CN117713717A - 一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，属于基本电子电路的技术领域。该射频功放，包括，输入端口、输入级功率分配网络、第一功分支路、第二功分支路、功率合成网络、输出端口，通过并联阶跃阻抗微带线形式的宽带阻抗匹配网络扩展带宽，通过并联于阶跃阻抗微带线上的增益补偿网络，对阶跃阻抗微带线形式宽带阻抗匹配网络的高频损耗进行补偿校正，使得整体并联系统在低频段和高频段均处于同等的电磁损耗，从而实现在宽频带范围内较高的增益平坦度；通过宽带功率分配/合成网络实现的多路功率合成技术，把输入功率分别放大并最终合成输出。该功率放大器通过这些技术手段可实现5‑31GHz的宽带增益，增益达22dB，输出饱和功率35dBm。

Description

一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器

技术领域

本发明涉及微波单片集成电路，尤其涉及一种带宽横跨C波段到Ka波段，输出功率高达35dBm的宽带、高输出功率射频功率放大器，属于基本电子电路的技术领域。

背景技术

随着无线通技术的不断发展，射频微波技术在人们的生活中越来越重要。尤其是近年来卫星通信、地海空天一体化通信系统的发展成为研究热点，其中最为重要的技术瓶颈即如何实现宽带且高输出功率的射频功率放大器。

为了得到宽带的增益，有三种方式去提升功率放大器的带宽。第一种功率放大器带宽提升方式是从架构的角度，即采用平衡式放大器或者负反馈结构来提升放大器的带宽。负反馈是最为常见的提升带宽的方式，但是其缺点显而易见，即负反馈减小了放大器的增益，输出功率大大降低，无法完全发挥出晶体管的放大性能。平衡式放大器则是采用两路相同的放大器，通过两路信号的加减来实现宽带效果，该种电路结构的不足是增加了芯片面积以及芯片复杂程度。再一个提升功率放大器带宽的方式就是从匹配角度出发，利用一系列复杂的匹配网络实现宽带特性，比如传统的阶跃阻抗微带线结构、渐变线结构、T-coil结构等。利用传统阶跃阻抗微带线结构虽然在一定程度上可以扩展带宽，但是其性能仍旧不能满足如今卫星通信的需求，需要寻求更加先进的匹配网络。随着数字技术的不断发展，模拟与数字部分的联系越来越密切。利用数字技术来校准和改善放大器带宽特性以及线性度特性的方式得到人们关注，成为第三种提升功率放大器带宽的方式，但是该方式的缺陷即增加了系统负载程度和成本，需要额外的数字部分进行系统的反馈校准。

此外，射频功放宽带增益、高输出功率以及结构集成度三者之间的矛盾也是制约其性能提升的一个重要因素。

本发明旨在打破带宽与输出功率之间的制约，提出一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，以克服上述缺陷，实现宽带高功率输出以满足卫星通信需求。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，解决现有射频功放的宽带增益、高输出功率以及结构集成度相互制约技术问题，通过简约的阻抗匹配电路形式实现拓展射频功放带宽并提高输出功率的发明目的。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，包括：输入端口、输入级功率分配网络、第一功分支路、第二功分支路、功率合成网络和输出端口，输入级功率分配网络的输入端连接输入端口，第一功分支路的输入端、第二功分支路的输入端分别连接输入级功率分配网络的一个输出端，第一功分支路的输出端、第二功分支路的输出端分别连接功率合成网络的一个输入端，功率合成网络的输出端连接输出端口，第一功分支路和第二功分支路为对称电路结构；

