CN117118373A - 一种基于三维匹配电路的大功率射频电路及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维匹配电路的大功率射频电路及设计方法，属于微波射频电路技术领域，包括依次连接的输入三维匹配电路、微波功率管、输出三维匹配电路；所述输入三维匹配电路包括输入隔直电容、稳定网络、台阶阻抗过渡结构、输入阻抗匹配枝节、栅极馈电网络，栅极滤波网络，上述组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，所述输出三维匹配电路包括台阶阻抗过渡结构、输出阻抗匹配枝节、漏极馈电网络，漏极滤波网络、输出隔直电容，上述组成部分均布局在多层台阶微波电路板上；本发明方案可大幅缩小功率放大器布局面积，有利于扩展为大功率sop、sip等三维系统级封装电路或组件。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频电路技术领域，尤其涉及一种基于三维匹配电路的大功率射频电路及设计方法。
背景技术
随着通信基站、汽车、医疗电子等民用设备，以及雷达、卫星、飞机、舰船等军事装备的发展，系统功能和组成要素不断增加，小型化、轻量化、高集成度的需求愈发迫切。目前模拟电路、数字电路以及射频前端组件等小功率部件越来越多地向着SOP（System onchip）、SIP（Sysetem in Package）等三维布局和封装方向发展。
大功率射频电路（主要为功率放大器），由于其对散热、传输阻抗、空间干扰等方面有特殊要求，设计时稍有不慎则会引发传输损耗增大、自激、器件失效甚至烧毁。目前由于GaN MMIC芯片工艺和设计能力的发展，厘米波和毫米波（3GHz～40GHz）频段的中功率量级（几十W等级）集成电路以比较成熟，在一定程度上可帮助大功率射频电路和组件的小型化进程。
然而大功率量级（百W级）、3GHz以下频段射频电路，由于其波长较长，所需匹配电路面积较大，要实现MMIC（即，微波集成电路）芯片化成本过高，因此很难商业应用。目前该频段的大功率产品基本都是基于PCB板级匹配电路，或是采用LC网络进行混合匹配，亦或是采用传输线进行阻抗变换匹配，这些匹配电路均为平面型电路，电路特性决定其占用面积较大，且其垂直方向上无法放置其他电路结构，即无法在垂直方向进一步提高集成度，因此限制了该频段大功率器件的小型化应用，也不利于大功率电路的sop、sip等三维系统级封装电路的实现。
综上，随着电子设备小型化的发展，急需一种可解决3GHz以下频段、百W级大功率射频电路小型化设计方法，以便在三维结构上提高系统集成度。
发明内容
本发明的目的之一，就在于提供一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，包括依次连接的输入三维匹配电路、微波功率管、输出三维匹配电路；其中，
所述输入三维匹配电路的组成部分包括输入隔直电容、稳定网络、台阶阻抗过渡结构、输入阻抗匹配枝节、栅极馈电网络，栅极滤波网络，所述输入三维匹配电路中上述所有组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，不同层间的微波功率和信号相连接，比如优选通过盲埋孔连接；
所述输出三维匹配电路的组成部分包括台阶阻抗过渡结构、输出阻抗匹配枝节、漏极馈电网络，漏极滤波网络、输出隔直电容，所述输出三维匹配电路中上述所有组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，不同层间的微波率和信号相连接，比如优选通过盲埋孔连接。
