CN116155216A - 基于mmic的高频宽带功率放大器及电子设备 - Google Patents

基于mmic的高频宽带功率放大器及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备，其中，高频宽带功率放大器包括：多级放大器级联的GaN MMIC电路，每级放大器均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，且每级放大器的漏极偏置电路通过传输线和低寄生介质电容与下一级放大器的栅极偏置电路连接；栅极偏置电路包括微带匹配电路和并联连接的电容匹配电路，微带匹配电路包括一微带线和一电阻串联，漏极偏置电路包括一微带线和并联连接的电容匹配电路；功率放大器还包括：在多级放大器中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置一第一电路，第一电路与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。本发明的功率放大器可以满足高频宽带电路稳定性的要求。

Description

基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备
技术领域
本发明涉及微波集成电路技术领域，尤其涉及一种基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备。
背景技术
单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)，是在半绝缘半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接起来构成应用于微波(甚至毫米波)频段的功能电路。MMIC包括多种功能电路，如低噪声放大器、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器、移相器、开关、MMIC收发前端，甚至整个发射/接收组件。由于MMIC的衬底材料的电子迁移率较高、工作温度范围大、微波传输性能好，所以MMIC具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点，已被广泛的应用于半导体集成电路中。
稳定性是MMIC功率放大器设计中的关键技术，通常可用Roller稳定因子K来表征，为了使功率放大器绝对稳定，K因子应该在全频带范围内都大于1。如果设计不合理，功率放大器会发生振荡导致功率放大器失效。
目前的MMIC功率放大器的研究主要集中在40-75GHz波段，通过在栅极偏置点和去耦电容之间串联一个合适的电阻，并在去耦电容和加电PAD之间串联一个合适的电阻的方法，实现在整个频带范围内稳定，即K＞1。但对高频宽带电路来说，要确保设计的功率放大器绝对稳定，则需要进一步增大工作频带电路的K值。如何提高高频宽带电路中的功率放大器的绝对稳定，成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备，以解决目前的功率放大器无法满足高频宽带电路稳定性的要求的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于MMIC的高频宽带功率放大器，功率放大器包括多级放大器级联的GaN MMIC电路，每级放大器均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，且每级放大器的漏极偏置电路通过传输线和低寄生介质电容与下一级放大器的栅极偏置电路连接；
栅极偏置电路包括微带匹配电路和并联连接的电容匹配电路，微带匹配电路包括一微带线和一电阻串联，漏极偏置电路包括一微带线和并联连接的电容匹配电路；
功率放大器还包括：
在多级放大器中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置一第一电路，第一电路与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。
在一种可能的实现方式中，功率放大器还包括：
在多级放大器中的至少一级放大器的漏极偏置电路上设置一第二电路和第一电路，第二电路和第一电路均与漏极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第二电路包括串接的电阻和对地的电容。
在一种可能的实现方式中，功率放大器还包括：
在多级放大器中的至少一级放大器的漏极偏置电路上设置一第三电路，第三电路与漏极偏置电路上的电容匹配电路相对于漏极偏置电路上的微带线对称设置，第三电路包括对地的电容。
在一种可能的实现方式中，功率放大器还包括：
在功率放大器的信号输入端串联一增益电阻，增益电阻用于降低功率放大器的增益。
在一种可能的实现方式中，功率放大器的末级放大器中至少包括2个并联设置的晶体管和一平衡电阻；平衡电阻的一端与其中一个晶体管的漏极连接，平衡电阻的另一端与另一个晶体管的漏极连接，平衡电阻用于消除功率放大器的谐振，保持功率放大器平衡。
在一种可能的实现方式中，功率放大器包括三个级联的第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器；
第一级放大器和第二级放大器均包括一个场效应晶体管，该场效应晶体管均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路；
第三级放大器包括两组并联设置的场效应晶体管组，两组场效应晶体管组通过电容和微带线与第二级放大器的漏极连接，每组场效应晶体管组均包括一个栅极偏置电路和一个漏极偏置电路，且每组场效应晶体管组均包括两个并联设置的场效应晶体管；