第一功分支路包括：输入级带宽带阻抗匹配网络、输入级晶体管、中间级宽带阻抗匹配网络、中间级功率分配网络、中间级晶体管、输出级功率分配网络和输出级晶体管，输入级带宽带阻抗匹配网络的输入端连接输入级功率分配网络的一个输出端，所述输入级晶体管的栅极连接输入级带宽带阻抗匹配网络的输出端，中间级宽带阻抗匹配网络的输入端连接输入级晶体管的漏极，中间级功率分配网络的输入端连接中间级宽带阻抗匹配网络的输出端，中间级功率分配网络的输出端连接一个中间级晶体管的栅极，输出级功率分配网络的输入端连接一个中间级晶体管的漏极，输出级功率分配网络的每个输出端连接一个输出级晶体管的栅极，各输出级晶体管的漏极作为第一功分支路的一个输出端，各晶体管的漏极分别经偏置网络接入电源，各晶体管的源极接地，其中，输入级带宽带阻抗匹配网络为阶跃阻抗微带线匹配结构与增益补偿支路并联的电路结构，中间级宽带阻抗匹配网络为至少两个谐振频率单峰谐振响应不同的阶跃阻抗微带线匹配结构并联的电路结构。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，增益补偿支路为一带有串联电容的四分之一波长高阻微带线。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，阶跃阻抗微带线匹配结构为三节宽度不同的微带线，不同宽度微带线的阻值符合二项式分布规律。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，偏置网络包括：一段四分之一工作波长的高阻抗微带线和旁路电容，高阻抗微带线的一端与旁路电容的一极相连接作为电源信号接入端，高阻抗微带线的另一端连接晶体管的漏极，旁路电容的另一极接地。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，控制接入输入级晶体管漏极的偏置网络以使输入级晶体管工作于A类放大器模式，控制接入中间级晶体管的偏置网络以使中间级晶体管工作于A类放大器模式，控制接入输出级晶体管的偏置网络以使输出级晶体管工作于AB类放大器模式。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，中间级功率分配网络、输出级功率分配网络分别为多级威尓金森功率分配器，功率合成网络为多级威尓金森功率合成器。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，多级威尓金森功率分配器为基于T型节结构的多级功率分配器，多级威尓金森功率合成器为基于T型节结构的多级功率合成器。

作为一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器的进一步优化方案，基于T型节结构的多级功率分配器的第一节微带线为T型微带线结构。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明从宽带匹配网络结构出发，基于传统的阶跃阻抗微带线宽带匹配网络，通过并联辅助支路的形式来进一步提升匹配网络带宽，在输入级匹配网络，阶跃阻抗微带线并联有串接电容的高阻抗微带线，在实现带宽拓宽的同时也实现了增益补偿的效果，在中间级阻抗匹配网络则将两路不同结构的阶跃阻抗微带线并联，以求更为宽带的匹配效果，阶跃阻抗微带线形式的宽带阻抗匹配网络，用于每级晶体管之间的宽带阻抗匹配，该阻抗匹配网络使晶体管输出最佳阻抗R_opt在极宽的频带范围内匹配到标准50Ω负载，还使得每一级晶体管输出阻抗与下一级晶体管阻抗的输入阻抗满足共轭匹配条件，因此无需复杂的数字部分以及平衡式放大器中冗余结构，在保证简洁的同时打破了带宽与输出功率之间的制约。

（2）对于高输出功率的要求，本发明则采用功率合成技术，利用宽带特性的功率分配/合成网络将输入功率分成8路功率分别放大，最终合称为一路大功率进行输出，因此无需复杂的数字部分以及平衡式放大器中冗余结构，在保证简洁的同时打破了带宽与输出功率之间的制约。

附图说明

图1为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的原理示意图。

图2为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的具体电路图。

图3为本发明的输入级宽带阻抗匹配网络的原理图。

图4为本发明的中间级宽带阻抗匹配网络的原理图。

图5为本发明的带增益补偿支路的阶跃阻抗微带线匹配网络的S21曲线。

图6为本发明的带增益补偿支路的阶跃阻抗微带线匹配网络的S11曲线。

图7为本发明的中间级并联阶跃阻抗微带线宽带匹配网络各支路的S11曲线。

图8为本发明的中间级并联阶跃阻抗微带线宽带匹配网络整体的S11曲线。

图9为本发明的基于T型节结构的多级功率分配/合成器示意图。

图10为本发明的T型节结构示意图。

图11为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的频率特性曲线。

图12为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的大信号仿真曲线。

图中标记说明：1、高输出功率宽带射频功率放大器；2、输出级晶体管；3、功率合成网络；4、偏置网络；5、中间级宽带阻抗匹配网络；6、阶跃阻抗微带线宽带匹配结构；7、输入级宽带阻抗匹配网络；8、增益补偿支路；9、输入端口；10、输出端口；11、输入级功率分配网络；12、中间级功率分配网络；13、输出级功率分配网络；14、输入级晶体管，15、中间级晶体管。