需要说明的是：以上术语比如输入隔直电容、稳定网络、输入阻抗匹配枝节、栅极馈电网络，栅极滤波网络等等，均为本领域常用的公知的表述方法。对于本发明提出的新结构，比如“台阶阻抗过渡结构”在说明书及附图（图6）中进行了解释说明，又比如“多层台阶微波电路板”也在说明书及附图（图2）中进行了解释说明。
其中，所述的输入隔直电容和输出隔直电容用于功率放大器与外接装置或系统的直流隔离，避免功率放大器工作状态改变；所述栅极馈电网络和漏极馈电网络分别为微波功率管提供栅极电压和漏极电压，同时避免微波信号通过供电端口传输至外部电源网络；所述栅极滤波网络和漏极滤波网络用于虑除电源杂波；所述稳定网络用于提高功率放大器的稳定性；所述输入匹配电路用于外部50欧姆特征阻抗与微波功率管输入阻抗的共轭匹配；所述输出匹配电路用于微波功率管输出阻抗与外部50欧姆特征阻抗的共轭匹配。
作为优选的技术方案，所述多层台阶微波电路板选自微波叠层印制、LTCC多层电路板或HTCC多层电路板中的一种。
作为进一步优选的技术方案，所述多层台阶微波电路板为包括至少五层金属层的结构，其基本结构为电路层、金属地层相间叠层结构，其中各电路层采用盲孔或盲埋孔连接。
作为进一步优选的技术方案，所述多层台阶微波电路板为五层金属层的结构，包括间隔设置的三个金属地层和两个电路层；所述输入阻抗匹配枝节和/或输出阻抗匹配枝节的基本结构为带状线结构，设置于两个所述电路层中，所述电路层与其上方及下方的金属地层构成带状线结构。
作为更进一步优选的技术方案，布局在所述两个电路层的输入阻抗匹配枝节和/或输出阻抗匹配枝节通过盲埋孔进行微波信号连接和功率传输。
作为更进一步优选的技术方案，所述盲埋孔为多个并联的结构，所述盲埋孔用于所述两个电路层的非50欧姆阻抗变换线的连接，参与匹配电路的阻抗变换。
作为优选的技术方案，所述栅极馈电网络、漏极馈电网络通过盲孔引出至最外层用于对外连接。
作为优选的技术方案，所述多层台阶微波电路板设置有用于器件电气连接的台阶孔；所述输入隔直电容、输出隔直电容、稳定网络、栅极滤波网络、漏极滤波网络设置在所述多层台阶微波电路板的顶层或台阶孔中；所述稳定网络选自集总参数的电容、电阻并联网络，或者芯片电容、埋层电阻的并联网络；所述输入输出三维匹配电路的顶层为金属地层。
作为进一步优选的技术方案，所述台阶阻抗过渡结构、输入阻抗匹配枝节、输出阻抗匹配枝节均水平布局在所述两个电路层的金属图形。
本发明的目的之二，在于提供上述的基于三维匹配电路的大功率射频电路的设计方法，采用的技术方案为，包括如下步骤：
(1)选定微波功率管的工作状态，确定微波功率管工作栅压和漏压；
(2)通过Source Pull和Load Pull仿真找到功率管的最优栅极阻抗和最优漏极阻抗；
(3)在Smith原图上分别将最优栅极阻抗和最优漏极阻抗匹配至50Ω，匹配时优选多节高低阻抗线进行分级匹配，得到每节阻抗线的电长度和特征阻抗；
(4)根据微波板材及板材厚度，通过仿真计算得到每节阻抗线对应的带状线线宽及长度；
(5)将带状线布局在多层微波电路板中，各电路层采用盲埋孔连接，盲埋孔最好采用多个并联形式以保证工作带宽、降低损耗；
(6)在三维微波仿真软件中对多层微波电路板进行电磁场仿真，并将仿真结果导入电路仿真软件，结合微波功率管大信号模型进行联合仿真，其中馈电网络、滤波网络、稳定网络、隔直电容均采用理想的集总参数电路模型进行仿真，验证并得到输入阻抗匹配枝节和输出阻抗匹配枝节的初始值；
(7)根据布局和电气连接需要划定台阶孔区域，台阶孔处信号传输为微带线模式，计算此处匹配节的线宽，并采用台阶过渡结构连接微带线结构与带状线结构；
(8)引出输入阻抗匹配枝节和输出阻抗匹配枝节的馈电口，通过盲孔将馈电口引出至最外层电路，引出后采用微波信号电容短路到地模式进行馈电，馈电电路参与阻抗匹配；