在第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器的所有栅极偏置电路上的对地的电容处均并联一第一电路。
在一种可能的实现方式中，第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器的所有漏极偏置电路上的对地的电容处均并联一第二电路和一第一电路。
在一种可能的实现方式中，第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器的所有漏极偏置电路上均设置有一第三电路，第三电路与所有漏极偏置电路上的对地的电容，相对于漏极偏置电路上的微带线对称设置，第三电路包括对地的电容。
在一种可能的实现方式中，功率放大器的信号输入端串联一增益电阻；
在第三级放大器中的两组场效应晶体管组的漏极之间连接一平衡电阻，平衡电阻用于消除功率放大器的谐振，保持功率放大器平衡。
第二方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括第一方面的任一种可能的实现方式中的基于MMIC的高频宽带功率放大器。
本发明实施例提供一种基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备，通过在现有的多级放大器级联的GaN MMIC电路中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路，第一电路包括串接的电容和对地的电阻，可以滤除带外的杂波，增大K值，从而提高高频宽带电路中的功率放大器的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是相关技术中的功率放大器的电路结构图；
图2是本发明实施例提供的第一种基于MMIC的高频宽带功率放大器的电路结构图；
图3是本发明实施例提供的第二种基于MMIC的高频宽带功率放大器的电路结构图；
图4是本发明实施例提供的第三种基于MMIC的高频宽带功率放大器的电路结构图；
图5是本发明实施例提供的第四种基于MMIC的高频宽带功率放大器的电路结构图；
图6是本发明实施例提供的基于MMIC的高频宽带功率放大器与图1中的功率放大器的K值对比图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
正如背景技术中所描述的，稳定性是MMIC功率放大器设计中的关键技术，通常可用Roller稳定因子K来表征。如果设计不合理，功率放大器将发生振荡，包括奇模振荡、参量振荡、环路振荡等，将导致功率放大器失效。
如图1所示，目前的功率放大器芯片在栅极偏置点和去耦电容之间串联一个合适的电阻，并在去耦电容和加电PAD之间串联一个合适的电阻，这种结构基本可以实现在整个频带范围内稳定，即K＞1。但对高频宽带电路来说，要确保设计的功率放大器绝对稳定，则需要进一步增大工作频带电路的K值。而现有的功率放大器的结构则无法满足高频宽带电路对K值的要求，如何提高高频宽带电路中的功率放大器的绝对稳定，成为目前亟需解决的技术问题。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备。下面首先对本发明实施例所提供的基于MMIC的高频宽带功率放大器进行介绍。
一种基于MMIC的高频宽带功率放大器，包括多级放大器级联的GaN MMIC电路。每级放大器均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，且每级放大器的漏极偏置电路通过高低阻抗传输线和低寄生介质电容与下一级放大器的栅极偏置电路连接。
其中，栅极偏置电路包括微带匹配电路和并联连接的电容匹配电路，微带匹配电路包括一微带线和一电阻串联，漏极偏置电路包括一微带线和并联连接的电容匹配电路。具体的，电容匹配电路可以为一对地的电容。
此外，为了提供功率放大器的稳定性，在多级放大器中的至少一级放大器的栅极偏置电路上还设置一第一电路，第一电路与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。
通过在现有的多级放大器级联的GaN MMIC电路中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路，第一电路包括串接的电容和对地的电阻，可以滤除带外的杂波，增大K值，从而提高高频宽带电路中的功率放大器的稳定性。
在此实施例中，如图2所示，为了尽可能多的滤除带外的杂波，提供功率放大器的稳定性，以三级级联的GaN MMIC电路为例进行说明，可以在每级放大器的栅极偏置电路上均设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路10，第一电路10与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。
当然，也可以根据实际使用情况，在其中的任意1级或2级放大器的栅极偏置电路上设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路，此处不做限定。
在一些实施例中，为了进一步滤除带外的杂波，可以在多级放大器中的至少一级放大器的漏极偏置电路上设置一第二电路和第一电路，第二电路和第一电路均与漏极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第二电路包括串接的电阻和对地的电容。
