CN117526871A - 一种分布式可重构超宽带功率放大器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种分布式可重构超宽带功率放大器及其控制方法，该功率放大电路有连续波与脉冲两种工作模式，两种模式工作漏压、频段带宽与输出功率均不相同。其中，分布式可重构电路结构将部分晶体管作为可重构元件融合到复用的匹配网络中，利用栅电平控制可重构晶体管分别工作在饱和与夹断状态，实现分布式匹配网络的模式切换。相较于传统开关切换式分布式功率放大电路，本发明利用有源管芯作为可重构元件，避免引入开关及其附带匹配电路，消除因此带来的损耗，提高芯片性能，并有效降低电路结构的复杂程度，缩减电路面积。
Description
技术领域
本发明属于微波单片集成电路技术领域。
背景技术
随着电子科技的发展，多功能一体化电子系统逐渐成为市场主流产品。此类系统通过共用一套硬件设备能同时实现目标搜索和信号传输的功能，与传统单一功能系统相比，具有功能全面、适应性强、节约平台资源等优势。当同一套设备需要实现不同功能时，对发射信号也有着不一样的需要，如目标探测搜索功能需要高输出功率、低功耗和高效率，而对于信号传输，良好的线性度是其核心需求，这就要求功率放大器本身能够实现功率可重构工作的特性。但目前市面上的可重构功率放大器电路大都采用级联开关切换结构，通常需要附加相应的匹配电路，使电路的结构复杂化，整个系统的集成度较低，且引入开关会增加系统整体的损耗，降低系统的功率、效率等性能。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种分布式可重构超宽带功率放大器及其控制方法。
技术方案：本发明公开了一种分布式可重构超宽带功率放大器，其特征在于，包括：第一微带线、输出电容、输入电容分布式功率网络、公用栅偏置电路、可重构网络栅偏置电路和漏偏置电路；
所述分布式功率网络包括依次级联的第一~第九功率单元，所述第四~六功率单元为可重构功率单元，其余的功率单元为公共功率单元；第一~第九功率单元的结构相同均包括晶体管，漏微带线，栅微带线，第一电阻和第一电容；第i功率单元的晶体管的漏极作为第i功率单元的漏电压输入端连接漏微带线的一端以及第i-1功率单元的漏微带线，漏微带线的另外一端连接第i+1功率单元晶体管的漏极，第i功率单元的晶体管的源级接地，栅极连接第一电阻的一端和第一电容的一端，第一电阻的另外一端作为第i功率单元的栅电压输入端，第一电容的另外一端连接第i功率单元栅微带线的一端和第i+1功率单元的栅微带线，第i功率单元栅微带线的另外一端连接第i-1功率单元的第一电容；第一功率单元的栅微带线的另外一端连接输入电容的一端，输入电容的另外一段连接射频输入信号，第九个功率单元的电容的连接第一微带线，第九个功率单元的漏微带线连接输出电容；
所述公用栅偏置电路连接所有公共功率单元的栅电压输入端，可重构网络栅偏置电路连接第四~六功率单元的栅电压输入端；
所述漏偏置电路连接所有功率单元的漏电压输入端。
进一步的，所述公用栅偏置电路包括第二微带线和第二电容，所述第二微带线的一端连接所有公共功率单元的栅电压输入端，另外一端连接第二电容的一端，第二电容的另外一端接地。
进一步的，所述可重构网络栅偏置电路包括第三微带线和第三电容，所述第三微带线的一端连接所有可重构功率单元的栅电压输入端，另外一端连接第三电容的一端，第三电容的另外一端接地。
进一步的，所述漏偏置电路包括第四电阻，第四、第五电容和第四微带线；所述第四微带线的一端连接所有功率单元的漏电压输入端，另外一端连接第四电容的一端和第四电阻的一端，所述第四电容的另外一端接地，第四电阻的另外一端连接第五电容的一端，第五电容的另外一段接地。