(9)将优化后的结构放入三维微波仿真软件中进行电磁仿真，并将仿真结果导入电路仿真软件对功率放大器进行联合仿真，联合仿真时稳定网络中的电阻、电容和隔直电容采用电路等效模型；
(10)根据联合仿真结果对各匹配节、台阶孔进行优化、仿真，直至最终联合仿真结果满足设计要求；
(11)根据三维仿真结果加工多层微波电路板，并完成最终的装配和调试。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方案可大幅缩小功率放大器布局面积本发明方案匹配电路最上层为金属地层，还可在表面集成其他电路，非常有利于扩展为大功率sop、sip等三维系统级封装电路或组件。
附图说明
图1为本发明实施例基于三维匹配电路的功率放大器组成框图；
图2为本发明实施例多层台阶微波电路板信号功能布局示图；
图3为本发明实施例盲埋孔原理图；
图4为本发明实施例基于三维匹配电路的功率放大器在垂直剖面的组成示图；
图5为本发明实施例台阶过渡结构垂直剖面图；
图6为本发明实施例台阶过渡结构电路层透视图；
图7为本发明实施例稳定网络组成示图；
图8为本发明实施例阻抗匹配结构示图；
图9为本发明实施例Simth圆图阻抗匹配示意图；
图10为本发明实施例输入端和输出端多层微波电路板布局；
图11为本发明实施例多层微波电路板联合仿真模型；
图12（a）为本发明实施例多层微波电路板联合输出功率仿真结果；
图12（b）为本发明实施例多层微波电路板联合增益仿真结果；
图13为本发明实施例多层台阶微波电路板布局；
图14（a）为本发明实施例三维匹配电路联合输出功率仿真结果；
图14（b）为本发明实施例三维匹配电路联合增益仿真结果；
图15为本发明实施例功率放大器电路板布局。
图中：1、金属地层；2、微波介质；3、第一电路层；4、第二电路层；5、第一台阶孔；6、第二台阶孔；7、盲埋孔；8、栅极馈电盲孔；9顶层栅极馈电焊盘；10、漏极馈电盲孔；11、顶层漏极馈电焊盘；12、微波功率管；13、输入隔直电容；14、输出隔直电容；15、稳定网络；151、电阻；152、电容；16、栅极馈电网络；17、栅极滤波网络；18、漏极馈电网络；19、漏极滤波网络；20、金丝；21、微带线结构的电路层图案；22、带状线结构的电路层图案；23、台阶阻抗过渡结构的电路层图案；24、输入端口；25、输出端口；26、输入匹配电路与功率管栅极连接端口；27、输出匹配电路与功率管漏极连接端口；28、输入阻抗匹配枝节在第一电路层的布局图案；29、输入阻抗匹配枝节在第二电路层的布局图案；30、输出阻抗匹配枝节在第一电路层的布局图案；31、输出阻抗匹配枝节在第二电路层的布局图案；32、功率管大信号模型；33、输入匹配电路数字模型；34、输出匹配电路数字模型；35、输入隔直电容安装位；36、稳定网络安装位；37、输出隔直电容安装位；38、输入阻抗匹配枝节；39、输出阻抗匹配枝节；401、第一台阶阻抗过渡结构；402、第二台阶阻抗过渡结构；403、第三台阶阻抗过渡结构；404、第四台阶阻抗过渡结构；A、输入三维匹配电路；B、输出三维匹配电路；
图12和图14中，（a）为输出功率仿真结果，（b）为增益仿真结果。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，如图1所示，包括依次连接的输入三维匹配电路A、微波功率管12和输出三维匹配电路B；其中，
所述输入三维匹配电路A的组成部分，从射频输入端开始，依次包括输入隔直电容13、稳定网络15、第一台阶阻抗过渡结构401、输入阻抗匹配枝节38和第二台阶阻抗过渡结构402，以及从栅压输入端开始依次设置的栅极滤波网络17和栅极馈电网络16；所述输入三维匹配电路A中上述所有组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，不同层间的微波功率和信号相连接；
