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Abstract

一种多单元放大器，包含第一分配器单元(40)，它用于接收放大器的输入信号并把该信号分割成2N个子信号并放大，以及在两路合成器中合成被放大信号以形成两个本地输出信号；两个另外的分配器单元(41，42)接收上述本地输出信号，把接收到的信号分割成4N个子信号并放大，以及将被放大的信号组合成三个本地输出信号；以及两个组合单元(43，44)，用于接收三个本地输出信号，并将其分割成4N个子信号并放大，以及组合放大的信号以提供放大器的输出信号。

Description

多单元放大器和可在其中使用的分配器/合成器
自从引入砷化钾(GaAs)半导体技术，以单片微波集成电路(MMIC)技术设计的多级功率放大器已经为人所知。为了获得预期的增益放大器级通常是级联的(即串联配置)或，为了获取功率增加，放大设备可以以并联方式联接。图1(a)给出了一个并联配置的放大器的例子。其中由2个FET构成的单元连接到由5个FET构成的更大的单元以形成2级放大器。输入功率被分割后馈送给FET11，组合这些FET的输出，然后再被分割以馈送给第2级FET12。后者的输出被组合以形成该放大器的输出。
上述方案中存在的一个问题是输入信号经历的是不同路径长度，尤其是关于第二级。因此，与内部FET相比较，外部FET12接收到一个延迟的输入信号13，这削弱了放大器的性能。
弥补该缺陷的方式是把输入的馈送分割成子群，如图1(b)所示。尽管这种技术至少在某种程度上解决了FET馈送间的不同相位延迟的问题，但现在向FET馈送的路径的长度接近FET的工作波长的事实意味着寄生谐振效应的产生，这又会通过在合成器元件的合成操作中产生的低效率而削弱放大器的性能。另外，寄生谐振使放大器不稳定。
图1(a)和(b)中所示的并联装置类型的另一个缺点在于限制了能以并联方式联接的FET个数。因为尽管放大器的跨导作为整体，与并联的FET个数成比例而增加，这是所预期的效果，但由于寄生输入和输出电容的增加，放大器增益带宽积却减少。
为了减少增益带宽积的恶化，应用了图2的分布式放大器配置(行波放大器)。在这种配置中，从沿门传输线31的分接头馈送一系列的FET30，这些分接头被传输线32的段隔开。FET的漏极输出连接到漏极传输线33的各个分接头上，所述各个分接头被传输线34的段隔开。从传输线33的末端35获得放大器的输出。传输线32的段都同样地加载晶体管的CGS，该晶体管有特殊的相位常数。当同样加载晶体管的CDS时，选择传输线33的段具有同样的特定相位常数。为了避免驻波，传输线31和32用50欧姆的电阻36为终端。
分布式放大器的方案克服了上述并联配置中存在的减少增益带宽积的问题，因为它增加了FET各自的gm’s而没有增加它们的输入和输出电容。然而，该方案有以下几个方面的缺点：
(a)RF电压沿门线31衰减，使得各个FET将不能在同一RF电压电平上被驱动。第一个FET首先达到饱和而最后的FET在电压的线性范围工作。
(b)从第一个FET输出的网络有最大的衰减，从而最大的输出功率明显降低。
(c)一个FET输出功率取决于输出端口负载匹配。在分布式放大器的设计中(见例如，Y.ayasli et al，Palmer et al，”Amonlithic GaAs 1-13 GHZ Travelling-WaveAmplifier”IEEE Trans.Microwave Theory Technology，Vol.MTT-30，pp，976-981，July1982)为了获取最大的增益只考虑到相位状态而忽略了负载与放大器的匹配。
与MMIC技术相关的一些已知功率分配和合成技术在“Power Splitting andcombing Techniques on MMIC”S.P.March，The GEC Journal ofTechnology，Vol.15.NO.1.1998.中描述。
根据本发明，提供一种多单元放大器，包括一个第一功率分配器单元(40)，用于接收放大器的输入信号，并将接收的输入信号分为第一组2N个子信号，将该第一组2N个子信号放大以及在两个N路功率合成器中合成被放大的第一组2N个子信号以形成第一本地输出信号和第二本地输出信号；两个另外的功率分配器单元(41，42)，用于接收上述第一本地输出信号和第二本地输出信号并将其分为第二组4N个子信号，将该第二组4N个子信号放大并合成被放大的该第二组4N个子信号以形成第三本地输出信号、第四本地输出信号、以及第五本地输出信号；以及两个功率合成器单元(43，44)，用于接收上述第三本地输出信号、第四本地输出信号、以及第五本地输出信号，并将其划分为第三组4N个子信号，将该第三组4N个子信号放大后，重新合成被放大的第三组4N个子信号信号，以提供放大器的输出信号。该发明的优选实现包含在从属权利要求中。