实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

图1为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的原理示意图，该示意图说明了本发明实现宽带以及高输出功率的技术方法。输入功放的功率经输入级功率分配网络后输入至输入级宽带阻抗匹配网络，经输入级功分处理和阻抗匹配后的信号传输至输入级晶体管，经输入级晶体管放大处理后的信号传输至中间级宽带阻抗匹配网络，经中间级阻抗匹配后的信号传输至中间级功率分配网络，经中间级功分处理后的信号传输至中间驱动级晶体管，经中间级驱动晶体管放大处理后的信号传输至输出级功率分配网络，经输出级功分处理后的信号传输至输出级晶体管，经输出级晶体管放大处理后的信号传输至输出功率合成网络，产生最终的高功率输出信号。实现宽带通过三级宽带阻抗变换匹配网络；实现高输出功率则是通过多路功率合成技术，通过8路功率的合成实现了高达35dBm的输出功率。

图2为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的具体电路图，高输出功率宽带射频功率放大器1包括了以下结构：输入端口9、输入级功率分配网络11、第一功分支路、第二功分支路、功率合成网络、输出端口10，输入端口9接入输入功率，输入级功率分配网络11的输入端连接输入端口9，第一功分支路的输入端、第二功分支路的输入端分别连接输入级功率分配网络11的一个输出端，第一功分支路的输出端、第二功分支路的输出端分别连接功率合成网络3的一个输入端，功率合成网络3的输出端连接输出端口10，从输入端口9接收的信号经输入级功率分配网络11后传输至第一功分支路、第二功分支路，第一功分支路、第二功分支路分别对接收的信号进行多级放大和功分处理后输出，功率合成网络3对各功分支路输出的信号进行多路合成后输出；第二功分支路与第一功分支路为对称电路结构，第一功分支路包括：输入级带宽带阻抗匹配网络7、输入级晶体管14、中间级宽带阻抗匹配网络5、中间级功率分配网络12、中间级晶体15、输出级功率分配网络13、输出级晶体管2。

其中，放大晶体管为本发明的核心器件，放大晶体管选定后其极限性能已经确定，需要设计合适的阻抗匹配网络，即设计输入级匹配网络7、中间级带宽阻抗匹配网络5使得输入级晶体管的性能发挥到极限。偏置网络4则确定了晶体管的静态工作点，从而确定了放大器的工作类型是开关工作状态或者线性工作状态。输入端口9、以及输出端口10均接入标准50Ω阻抗，通过输入级匹配网络7、功率合成网络3实现阻抗匹配。功率合成网络3在实现阻抗匹配的同时也将8路功率进行了合成，增加了输出功率。

输入级带宽带阻抗匹配网络7通过传统阶跃阻抗微带线匹配结构并联增益补偿支路8实现。传统阶跃阻抗微带线匹配结构为三节宽度不同的微带线，不同的微带线宽度代表了不同的阻抗数值，不同宽度微带线的阻值符合二项式分布规律，阶跃阻抗微带线匹配结构可以在某个一定的反射系数下取到最大的带宽，实现较为宽带的阻抗匹配。

增益补偿支路8为一带串联电容的四分之一波长高阻微带线，用于补偿阶跃阻抗微带线匹配网络在高频段情况下的电磁损耗，该增益补偿支路形式简洁且可以等效为一串联谐振电路。

中间级宽带阻抗匹配网络5通过并联至少两个传统阶跃阻抗微带线匹配结构6实现。为进一步提高阻抗匹配的带宽性能，并联的至少两个阶跃阻抗微带线匹配结构的结构不同，即各阶跃阻抗微带线匹配结构具有不同谐振频率的单峰谐振响应，用于在至少两个阶跃阻抗微带线匹配结构的共同作用下产生多峰谐振效果，从而提高带宽，实现功率放大器的宽带增益。

输入级带宽带阻抗匹配网络7、输入级晶体管14，中间级宽带阻抗匹配网络5、中间级功率分配网络12、中间级晶体管15、输出级功率分配网络13、输出级晶体管2组成的4输出宽带功率分配网络，用于对传输至第一功分支路的信号多级放大和功分处理。输入级带宽带阻抗匹配网络7的输入端连接输入级功率分配网络11的一个输出端，输入级带宽带阻抗匹配网络7的输出端连接输入级晶体管的栅极，输入级晶体管的漏极经偏置网络接入电源，输入级晶体管的源极接地，中间级宽带阻抗匹配网络5的输入端连接输入级晶体管14的漏极，中间级宽带阻抗匹配网络5的输出端连接中间级功率分配网络12的输入端，中间级功率分配网络12的两个输出端分别连接一个中间级晶体管的栅极，中间级晶体管的漏极分别经偏置网络接入电源，中间级晶体管的源极接地，中间级晶体管的漏极连接输出级功率分配网络13的输入端，输出级功率分配网络13的输出端分别连接一个输出级晶体管的栅极，输出级晶体管的漏极经偏置网络接入电源，输出级晶体管的源极接地，输出级晶体管的漏极构成4输出宽带功率分配网络的输出端。