所述输出三维匹配电路B的组成部分从射频输出端开始依次包括输出隔直电容14、第四台阶阻抗过渡结构404、输出阻抗匹配枝节39和第三台阶阻抗过渡结构403，以及从漏压输入端开始依次设置的漏极滤波网络19和漏极馈电网络18，所述输出三维匹配电路B中上述所有组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，不同层间的微波率和信号相连接；
所述多层台阶微波电路板选自微波叠层印制、LTCC多层电路板或HTCC多层电路板中的一种，所述多层台阶微波电路板可以是五层金属层结构，也可是六层或更多层结构，本实施例以五层金属层结构为例，其各层信号功能布局如图2所示，所述五层金属层从下至上依次包括金属地层1、第一电路层3、金属地层1、第二电路层4和金属地层1，相邻两个金属层之间设置微波介质2；在第一电路层3的一侧设置第一台阶孔5，第一台阶孔5的开孔位置从顶层到第一电路层3上表面，在第二电路层4的一侧设置第二台阶孔6，第二台阶孔6的开孔位置从顶层到第二电路层4上表面；台阶孔用于器件电气连接，比如第一台阶孔5用于连接功率管与匹配电路，第二台阶孔6用于稳定网络、隔直电容的装配；
本实施例中，所述输入阻抗匹配枝节38和输出阻抗匹配枝节39的基本结构均为带状线结构，设置于两个所述电路层中，所述电路层与其上方及下方的金属地层构成带状线结构；布局在所述两个电路层的输入阻抗匹配枝节38和输出阻抗匹配枝节39通过盲埋孔7进行微波信号连接和功率传输，具体的，所述盲埋孔7的原理图如图3所示，该盲埋孔7的特殊之处在于，所述盲埋孔7用于所述第一电路层3和第二电路层4的非50欧姆阻抗变换线的连接，而非普通信号线或者50欧姆阻抗线的连接，该盲埋孔7的结构参与匹配电路的阻抗变换，因此优选盲埋孔为多个并联的结构，以降低电感效应，保证带宽；
本实施例主要实现路径是：将输入阻抗匹配枝节38、输出阻抗匹配枝节39设计成带状线形式，并折叠至多层台阶微波电路板中，通过盲埋孔7实现各层电路连接；再将输入馈电网络、输出馈电网络通过盲孔引出至最外层用于对外连接；最后将输入隔直电容13、输出隔直电容14、稳定网络15、栅极滤波网络17、漏极滤波网络19设计在多层台阶电路板的顶层或台阶孔中，最终形成了在水平方向和垂直方向均有电路结构布局的三维匹配电路。各组成在垂直剖面上的布局如图4所示；
其中，在输入三维匹配电路A中，从顶层到第一电路层3开设栅极馈电盲孔8，并在栅极馈电盲孔8的顶端设置顶层栅极馈电焊盘9，在输出三维匹配电路B中，从顶层到第一电路层3开设漏极馈电盲孔10，并在漏极馈电盲孔10的顶端设置顶层漏极馈电焊盘11，第一电路层3通过金丝20与微波功率管12实现微波信号或供电连接；
台阶阻抗过渡结构、输入阻抗匹配枝节、输出阻抗匹配枝节为水平布局在第一电路层3和第二电路层4的金属图形，未在图4中标示；
本实施例中，台阶阻抗过渡结构用于匹配电路在台阶处的信号变换匹配。在台阶交接处，微波信号传输模式由带状线结构（带状线结构上层和下层金属均为金属地）变换为微带线结构（微带线结构下层为金属地，上层为空气），采用台阶阻抗过渡结构对两种传输模式进行匹配，防止信号传输失配导致的驻波过大、功率放大器带宽降低；本实施例的台阶阻抗过渡结构的垂直剖面图如图5所示，电路层透视图如图6所示，图6中，带状线结构的电路层图案22、台阶阻抗过渡结构的电路层图案23、微带线结构的电路层图案21依次设置；
所述稳定网络15可以是集总参数的电容、电阻并联网络，或者芯片电容、埋层电阻的并联网络；本实施例的稳定网络15的组成如图7所示，是集总参数的电容152、电阻151并联网络；