在此实施例中，仍以三级级联的GaN MMIC电路为例进行说明，如图3所示，为了尽可能多的滤除带外的杂波，提供功率放大器的稳定性，除了可以在每级放大器的栅极偏置电路上均设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路10，第一电路10与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。还可以在每级放大器的漏极偏置电路上设置一组合电路20，组合电路20包括第二电路和第一电路10，第二电路和第一电路10均与漏极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第二电路包括串接的电阻和对地的电容。
当然，也可以根据实际使用情况，在其中的任意1级或2级放大器的漏极偏置电路上设置第二电路和第一电路，此处不做限定。
在一些实施例中，为了进一步滤除带外的杂波，还可以在多级放大器中的至少一级放大器的漏极偏置电路上设置一第三电路，第三电路与漏极偏置电路上的电容匹配电路相对于漏极偏置电路上的微带线对称设置，第三电路包括对地的电容。
在此实施例中，为了尽可能多的滤除带外的杂波，提供功率放大器的稳定性，除了可以在每级放大器的栅极偏置电路上均设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路10，第一电路10与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。还可以在每级放大器的漏极偏置电路上设置一第三电路，第三电路与漏极偏置电路上的电容匹配电路相对于漏极偏置电路上的微带线对称设置，第三电路包括对地的电容。
当然，也可以根据实际使用情况，在其中的任意1级或2级放大器的漏极偏置电路上设置第三电路，此处不做限定。
在此实施例中，仍以三级级联的GaN MMIC电路为例进行说明，如图4所示，为了尽可能多的滤除带外的杂波，提供功率放大器的稳定性，除了可以在每级放大器的栅极偏置电路上均设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路10，第一电路10与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。在每级放大器的漏极偏置电路上设置一组合电路20，组合电路20包括第二电路和第一电路10，第二电路和第一电路10均与漏极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第二电路包括串接的电阻和对地的电容。还可以在每级放大器的漏极偏置电路上设置一第三电路30，第三电路30与漏极偏置电路上的电容匹配电路相对于漏极偏置电路上的微带线对称设置，第三电路30包括一对地的电容。从而，可以有效的滤除低频的杂波，降低带外的振荡，提升电路的稳定性。
在一些实施例中，为了降低电路的增益，还可以在在功率放大器的信号输入端串联一增益电阻，增益电阻用于降低功率放大器的增益。
在此实施例中，为了进一步消除电路的谐振，使电路保持平衡，功率放大器的末级放大器中至少包括2个并联设置的晶体管和一平衡电阻。该平衡电阻的一端与其中一个晶体管的漏极连接，平衡电阻的另一端与另一个晶体管的漏极连接，平衡电阻用于消除功率放大器的谐振，保持功率放大器平衡。
示例性的，仍以三级级联的GaN MMIC电路为例进行说明，如图5所示，为了降低电路的增益、消除电路的谐振，使电路保持平衡状态，可以在信号输入端串联增益电阻，在末级放大器电路中增加平衡电阻。
具体的，该三级级联的GaN MMIC的具体结构为：第一级放大器和第二级放大器均包括一个场效应晶体管，该场效应晶体管均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路。第三级放大器包括两组并联设置的场效应晶体管组，两组场效应晶体管组通过电容和微带线与第二级放大器的漏极连接，每组场效应晶体管组均包括一个栅极偏置电路和一个漏极偏置电路，且每组场效应晶体管组均包括两个并联设置的场效应晶体管。
除了在每级放大器的栅极偏置电路上均设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路10，第一电路10与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置。在每级放大器的漏极偏置电路上设置一组合电路20，组合电路20包括第二电路和第一电路10，第二电路和第一电路10均与漏极偏置电路上的电容匹配电路并联设置。还可以在每级放大器的漏极偏置电路上设置一第三电路30，第三电路30与漏极偏置电路上的电容匹配电路相对于漏极偏置电路上的微带线对称设置。
为了降低电路的增益、消除电路的谐振，使电路保持平衡状态，可以在信号输入端串联一增益电阻40，增益电阻40用于降低功率放大器的增益。在第三级放大器电路中的两组场效应晶体管组的漏极之间连接一平衡电阻50，平衡电阻50用于消除功率放大器的谐振，保持功率放大器平衡。
如图6所示，本申请实施例提供的MMIC的高频宽带功率放大器的电路的K值明显提升，可以覆盖U、V频段GaN MMIC功率放大器，满足高频宽带功率放大器对K值的要求，提升MMIC功率放大器的稳定性。
本发明提供的基于MMIC的高频宽带功率放大器及电子设备，通过在现有的多级放大器级联的GaN MMIC电路中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联的第一电路，第一电路包括串接的电容和对地的电阻，可以滤除带外的杂波，增大K值，从而提高高频宽带电路中的功率放大器的稳定性。
本发明提供的基于MMIC的高频宽带功率放大器，性能明显优于现有的功率放大器，且本发明提供的基于MMIC的高频宽带功率放大器减少了芯片外围的处理元件，提高了芯片的通用性，提高了芯片集成度。
