CN117155316B - 用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器，包括输入端，用于输入射频信号；栅极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管栅极进行馈电，且将直流信号完整传输至栅极；漏极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管漏极进行馈电，且将直流信号完整传输至漏极，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条；稳定电路，用于将所述功率放大器的电路处于稳定状态；匹配网络电路，包括输入匹配网络、第一级匹配网络和第二级匹配网络；包含偏置电路的功率分配网络电路，用于将所述射频信号平分并传输至两个第一级匹配网络中，能够有效提高氮化镓材料制作的单片微波集成电路中功率放大器的输出功率和效率。

Description

用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器。

背景技术

以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料的研究和应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，其能在较高的频率范围获得较高的输出功率，氮化镓材料体现的宽带隙、高饱和电子飘移速度、高击穿电场、高热导率等优异性，使得氮化镓材料成为一种高频、宽带、高效率、大功率电子器件非常理想的半导体材料。

使用氮化镓材料制作的单片微波集成电路集成度高，能够很好的满足小型化的需求，但是目前使用氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器输出功率不足以使单片微波集成电路充分发挥其性能，且功率不足效率较低的功率放大器使得移动运营商运营成本较高。

因此，如何提高氮化镓材料制作的单片微波集成电路中功率放大器的输出功率和效率，是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中氮化镓材料制作的单片微波集成电路中功率放大器的输出功率和效率较低的技术问题。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器，所述功率放大器为三级级联结构，该放大器包括：

输入端，用于输入射频信号，并将所述射频信号传输至输入匹配网络；

匹配网络电路，包括所述输入匹配网络、两个第一级匹配网络和两个第二级匹配网络，输入匹配网络用于将第一级管芯的输入阻抗匹配到源阻抗50欧姆，第一级匹配网络用于将第一级管芯的输出阻抗共轨匹配到第二级管芯的输入阻抗，第二级匹配网络用于将第二级管芯的输出阻抗匹配至第三级管芯的输入阻抗；

功率分配网络电路，包含有偏置电路，用于将所述射频信号平分并传输至两个第一级匹配网络中；

栅极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管栅极进行馈电，且将射频信号完整传输至栅极；

漏极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管漏极进行馈电，且将射频信号完整传输至漏极，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条；

稳定电路，用于将所述功率放大器的电路处于稳定状态；

功率合成网络电路，用于将分路信号进行合成。

进一步地，所述稳定电路的输入端为电阻和电容的并联一端。

进一步地，所述栅极偏置电路和漏极偏置电路中的偏置线小于四分之一波长。

进一步地，所述金属条为矩形。

进一步地，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧设置为对称的凹槽。

进一步地，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧的一端设置为对称的矩形缺口。

本发明提供的一种用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器，与现有技术相比，本发明中的功率放大器包括输入端，用于输入直流信号；栅极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管栅极进行馈电，且将直流信号完整传输至栅极；漏极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管漏极进行馈电，且将直流信号完整传输至漏极，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条；稳定电路，用于将所述功率放大器的电路处于稳定状态；匹配网络电路，包括输入匹配网络、第一级匹配网络和第二级匹配网络；包含偏置电路的功率分配网络电路，用于将所述射频信号平分并传输至两个第一级匹配网络中，能够有效提高氮化镓材料制作的单片微波集成电路中功率放大器的输出功率和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，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说明书记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1所示为本说明书实施例提供的用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器的结构示意图；

图2所示为现有技术中功率放大器中漏极结构示意图；

图3所示为本说明书实施例中功率放大器中漏极结构示意图；

图4所示为本说明书另一实施例中功率放大器中漏极结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域普通技术人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示为本说明书实施例提供的用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器的结构示意图，该功率放大器包括：

输入端，用于输入射频信号，并将所述射频信号传输至输入匹配网络；

匹配网络电路，包括所述输入匹配网络、两个第一级匹配网络和两个第二级匹配网络，输入匹配网络用于将第一级管芯的输入阻抗匹配到源阻抗50欧姆，第一级匹配网络用于将第一级管芯的输出阻抗共轨匹配到第二级管芯的输入阻抗，第二级匹配网络用于将第二级管芯的输出阻抗匹配至第三级管芯的输入阻抗；

功率分配网络电路，包含有偏置电路，用于将所述射频信号平分并传输至两个第一级匹配网络中；

栅极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管栅极进行馈电，且将射频信号完整传输至栅极；

漏极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管漏极进行馈电，且将射频信号完整传输至漏极，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条；

稳定电路，用于将所述功率放大器的电路处于稳定状态；

功率合成网络电路也即图1中的功率合成器，用于将分路信号进行合成。

在本申请实施例中，所述稳定电路的输入端为电阻和电容的并联一端。

具体的，功率放大器的射频输入的后面接隔直电容，为了防止直流信号流到射频信号源。为了改善输入驻波系数从而添加电阻，而稳定电路采用电阻和电容并联的方式，为了增大功放稳定性，保证功率放大器绝对稳定，防止自激。为了让功率放大器处于绝对稳定状态，即稳定性系数大于1。在前两级管芯的栅偏置输入端接入电阻－电容RC并联网络，并联电容是为了使晶体管有效栅极电容降低，能够提升整个电路的截止频率，并联电阻的作用为在不损失高频增益的情况下，保障功放芯片的稳定性，防止电路自激。而在末级，由于功率较大，而且末级电路的性能对于输出功率和效率影响非常大，若也加入稳定网络，会很大程度影响效率，所以第三级不加RC稳定网络。