具体的，本实施例中：
所述微波功率管12的栅极通过金丝20连接至输入三维匹配电路的第二台阶阻抗过渡结构402上，微波功率管12的漏极通过金丝20连接至输出三维匹配电路的第三台阶阻抗过渡结构403上；
所述输入三维匹配电路A：输入隔直电容13和稳定网络15位于多层台阶微波电路板的其中一个台阶上，输入隔直电容13一端通过微带线连接外部激励源，一端通过微带线连接至稳定网络15；稳定网络15一端通过微带线连接至输入隔直电容13，一端连接至第一台阶阻抗过渡结构401；位于多层台阶微波电路板内部的输入阻抗匹配枝节38的一端与第一台阶阻抗过渡结构401连接，另一端连接至第二台阶阻抗过渡结构402；栅极馈电网络16从多层台阶微波电路板内部引出后连接至栅极滤波网络17；
所述输出三维匹配电路B：第三台阶阻抗过渡结构403的一端采用金丝20连接至微波功率管12漏极，另一端连接至位于多层台阶微波电路板内部的输出阻抗匹配枝节39；输出阻抗匹配枝节39的另一端则连接至第四台阶阻抗过渡结构404上；输出隔直电容14位于多层台阶微波电路板的另一台阶上，一端连接第四台阶阻抗过渡结构404，另一端通过微带线连接外部设备；漏极馈电网络18从多层台阶微波电路板内部引出后连接至漏极滤波网络19；
本实施例中，设计目标为：工作频率990MHz～1130MHz，输出功率＞250W（即54dBm），增益＞15dB。
本实施例中，微波功率管12采用型号为240E2的裸管芯，多层台阶微波电路板采用国能公司的GNC3004进行叠层压合，GNC3004板材介电常数为2.94，板厚0.254mm，粘接材料采用介电常数同为2.94的粘接片，实施例中的多层台阶微波电路板为五层，其中底层的金属地层1、第三层的金属地层1、顶层的金属地层1均为大面积铺地结构；
本实施例中，功率放大器的工作频率为990MHz～1130MHz（即“3GHz以下频段”），管芯阻抗仿真和板材参数计算时采用中心频点1060MHz计算。
本实施例的详细设计方法如下：
(1)对240E2功率管芯进行直流仿真，选定功率管的工作状态。本实施例选定栅压为-3.2V，漏压为48V，此时静态电流约为0.4A；
(2)根据功率管的工作状态，针对设计中心频率1060MHz对功率管分别进行SourcePull和Load Pull，综合输出功率和效率因素，最终选定功率管最优栅极阻抗为4.2+j×3.2，最优漏极阻抗为2.4+j×3.9；
(3)设计阻抗匹配电路，分别将50欧姆匹配至最优栅极阻抗和最优漏极阻抗的共轭，即分别为4.2-j×3.2和2.4-j×3.9；
a)综合考虑设计带宽与匹配电路复杂程度进行匹配节选择。本设计例中工作带宽为共140MHz，约13%，为尽量减少匹配电路体积和匹配难度，本设计例选择高低阻抗线逐级匹配形式进行匹配电路设计，其中靠近源阻抗端选择为低阻抗线特征阻抗6Ω，靠近负载端选择为高阻抗线，特征阻抗20Ω，如图8所示；图8中的源阻抗为需要匹配的阻抗，负载阻抗为外部系统特征阻抗50Ω；
b)首先进行源阻抗匹配，如图9所示，在Simth圆图上设置需匹配的源阻抗与负载阻抗，因需要进行共轭匹配，所以源阻抗的共轭为4.2+j×3.2；调节高阻抗线和低阻抗线的电长度，直至匹配曲线终点落在所设置是共轭源阻抗上，得到6Ω阻抗线电长度为106°，20欧姆阻抗线电长度为75.5°；
c)同理进行漏极阻抗匹配，匹配结果为：6Ω阻抗线电长度为106°，20欧姆阻抗线电长度为59.1°；
(4)根据所选板材参数计算匹配阻抗线实际物理参数：本实施例中，匹配电路位于多层台阶微波电路板内部，匹配电路上下层金属均为地，因此匹配电路呈现为带状线结构，采用带状线特征阻抗计算工具计算线宽和线长，带入相应板材参数计算得到：特征阻抗为6Ω，电长度为106°的带状线线宽为4.4mm，长度约为48.6mm；特征阻抗为20Ω，电长度为75.5°的带状线线宽为1.1mm，长度约为34.6mm；特征阻抗为20Ω，电长度为59.1°的带状线线宽为1.1mm，长度约为27.1mm；