此外，本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括基于MMIC的高频宽带功率放大器，功率放大器包括多级放大器级联的GaN MMIC电路，每级放大器均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，且每级放大器的漏极偏置电路通过传输线和低寄生介质电容与下一级放大器的栅极偏置电路连接；栅极偏置电路包括微带匹配电路和并联连接的电容匹配电路，微带匹配电路包括一微带线和一电阻串联，漏极偏置电路包括一微带线和并联连接的电容匹配电路；
功率放大器还包括：在多级放大器中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置一第一电路，第一电路与栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，第一电路包括串接的电容和对地的电阻。
该电子设备可以为无线通信系统中的发射机、高频加热装置或微波功率源等。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MMIC的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括多级放大器级联的GaN MMIC电路，每级放大器均包括栅极偏置电路和漏极偏置电路，且每级放大器的漏极偏置电路通过传输线和低寄生介质电容与下一级放大器的栅极偏置电路连接；
所述栅极偏置电路包括微带匹配电路和并联连接的电容匹配电路，所述微带匹配电路包括一微带线和一电阻串联，所述漏极偏置电路包括一微带线和并联连接的电容匹配电路；
所述功率放大器还包括：
在所述多级放大器中的至少一级放大器的栅极偏置电路上设置一第一电路，所述第一电路与所述栅极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，所述第一电路包括串接的电容和对地的电阻。
2.如权利要求1所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：
在所述多级放大器中的至少一级放大器的漏极偏置电路上设置一第二电路和所述第一电路，所述第二电路和所述第一电路均与所述漏极偏置电路上的电容匹配电路并联设置，所述第二电路包括串接的电阻和对地的电容。
3.如权利要求1或2所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：
在所述多级放大器中的至少一级放大器的漏极偏置电路上设置一第三电路，所述第三电路与所述漏极偏置电路上的电容匹配电路相对于所述漏极偏置电路上的微带线对称设置，所述第三电路包括对地的电容。
4.如权利要求3所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：
在所述功率放大器的信号输入端串联一增益电阻，所述增益电阻用于降低所述功率放大器的增益。
5.如权利要求4所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的末级放大器中至少包括2个并联设置的晶体管和一平衡电阻；所述平衡电阻的一端与其中一个晶体管的漏极连接，所述平衡电阻的另一端与另一个晶体管的漏极连接，所述平衡电阻用于消除所述功率放大器的谐振，保持所述功率放大器平衡。
6.如权利要求2所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括三个级联的第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器；
所述第一级放大器和所述第二级放大器均包括一个场效应晶体管，该场效应晶体管均包括所述栅极偏置电路和所述漏极偏置电路；
所述第三级放大器包括两组并联设置的场效应晶体管组，所述两组场效应晶体管组通过电容和微带线与第二级放大器的漏极连接，每组场效应晶体管组均包括一个所述栅极偏置电路和一个所述漏极偏置电路，且所述每组场效应晶体管组均包括两个并联设置的场效应晶体管；
在所述第一级放大器、所述第二级放大器和所述第三级放大器的所有栅极偏置电路上的对地的电容处均并联一所述第一电路。
7.如权利要求6所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述第一级放大器、所述第二级放大器和所述第三级放大器的所有漏极偏置电路上的对地的电容处均并联一所述第二电路和一所述第一电路。
8.如权利要求7所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述第一级放大器、所述第二级放大器和所述第三级放大器的所有漏极偏置电路上均设置有一第三电路，所述第三电路与所有所述漏极偏置电路上的对地的电容，相对于所述漏极偏置电路上的微带线对称设置，所述第三电路包括对地的电容。
9.如权利要求8所述的高频宽带功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的信号输入端串联一增益电阻；
在所述第三级放大器中的所述两组场效应晶体管组的漏极之间连接一平衡电阻，所述平衡电阻用于消除所述功率放大器的谐振，保持所述功率放大器平衡。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-9任一项所述的高频宽带功率放大器。
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