偏置电路决定了晶体管的工作状态以及放大电路的工作类型，通过控制偏置可以使得放大器工作于开关工作类型（E类、F类）异或是传统的线性工作模式（A类、AB类、B类、C类）。本申请在晶体管漏极接入的偏置网络，包括：用于等效扼流线圈的一段四分之一工作波长的高阻抗微带线和提高稳定性的小阻值电阻以及并联接地的旁路电容，小阻值电阻未示例在图2中，高阻抗微带线的一端与旁路电容的一极相连接作为电源信号接入端，高阻抗微带线的另一端连接晶体管的漏极，旁路电容的另一极接地，旁路电容用于减小电源噪声对射频信号的影响，扼流线圈用于防止射频信号反向注入偏置网络。为了提高放大器的线性度以及输出功率效率，各功分支路均采用了输入级晶体管、中间级晶体管、输出级晶体管的三级级联放大电路结构，输入至各功分支路的信号先经功分网络和三级晶体管功分放大后，再经偏置处理后经功率合成网络合成。为了提高输出功率，功率合成网络采用八路功率合成技术。为了提高最后一级晶体管输出功率的效率，输出级晶体管采用AB类型放大器，输入级晶体管以及中间级晶体管采用线性度较高的A类放大器。位于栅极的偏置网络和位于漏极输出端的偏置网络不同，主要体现在微带线线宽的不同，位于输出端的偏置网络由于输出电流较大所以微带线宽度较宽，防止电流过大而损坏。栅极偏置网络则由于电流幅度较小可采用较小的线宽。

中间级功率分配网络12、输出级功率分配网络13、功率合成网络3通过基于T型节结构的多级功率分配/合成器实现。基于T型节结构的多级功率分配器负责将输入功率等比例分配，并分别传输至放大晶体管进行功率放大，最终再通过基于T型节结构的多级功率合成器将功率进一步合成以求获得高输出功率。 图3以及图4分别为本发明的两种宽带匹配网络的原理，包括了输入级宽带阻抗匹配网络，即带增益补偿支路的阶跃阻抗微带线匹配网络，以及中间级阻抗匹配网络，即并联阶跃阻抗微带线宽带匹配网络。从图中可以看出单一的支路只会产生一个单一谐振峰值的频率响应，因此该单一支路的带宽是有限的。通过增加另一个不同的阶跃阻抗微带线支路，或者增益补偿支路，产生了双峰谐振效果，从而大大拓展了带宽。

图5为本发明的带增益补偿支路的阶跃阻抗微带线匹配网络的S21曲线。图6为本发明的带增益补偿支路的阶跃阻抗微带线匹配网络的S11曲线。为了补偿阶跃阻抗微带线匹配网络在高频段情况下的电磁损耗，在输入级的阶跃阻抗微带线的基础之上并联增益补偿支路，实现了对高频损耗的补偿，当频率升高至谐振频率，则该支路的输入阻抗为零，从而在高频频段具有低损耗的特点，从而实现在宽频带范围内较高的增益平坦度，恰恰可以补偿输入级阻抗匹配的主通路—阶跃阻抗微带线在高频段损耗较高的不足。从图5中的S21曲线可以看出在高频情况下，阶跃阻抗微带线的电磁损耗较高，且随着频率的增加呈现出继续下降的趋势；但是增益补偿支路，即串联电容-高阻微带线支路在高频情况下电磁损耗保持为较低的水平。所以该并联网络在两条支路的共同作用下产生了一个宽带的频率响应。同时由图6中的S11曲线可以看出，单一的支路响应为一个单峰值的谐振响应，通过并联则产生了一个频带明显增加的双峰谐振响应。

图7为本发明的并联阶跃阻抗微带线宽带匹配网络各支路的S11曲线。图8为本发明的并联阶跃阻抗微带线宽带匹配网络整体的S11曲线。类似于带增益补偿支路的阶跃阻抗微带线匹配网络的原理。通过并联两种不同谐振频率的支路从而使得整体结构产生了双峰谐振，扩大了带宽范围。