包含偏置电路的功率分配网络电路，用于将输入的射频信号平均分成N路信号，第一级级联中有两个晶体管输出，而第二级级联中有四个晶体管需要输入信号，所以采用功率分配网络将第一级晶体管输出分成两路信号，每一路信号功率相同，都是原来的一半，传输到第二级晶体管作为输入信号，同理，第三级有16个晶体管，需要16路输入信号，需要将第二级每一个晶体管输出等分成4路信号，而功率合成网络电路，用于将N路信号进行合成，实现功率的放大，由于晶体管本身特质，单个晶体管具有饱和输出功率，为了得到更大的输出功率，需要对晶体管进行功率合成，第三级16个晶体管，先进行两两合成，功率相比于单个晶体管饱和输出功率增至原来的两倍，而合成后已经增大两倍的两路信号继续合成，又会在此基础上继续增大两倍，以此类推，不考虑损耗的情况下，16个晶体管合成功率相比于单个晶体管饱和输出功率能增至原来的四倍。

信号由射频信号源进行输入，先经过输入匹配网络以及稳定电路后传输到第一级晶体管栅极，过程中信号会流向偏置电路，而由于偏置电路中旁路电容接地，信号会全反射回来，变化就是经过了两次偏置电路中的微带线，会产生阻抗改变（后面所有偏置网络也类似），第一级晶体管对信号进行放大后由漏极输出，信号继续经过第一级和第二级级间匹配网络，过程中功率分配网络将信号由一路分为两路，每一路信号再通过稳定电路流向第二级晶体管栅极，第二级晶体管对信号再次进行放大由漏极输出。信号会经过第二级和第三级级间匹配网络，同时功率分配网络会将信号由一路分为4路，总共16路相同功率大小和相位的信号传输到第三级晶体管栅极，由第三级晶体管进行功率放大，由漏极输出，信号经过第三级晶体管漏极偏置电路也会全反射回来，通过设计偏置电路中微带线的阻抗和长度，可以对输出信号进行阻抗变换，和输出匹配网络共同进行阻抗匹配，经过输出匹配网络的同时，16路信号两两进行功率合成，最终合成一路信号输出到50欧姆负载。

在本申请实施例中，所述栅极偏置电路和漏极偏置电路中的偏置线小于四分之一波长，所述金属条为矩形，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧设置为对称的凹槽，如图3所示，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧的一端设置为对称的矩形缺口，如图4所示。

具体的，在对晶体管漏极和栅极馈电时，需要通过偏置网络，作用是保证射频信号完整地传输到晶体管漏极和栅极，同时也要防止电路中的射频信号泄露流入到直流电源，射频电路中典型的偏置网络由四分之一波长微带线和旁路电容接地组成，旁路电容容值较大，只有大于一定频率的信号才能通过，对于本次输入的射频信号是短路点，而对于直流信号无法通过旁路电容到地，四分之一波长微带线可以把接地的短路点变为开路点，即完成了防止射频信号泄漏的作用。本次为了进一步提高放大器效率和缩小版图面积，设计的偏置线比四分之一波长更短，通过调谐偏置线长度和与之连接的匹配电路共同进行阻抗变换，后面在匹配网络设计部分还会详细说明。在栅极偏置网络上，由于栅极电流几乎为0，所以串联小电阻，增强电路稳定性，消除振荡。

另外，需要说明的是，本申请功率放大器中的匹配网络电路、包含偏置电路的功率分配网络电路、栅极偏置电路、漏极偏置电路、稳定电路以及功率合成电路，并不局限于本申请中图1中具体展现的结构，本申请对此并不做任何具体限制，除本申请中漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧设置为对称的凹槽结构部分，本申请一实施例中提供的功率放大器结构，通过输入射频信号，然后将射频信号传送到匹配网络，用于将第一级管芯的输入阻抗匹配到源阻抗50欧姆，然后接着传输到第一级级联中，第一级级联包括栅极偏置电路、源极偏置电路和稳定电路，经过第一级级联处理后传输到第一二级级间匹配网络中，以使将第一级管芯的输出阻抗共轭匹配到第二级管芯的输入阻抗，也可以将两者匹配到中间值，接着传输到第二级级联中，第二级级联结构和第一级级联结构相同，将信号进行处理后传输到第二三级级间匹配网络中，用于匹配第三级管芯的输入阻抗，再将经过处理的信号传输到第三级级联中，第三级级联中包含栅极偏置电路和漏极偏置电路，将经过第三级级联处理后信号输入到输出匹配网络中接着基于功率合成器输出放大后的信号。