(5)将计算得到的带状线布局在多层台阶微波电路板中，本实施例中，匹配节布局在第二层金属层（即第一电路层3）和第四层金属层（即第二电路层4），两层金属层之间采用盲埋孔7连接。输入端阻抗匹配枝节和输出端阻抗匹配枝节布局如图10所示，图10的左侧为输入阻抗匹配枝节38，右侧为输出阻抗匹配枝节39，此时的多层微波电路板尚未设计台阶孔，是一种初始设计状态；图10中，输入阻抗匹配枝节38的下端设置输入端口24，输出阻抗匹配枝节39的下端设置输出端口25，输入阻抗匹配枝节38的一端设置输入匹配电路与功率管栅极连接端口26，相应的，输出阻抗匹配枝节39的一端设置输出匹配电路与功率管漏极连接端口27，输入阻抗匹配枝节38上设置有输入阻抗匹配枝节在第一电路层的布局图案28以及输入阻抗匹配枝节在第二电路层的布局图案29，输出阻抗匹配枝节39上设置有输出阻抗匹配枝节在第一电路层的布局图案30和输出阻抗匹配枝节在第二电路层的布局图案31；
(6) 在HFSS对上述输入多层匹配电路结构和输出多层匹配电路结构进行电磁仿真，将仿真结果的数字模型s2p文件导入ADS中，结合微波功率管大信号模型进行联合仿真，仿真模型如图11所示，得到输出功率结果如图12（a）所示，增益仿真结果如图12（b）；图12中，m1的频率=1.060GHz、输出功率=55.000 dBm；m2的频率=0.990GHz、输出功率=54.303dBm；m3的频率=1.130GHz、输出功率=55.184 dBm；m4的频率=0.990GHz、增益=21.776 dB；m5的频率=1.130GHz、增益=21.038 dB；m6的频率=1.060GHz、增益=21.726 dB。从图12的仿真结果可以看出：在设计目标频率范围990MHz～1130MHz（注：1GHz=1000MHz）内，输出功率均＞54.3dBm，满足输出功率＞54dBm（即250W）的目标（即达到“百W级大功率”），增益＞21dB，满足增益＞15dB的目标。其中馈电网络采用集总参数电感模型，滤波网络采用集总参数电容模型，稳定网络采用集总参数的电容和电感模型，隔直电容采用集总参数电容模型；
图11中32是功率管大信号模型，33是输入匹配电路数字模型，34是输出匹配电路数字模型；图12的左图横坐标为频率，单位GHz，纵坐标为输出功率，单位dBm，右图横坐标为频率，单位GHz，纵坐标为增益，单位dB；
(7)布局在多层电路板中的匹配结构显然无法与其他网络进行微波连接，因此需要将匹配电路引出，采用焊接、金丝连接等方式实现链路可靠连接和匹配。多层微波电路板可加工台阶孔，可通过台阶孔的方式将匹配电路引出成为微带线结构，方便匹配电路与微波功率管、稳定网络、隔直电容等组成部分的连接。根据布局需要，匹配电路的高阻抗端和低阻抗端均引出至台阶孔，实施例中高低阻抗线特征阻抗分别为20Ω和6欧姆，根据传输线阻抗计算工具算得引出后的微带结构线宽分别为2.2mm和8.6mm；
(8)栅极馈电口和漏极馈电口通过盲孔引出至顶层金属，为缩小电路面积和体积，馈电网络不再采用第（6）中的集总参数电感，而是在馈电口引至顶层之后通过微波电容接地形成馈电网络，馈电网络参与阻抗匹配，后续再对新的阻抗匹配枝节进行相应优化。根据以上布局思想，对输入匹配电路和输出匹配电路进行改进建模，形成多层台阶微波电路板，
本实施例的多层台阶微波电路板布局如图13所示，从图13可以看出，多层台阶微波电路板上设置有输入隔直电容安装位35、稳定网络安装位36和输出隔直电容安装位37；
