单刀双掷开关的结构示意图，由两条结构和性能一致的射频支路构成，当其中一条射频支路导通时，另外一条射频支路关断。每条射频支路由两级开关器件并联和三段微带线匹配构成，各个元件取值如下：
L401=(50Ω, 90°)；L402=(150Ω, 90°)；L403=(50Ω, 10°)；
FET401=8×75um；FET402=6×50um。
在本实施例中，采用基于碳化硅衬底的氮化镓高电子迁移率晶体管工艺，制作出了一款超宽带6-18GHz的双模式高效率功率放大器，具有两种输出功率模式：高功率模式输出功率38dBm，如图6所示；功率附加效率高达25%以上，如图7所示；低功率模式输出功率32dBm，如图8所示；功率附加效率达到18%，如图9所示。
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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，包括第一高功率功放单元、第二高功率功放单元、低功率功放单元、第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、第一单刀单掷开关、第二单刀单掷开关、第三单刀单掷开关、第四单刀单掷开关、第一90°耦合器、第二90°耦合器、第一50欧姆电阻、第二50欧姆电阻；
所述第一90°耦合器的IN端口作为整个单片微波集成电路的信号输入端口；
所述第一90°耦合器的0°端口与第一单刀单掷开关的输入端连接，第一单刀单掷开关的输出端与第一高功率功放单元的输入端连接，第一高功率功放单元的输出端与第三单刀单掷开关的输入端连接，第三单刀单掷开关的输出端与第二90°耦合器的-90°端口相连；
所述第一90°耦合器的-90°端口与第二单刀单掷开关的输入端相连，第二单刀单掷开关的输出端与第二高功率功放单元的输入端连接，第二高功率功放单元的输出端与第四单刀单掷开关的输入端连接，第四单刀单掷开关的输出端与第二90°耦合器的0°端口连接；
所述第一90°耦合器的ISO端口与第一单刀双掷开关的输入端相连，第一单刀双掷开关的输出端口1与第一50欧姆电阻的一端相连，第一50欧姆电阻的另一端接地；
所述第一单刀双掷开关的输出端口2与低功率功放单元的输入端相连，低功率功放单元的输出端与第二单刀双掷开关的输出端口2相连，第二单刀双掷开关的输出端口1与第二50欧姆电阻的一端连接，第二50欧姆电阻的另一端接地，第二单刀双掷开关的输入端与第二90°耦合器的ISO端口相连；
第二90°耦合器的IN端口作为单片微波集成电路的信号输出端口。
2.如权利要求1所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，在高功率输出模式下，第一~第四单刀双掷开关处于导通状态；第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于导通状态，第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于关断状态；第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于导通状态，第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于关断状态；
在低功率输出模式下，第一~第四单刀单掷开关处于关断状态；第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于导通状态，第一单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于关断状态；第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口2处于导通状态，第二单刀双掷开关的输入端到其输出端口1处于关断状态。
3.如权利要求2所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，所述第一高功率功放单元和第二高功率功放单元的结构相同，均包括依次连接的第一输入匹配电路、至少一个第一级间匹配电路和第一输出匹配电路；在第一输入匹配电路和第一级间匹配电路之间串联晶体管，在第一级间匹配电路与第一输出匹配电路之间串联晶体管，若存在多个第一级间匹配电路，在各个第一级间匹配电路之间串联晶体管。
4.如权利要求3所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，所述低功率功放单元包括依次连接的第二输入匹配电路、至少一个第二级间匹配电路和第二输出匹配电路；在第二输入匹配电路和第二级间匹配电路之间串联晶体管，在第二级间匹配电路与第二输出匹配电路之间串联晶体管，若存在多个第二级间匹配电路，在各个第二级间匹配电路之间串联晶体管。
5.如权利要求4所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，所述第一输入匹配电路、第二输入匹配电路、第一级间匹配电路、第二级间匹配电路、第一输出匹配电路以及第二输出匹配电路，均采用宽带匹配形式，使用多级电感-电容结构实现。
6.如权利要求2所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，第一~第四单刀单掷开关采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
7.如权利要求2所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，所述第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关的两个支路结构相同，均采用单级开关器件的并联形式、多级开关器件的并联形式、单级开关器件的串联形式、多级开关器件的串联形式或多级开关器件的串联-并联混合形式。
8.如权利要求2所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，所述第一90°耦合器和第二90°耦合器采用兰格耦合器。
9.如权利要求6或7所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，第一~第四单刀单掷开关以及第一~第二单刀双掷开关中的开关器件采用高电子迁移率晶体管、PIN二极管、三极管、金属-半导体接触场效应晶体管或金属-介质-半导体场效应晶体管。
10.如权利要求2所述的一种超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路，其特征在于，所述超宽带双模式高效率功率放大器单片微波集成电路的晶圆采用硅、或氮化镓、或碳化硅，或砷化镓作为基片和外延层材料。
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