并且，本申请漏极结构为新结构，传统放大器的漏极结构如图2所示，L1为传统放大器漏极结构金属条宽度，其为一体型漏极金属条，而本申请漏极结构中金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧设置为对称的凹槽，如图3所示为本实施例中功率放大器中漏极结构示意图，L2为金属条的宽度，L3为两条金属条之间的距离，且L3+2L2=L1。

在另一实施例中，本申请漏极结构金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧的一端设置为对称的矩形缺口，如图4所示为另一实施例中功率放大器中漏极结构示意图，L5为金属条宽度，L6为两条金属条之间的距离，L4为金属条相邻侧的一端剩余宽度。

本申请漏极结构金属层的设置，比传统的漏极结构中的金属层面积小，因而可以有效地减小漏源电容，进而提高功率放大器的效率。

功率放大器最终功率的输出大小和效率的高低，除了和晶体管本身饱和输出功率有关，阻抗匹配网络的影响也很大。三级级联放大结构中，各级之间匹配网络着重点不同，其中输入匹配网络是将第一级管芯的输入阻抗匹配到源阻抗50欧姆，主要改善输入反射系数，第一二级级间匹配网络不再需要匹配到50欧姆，而是将第一级管芯的输出阻抗共轭匹配到第二级管芯的输入阻抗，也可以将两者匹配到中间值，这一级的匹配网络主要是提高增益和降低损耗。第二三级级间匹配网络和末级输出匹配网络对于输出功率和功率附加效率的影响相比于前面匹配网络更大。第二三级级间匹配网络设计三节L型网络，匹配到第三级管芯的输入阻抗，其中偏置线和匹配网络可以共同控制第二级输出二次谐波阻抗和第三级输入二次谐波阻抗。输出网络包括T型匹配网络和功率合成器，实现对功率的合成和到负载端口的匹配。阻抗匹配电路结构分许多种，本次工作频率为15-18GHz，带宽为3GHz，中心频率为16.5GHz，相对工作带宽为18.2%，射频电路组件相对工作带宽大于15%，属于宽带放大器范围，所以简单的窄带匹配不符合设计频带要求。选用集总参数元件和分布参数元件混合使用的匹配结构，即用微带线和电容组合的T型匹配网络和多节L型匹配结构，对于末级输出网络，其功率和漏电流较大，考虑电容的击穿和整体效率的提高，采用两个电容串联的形式，在版图中可以增大上下极板面积，防止电容被击穿。各级晶体管通过负载牵引和源牵引得到最佳阻抗，利用史密斯原图设计阻抗匹配电路。最大转换功率需要进行共轭匹配，即负载反射系数是源反射系数的共轭时，能实现最大的转换功率。末级晶体管还需要牵引出二次谐波阻抗，在末级晶体管的漏极，通过设置合适的偏置线宽度和长度，可以控制输出信号的二次谐波阻抗，通过在漏极设计匹配网络对高次谐波进行处理得到想要的漏极电流和电压波形。调整偏置线阻抗和电长度 ，可以把二次谐波分量近似短路，以提高功率附加效率。

漏极偏置电路不加电阻，原因是漏极电流大，加电阻会造成电路损耗。串联电容为了起到隔直作用，只要有直流电加入，就要后接隔直电容。而后接入一路分两路功分器，再接L型匹配网络。

本说明提供一种用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器可应用于其他平台、终端，该平台或终端可以包括使用本说明书实施例所述方法的装置、软件、模块、插件、服务器、客户端等并结合必要的实施硬件的装置，基于同一创新构思，本说明书实施例提供的一个或多个实施例中的系统如下面的实施例所述。所使用的术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的模块电路可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或插件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参考即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参考方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.用于氮化镓材料制作的单片微波集成电路中的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器为三级级联结构，所述功率放大器集成在氮化镓材料制作的单片微波集成电路中，所述功率放大器包括：

输入端，用于输入射频信号，并将所述射频信号传输至输入匹配网络；

匹配网络电路，包括所述输入匹配网络、两个第一级匹配网络和两个第二级匹配网络，输入匹配网络用于将第一级管芯的输入阻抗匹配到源阻抗50欧姆，第一级匹配网络用于将第一级管芯的输出阻抗共轨匹配到第二级管芯的输入阻抗，第二级匹配网络用于将第二级管芯的输出阻抗匹配至第三级管芯的输入阻抗；

功率分配网络电路，与所述第一级管芯电连接，并包含有偏置电路，所述功率分配网络电路用于将所述射频信号平分并传输至两个第一级匹配网络中；

栅极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管栅极进行馈电，且将射频信号完整传输至栅极；

漏极偏置电路，用于对所述功率放大器中的晶体管漏极进行馈电，且将射频信号完整传输至漏极，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，所述金属条为矩形，两条所述金属条的相邻侧设置为对称的凹槽；

稳定电路，用于将所述功率放大器的电路处于稳定状态；

功率合成网络电路，用于将分路信号进行合成。

2.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述稳定电路的输入端为电阻和电容的并联一端。

3.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述栅极偏置电路和漏极偏置电路中的偏置线小于四分之一波长。

4.如权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述漏极偏置电路中的漏极部分的金属层为两条平行的金属条，且两条金属条的相邻侧的一端设置为对称的矩形缺口。