图9为本发明的基于T型节结构的多级功率分配/合成器示意图。在多节功率分配器的基础上创新性地采用了T型节的结构，即将多节宽带威尔金森功分器的第一节微带线替换为T型微带线结构，减小了纵向尺寸的同时保证了电磁性能的不变，实现了芯片小型化。基于T型微带线结构的多节威尔金森宽带功分器，实现了输入功率分配、输出功率合成的功能同时还一并实现了每一级的阻抗变换和匹配。

图10为本发明的T型节结构示意图，其T型结构即在横向并联一个开路短截线，虽然使得横向体积增加，单纵向更为紧凑。其具体结构由于类似T型，故称之为T型开路短截线结构。

图11为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的频率特性曲线。通过该功率放大器的频率响应可以看出，在5GHz到31GHz一个宽带范围内，该功率放大器均保持20dB左右的增益而且平坦度较高，增益起伏仅仅1dB左右。

图12为本发明的高输出功率宽带射频功率放大器的大信号仿真曲线。通过大信号仿真，可以得到该放大器饱和输出功率高达35dBm，其效率为25%。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，包括：输入端口、输入级功率分配网络、第一功分支路、第二功分支路、功率合成网络和输出端口，所述输入级功率分配网络的输入端连接输入端口，第一功分支路的输入端、第二功分支路的输入端分别连接输入级功率分配网络的一个输出端，第一功分支路的输出端、第二功分支路的输出端分别连接功率合成网络的一个输入端，功率合成网络的输出端连接输出端口，所述第一功分支路和第二功分支路为对称电路结构；

其特征在于，所述第一功分支路包括：输入级带宽带阻抗匹配网络、输入级晶体管、中间级宽带阻抗匹配网络、中间级功率分配网络、中间级晶体管、输出级功率分配网络和输出级晶体管，所述输入级带宽带阻抗匹配网络的输入端连接输入级功率分配网络的一个输出端，所述输入级晶体管的栅极连接输入级带宽带阻抗匹配网络的输出端，所述中间级宽带阻抗匹配网络的输入端连接输入级晶体管的漏极，中间级功率分配网络的输入端连接中间级宽带阻抗匹配网络的输出端，中间级功率分配网络的输出端连接一个中间级晶体管的栅极，所述输出级功率分配网络的输入端连接一个中间级晶体管的漏极，输出级功率分配网络的每个输出端连接一个输出级晶体管的栅极，各输出级晶体管的漏极作为第一功分支路的一个输出端，各晶体管的漏极分别经偏置网络接入电源，各晶体管的源极接地，其中，所述输入级带宽带阻抗匹配网络为阶跃阻抗微带线匹配结构与增益补偿支路并联的电路结构，所述中间级宽带阻抗匹配网络为至少两个谐振频率单峰谐振响应不同的阶跃阻抗微带线匹配结构并联的电路结构。

2.根据权利要求1所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，所述增益补偿支路为一带有串联电容的四分之一波长高阻微带线。

3.根据权利要求2所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，所述阶跃阻抗微带线匹配结构为三节宽度不同的微带线，不同宽度微带线的阻值符合二项式分布规律。

4.根据权利要求3所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，所述偏置网络包括：一段四分之一工作波长的高阻抗微带线和旁路电容，所述高阻抗微带线的一端与旁路电容的一极相连接作为电源信号接入端，高阻抗微带线的另一端连接晶体管的漏极，旁路电容的另一极接地。

5.根据权利要求4所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，控制接入输入级晶体管漏极的偏置网络以使输入级晶体管工作于A类放大器模式，控制接入中间级晶体管的偏置网络以使中间级晶体管工作于A类放大器模式，控制接入输出级晶体管的偏置网络以使输出级晶体管工作于AB类放大器模式。

6.根据权利要求5所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，所述中间级功率分配网络、输出级功率分配网络分别为多级威尓金森功率分配器，所述功率合成网络为多级威尓金森功率合成器。

7.根据权利要求6所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，所述多级威尓金森功率分配器为基于T型节结构的多级功率分配器，所述多级威尓金森功率合成器为基于T型节结构的多级功率合成器。

8.根据权利要求7所述一种基于阶跃阻抗微带线的宽带射频功率放大器，其特征在于，所述基于T型节结构的多级功率分配器的第一节微带线为T型微带线结构。