(9) 在HFSS软件中对图13所示的多层台阶微波电路板进行建模，设置相应参数后进行电磁仿真，并将仿真得到的S参数文件调入ADS进行联合仿真，联合仿真时稳定网络中的电阻、电容和隔直电容采用电路等效模型。此时的匹配电路即形成了本发明所述的三维匹配电路，得到输出功率结果如图14（a）所示，增益仿真结果如图14（b）；图14中，，m1的频率=0.990GHz、输出功率=55.093 dBm；m2的频率=1.060GHz、输出功率=55.198 dBm；m3的频率=1.130GHz、输出功率=54.826 dBm；m4的频率=0.990GHz、增益=21.662 dB；m5的频率=1.060GHz、增益=21.019 dB；m6的频率=1.130GHz、增益=19.781 dB。从图14的仿真结果可以看出：在设计目标频率范围990MHz～1130MHz（注：1GHz=1000MHz）内，输出功率均＞54.8dBm，满足输出功率＞54dBm（即250W）的目标，增益＞19.7dB，满足增益＞15dB的目标，图14的左图横坐标为频率，单位GHz，纵坐标为输出功率，单位dBm；右图横坐标为频率，单位GHz，纵坐标为增益，单位dB；
(10) 结合联合仿真结果和设计目标要求，对各匹配节、台阶孔进行优化、仿真，直至最终联合仿真结果满足设计要求并达到最优效果；
(11) 根据优化结果加工多层微波电路板，并进行装配和调制，最终完成基于三维匹配电路的功率放大器设计和生产。
本实施例实现的基于三维匹配电路的功率放大器布局面积为37.8mm×20mm=756mm2。基于三维匹配电路的功率放大器内部匹配枝节是带状线结构，在理论上线宽为微带线结构的约二分之一，更细的线宽更有利于小型化布局布线，一般可缩小布局面积一半以上，且基于三维匹配电路的功率放大器采用了多层布局结构，以两个电路层计算，面积可再缩小一半，因此基于三维匹配电路的功率放大器占用的电路面积理论上可缩小至常规平面型微带线结构的功率放大器面积的四分之一以下。作为对比，本实施例采用了相同的功率管，按照常规的平面型微带线结构设计了一个相同工作频率，输出功率同样大于250W的功率放大器，最终完成的功率放大器电路板布局如图15所示，其占用面积约为140mm×34mm=4760mm2。可以算得，本实施例中基于三维匹配电路的功率放大器占用面积仅为常规平面型微带线结构的功率放大器面积的约16%，由此可见，本发明方案可大幅缩小功率放大器布局面积，具备广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，包括依次连接的输入三维匹配电路、微波功率管、输出三维匹配电路；其中，
所述输入三维匹配电路的组成部分包括输入隔直电容、稳定网络、台阶阻抗过渡结构、输入阻抗匹配枝节、栅极馈电网络，栅极滤波网络，所述输入三维匹配电路中上述所有组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，不同层间的微波功率和信号相连接；
所述输出三维匹配电路的组成部分包括台阶阻抗过渡结构、输出阻抗匹配枝节、漏极馈电网络，漏极滤波网络、输出隔直电容，所述输出三维匹配电路中上述所有组成部分均布局在多层台阶微波电路板上，不同层间的微波率和信号相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述多层台阶微波电路板选自微波叠层印制板、LTCC多层电路板或HTCC多层电路板中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述多层台阶微波电路板为包括至少五层金属层的结构，其基本结构为电路层、金属地层相间