一种分布式可重构超宽带功率放大器的控制方法，其特征在于，当漏偏置电路提供28V漏压，公共网络栅偏置电路与可重构网络栅偏置电路均提供-2V栅压时，分布式功率网络中所有晶体管均处于饱和状态，分布式功率网络工作在连续波模式；
当漏偏置电路提供48V漏压，公共网络栅偏置电路提供-2V栅压，可重构网络栅偏置电路提供-5V栅压时，所述公共功率单元中晶体管工作在饱和状态；可重构功率单元中晶体管处于夹断状态，所述分布式功率网络工作在脉冲模式。
有益效果：本功放芯片基本管芯单元采用的分布式电路结构，使功率放大器的带宽得到极大的拓展，实现超宽带可重构功率放大器电路。本发明的可重构网络中避免了开关及附带的匹配电路的引入，通过晶体管的工作状态完成放大器在双频段下的匹配，降低了放大器匹配附带的损耗，使芯片的性能得到较大提升。本发明的功放芯片采用分布式电路结构，有源管芯作为可重构元件使可重构网络能与放大器的分布式功率匹配网络相融合，极大优化了放大器的结构，缩减电路面积。
附图说明
图1为本发明的整体电路结构图。
图2为分布式功率网络工作在连续波模式下的电路原理图；
图3为分布式功率网络工作在脉冲模式的电路原理图；
图4为分布式可重构超宽带功率放大器的仿真结果示意图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
本发明提供的一种分布式可重构超宽带功率放大器应用于微波、毫米波超宽带单片集成功率放大器电路，该电路包括分布式功率网络（101）、公用栅偏置电路（102）、可重构网络栅偏置电路（103）和漏偏置电路（104）。
所述分布式功率网络（101）是由9个功率晶体管级联构成的分布式电路，主要由可重构功率网络（105）、公共功率网络（106）两部分组成。所述可重构功率网络（105）由晶体管（151、152、153）及其外围匹配电路构成。所述分布式功率网络中剩余晶体管及其外围匹配电路构成公共功率网络（106）。
所述分布式功率网络（101）中所有晶体管的漏极偏置均由漏偏置电路（104）控制，所述可重构功率网络（105）中晶体管（151、152、153）的栅极偏置均由可重构网络栅偏置电路（103）控制，所述公共功率网络（106）中晶体管的栅极偏置均由公共网络栅偏置电路（102）控制。
所述可重构功率网络（105）通过改变可重构网络栅偏置电路的栅电平大小（改变晶体管（151、152、153）的工作状态，从而实现功率放大器在连续波/脉冲双工作模式间切换。
图1中P1,P2,P3和P4为直流供电端。
如图2所示，所述分布式功率网络（101）工作在连续波模式时，漏偏置电路（104）供28V漏压，公共网络栅偏置电路（102）与可重构网络栅偏置电路（103）均供-2V栅压，所述分布式功率网络（101）中所有晶体管均处于饱和状态，此时所述分布式可重构超宽带功率放大器电路结构呈典型分布式拓扑。
如图3所示，所述分布式功率网络（101）工作在脉冲模式时，漏偏置电路（104）供48V漏压，公共网络栅偏置电路（102）供-2V栅压，所述公共功率网络（106）中晶体管工作在饱和状态；所述可重构网络栅偏置电路（103）供-5V栅压，所述可重构功率网络（105）中晶体管（151、152、153）处于夹断状态，其可大致等效为含外部寄生的电容（121、122、123）。所述可重构功率网络（105）中的电容（121、122、123）与可输出微带（131、132、133）对公共功率网络（106）中的晶体管进行输出阻抗调制，提高公共功率网络（106）中晶体管在48V高漏压工作条件下的匹配程度，此时所述分布式可重构超宽带功率放大器电路结构呈非典型分布式拓扑。
所述的漏偏置电路（104）中，电阻（141）与电容（124）接地的结构，有利于提高放大器在低频下的增益。
所述分布式功率网络（101）中，电阻（142）连接在晶体管栅极与直流偏置电压源间，形成稳定结构，以此保持晶体管的稳定性；电容（125）连接在晶体管栅极与射频信号输入端之间，以此隔绝直流信号的影响。