叠层结构，其中各电路层采用盲孔或盲埋孔连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述多层台阶微波电路板为五层金属层的结构，包括间隔设置的三个金属地层和两个电路层；所述输入阻抗匹配枝节和/或输出阻抗匹配枝节的基本结构为带状线结构，设置于两个所述电路层中，所述电路层与其上方及下方的金属地层构成带状线结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，布局在所述两个电路层的输入阻抗匹配枝节和/或输出阻抗匹配枝节通过盲埋孔进行微波信号连接和功率传输。
6.根据权利要求5所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述盲埋孔为多个并联的结构，所述盲埋孔用于所述两个电路层的非50欧姆阻抗变换线的连接，参与匹配电路的阻抗变换。
7.根据权利要求1所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述栅极馈电网络、漏极馈电网络通过盲孔引出至最外层用于对外连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述多层台阶微波电路板设置有用于器件电气连接的台阶孔；所述输入隔直电容、输出隔直电容、稳定网络、栅极滤波网络、漏极滤波网络设置在所述多层台阶微波电路板的顶层或台阶孔中；所述稳定网络选自集总参数的电容、电阻并联网络，或者芯片电容、埋层电阻的并联网络；所述输入输出三维匹配电路的顶层为金属地层。
9.根据权利要求5所述的一种基于三维匹配电路的大功率射频电路，其特征在于，所述台阶阻抗过渡结构、输入阻抗匹配枝节、输出阻抗匹配枝节均水平布局在所述两个电路层的金属图形。
10.权利要求1-9任一项所述的基于三维匹配电路的大功率射频电路的设计方法，其特征在于，步骤如下：
(1) 选定微波功率管的工作状态，确定微波功率管工作栅压和漏压；
(2) 通过Source Pull和Load Pull仿真找到功率管的最优栅极阻抗和最优漏极阻抗；
(3) 在Smith原图上分别将最优栅极阻抗和最优漏极阻抗匹配至50Ω，匹配时选择多节高低阻抗线进行分级匹配，得到每节阻抗线的电长度和特征阻抗；
(4) 根据微波板材及板材厚度，通过仿真计算得到每节阻抗线对应的带状线线宽及长度；
(5) 将带状线布局在多层微波电路板中，各电路层采用盲埋孔连接，盲埋孔采用并联形式以保证工作带宽、降低损耗；
(6) 在三维微波仿真软件中对多层微波电路板进行电磁场仿真，并将仿真结果导入电路仿真软件，结合微波功率管大信号模型进行联合仿真，其中馈电网络、滤波网络、稳定网络、隔直电容均采用理想的集总参数电路模型进行仿真，验证并得到输入阻抗匹配枝节和输出阻抗匹配枝节的初始值；
(7) 根据布局和电气连接需要划定台阶孔区域，台阶孔处信号传输为微带线模式，计算此处匹配节的线宽，并采用台阶过渡结构连接微带线结构与带状线结构；
(8) 引出输入阻抗匹配枝节和输出阻抗匹配枝节的馈电口，通过盲孔将馈电口引出至最外层电路，引出后采用微波信号电容短路到地模式进行馈电，馈电电路参与阻抗匹配；
(9) 将优化后的结构放入三维微波仿真软件中进行电磁仿真，并将仿真结果导入电路仿真软件对功率放大器进行联合仿真，联合仿真时稳定网络中的电阻、电容和隔直电容采用电路等效模型；
(10) 根据联合仿真结果对各匹配节、台阶孔进行优化、仿真，直至最终联合仿真结果满足设计要求；
(11) 根据三维仿真结果加工多层微波电路板，并完成最终的装配和调试。
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