如图4所示，功率放大器工作在连续波模式时，功率放大器在2-18GHz频段内实现34dBm的功率输出，相对带宽可超过150%，功率可超过2.5W，效率可超过25%；功率放大器工作在脉冲模式时，功率放大器在2-10GHz频段内实现40dBm的功率输出，相对带宽可超过100%，功率可超过10W，效率可超过35%。
以上实施例仅为说明本发明的技术路线，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路线，在本技术路线基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种分布式可重构超宽带功率放大器，其特征在于，包括：第一微带线、输出电容、输入电容、分布式功率网络、公用栅偏置电路、可重构网络栅偏置电路和漏偏置电路；
所述分布式功率网络包括依次级联的第一~第九功率单元，所述第四~六功率单元为可重构功率单元，其余的功率单元为公共功率单元；第一~第九功率单元的结构相同均包括晶体管，漏微带线，栅微带线，第一电阻和第一电容；第i功率单元的晶体管的漏极作为第i功率单元的漏电压输入端连接漏微带线的一端以及第i-1功率单元的漏微带线，漏微带线的另外一端连接第i+1功率单元的漏电压输入端，第i功率单元的晶体管的源级接地，栅极连接第一电阻的一端和第一电容的一端，第一电阻的另外一端作为第i功率单元的栅电压输入端，第一电容的另外一端连接第i功率单元栅微带线的一端和第i+1功率单元的栅微带线，第i功率单元栅微带线的另外一端连接第i-1功率单元的第一电容；第一功率单元的栅微带线的另外一端连接输入电容的一端，输入电容的另外一段连接射频输入信号，第九个功率单元的第一电容的连接第一微带线的一端，第一微带线的另外一端接地，第九个功率单元的漏微带线连接输出电容；
所述公用栅偏置电路连接所有公共功率单元的栅电压输入端，可重构网络栅偏置电路连接所有可重构功率单元的栅电压输入端；
所述漏偏置电路连接所有功率单元的漏电压输入端。
2.根据权利要求1所述的一种分布式可重构超宽带功率放大器，其特征在于，所述公用栅偏置电路包括第二微带线和第二电容，所述第二微带线的一端连接所有公共功率单元的栅电压输入端，另外一端连接第二电容的一端，第二电容的另外一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种分布式可重构超宽带功率放大器，其特征在于，所述可重构网络栅偏置电路包括第三微带线和第三电容，所述第三微带线的一端连接所有可重构功率单元的栅电压输入端，另外一端连接第三电容的一端，第三电容的另外一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种分布式可重构超宽带功率放大器，其特征在于，所述漏偏置电路包括第四电阻，第四、第五电容和第四微带线；所述第四微带线的一端连接所有功率单元的漏电压输入端，另外一端连接第四电容的一端和第四电阻的一端，所述第四电容的另外一端接地，第四电阻的另外一端连接第五电容的一端，第五电容的另外一段接地。
5.基于权利要求1所述的一种分布式可重构超宽带功率放大器的控制方法，其特征在于，当漏偏置电路提供28V漏压，公共网络栅偏置电路与可重构网络栅偏置电路均提供-2V栅压时，分布式功率网络中所有晶体管均处于饱和状态，分布式功率网络工作在连续波模式；当漏偏置电路提供48V漏压，公共网络栅偏置电路提供-2V栅压，可重构网络栅偏置电路提供-5V栅压时，所述公共功率单元中晶体管工作在饱和状态；可重构功率单元中晶体管处于夹断状态，所述分布式功率网络工作在脉冲模式。
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