现在参考附图仅以举例方式说明本发明的实施例，其中：
图1(a)和(b)是众所周知的并联FET放大器装置的示意图。
图2是已知的分布式放大器装置的电路图。
图3是依据本发明的多单元放大器的电路图。
图4(a)、(b)和(C)为更加详细的描述图3中的三个组成部分的框图。
图5是以扩展的方式示出了图3所述的本发明的实施例。
图6是构成本发明所述实施例一部分的6路分配器/合成器的电路图。
图7是构成本发明所述实施例一部分的12路分配器/合成器的电路图。
图8和9是依据本发明的两个可选择实现的多单元放大器。
参照图3，根据本发明的多单元放大器包含3个分配器单元40、41、42和2个合成器合成器单元43、44。分配器单元采用图4(a)所示形式，包括一个具有相移1……n的2N路等功率分配器50，一组2N个FET 51、52和两个具有相移1……n的N路等功率合成器53、54。在使用时，输入信号功率在分配器50中被功率分配以提供一组N个等幅、1……n相移的输出给FET51，以及另外一组N个等幅、1……n相移的输出给FET52。FET以共源级模式工作，因此分配器的输入连接到FET的栅极，其源极接地。FET漏极连接到合成器53、54，以提供2个输出信号55、56。
合成器单元与此相似，但只包含一个合成器57(有2N个输入)和两个N路分配器58、59。在该情况下，两个输入信号进入分配器单元58，59，然后分配器产生2组N个输出信号馈送给各个FET单元栅极60、61的栅极。FET的输出(漏极)送到合成器57的输入，结果，这些输出组合成一个输出信号62。
在图3所述的优选实施方式中，2个分配器单元(U1)合并在一起，单元41的合成器54和单元42的合成器53也实现为一个单元。如图3示为阴影区域63的这种合并采用了图4(a)的2N合成器的形式。同样地，图3所示的2个合成器单元43、44被合并到一起，使得每个分配器59(单元43)和58(单元44)类似地实现为同一个单元，以形成图4中的2N分配器。图5显示了这种优选的配置方式，描绘了如下方案，即在每个单元中有相等数量FET，在该实施例中数量为6(N＝6)。
图6中显示了适合在图5中使用的一个6路分配器/合成器。在此，通过阻抗和长度参数(Zn，θn)是可变的传输线72，每个端口70耦合到负载传输线71，传输线71上的分接点73经LC串联组合连接到地，其中L和C也同样可变(L1……LN，C1……CN)。，串联的传输线71具有段ZN1，θN1……ZSN，θSN。该装置是6路分配器，输入信号通过传输线75进入端子74，并且端口70有6个输出，这些输出和相关的FET的栅极链接，优化参数ZN，θN，LN，CN和ZSN，θSN以适合功率分配和相位分布(θ1-θN)及匹配。在6路合成器的情况下，输入从相关FET漏极在端口70进入装置，并且经由传输线75从端子74获得输出，以及优化电路参数以适于功率组合和在分配器的情况下适合相位分配及匹配。
每个分配器合成器单元中的组合器/分配器的端口70相互之间具有近似相等的相位延迟差。如上述提到的那样，这些示为相位角θ1-θ6，并且在U1单元的合成器中相位延迟顺序和同一个单元的分配器中的相位延迟顺序相反。作必要的改动后可同样地应用到U2单元。
图7显示了2N(N＝6)分配器/合成器的实际实现。除了每个节点80通过各自的传输线82由另外的6个端口81进行馈送以外，其与图6的分配器/合成器是相似的。该电路是关于中心传输线对称的，即，和端口P1-P6相关的各个ZN，θN和与端口P7-P12的相关的ZN，θN是一样的。
当把组合网络用于馈送一个输出时(见，例如，图5中的网络100和101)，所示的组合网络被优化以适于FET的功率匹配；输入分配器网络(例如，图5中的网络102)被优化以适于FET的输入匹配和增益；一个级间网络(例如，图5中103-107任一个合成器)被优化以适于FET的负载匹配和增益。在分配器的情况下，需要Ls和Cs的值和传输线71，72的Z，θ参数的值与晶体管的输入阻抗相匹配。在合成器的情况下，需要Ls和Cs的值和传输线71，72的Z，θ参数的值与晶体管输出阻抗相匹配。
在各级的每个单元中FET的数量无须一样。因此，通常来说，附图3中所示的U1单元40中的每个单元中可以有K个FET，U1单元41和42中的每个单元中可以有L个FET，以及U2单元43和44中的每个单元中可以有M个FET。K，L，M可以完全不同或其中的两个也可以相同。K，L，M完全相同的情况已经进行了描述。当K，L，M不同时，其优选方式是按照升序排列，例如K＝4，L＝5，M＝6。
尽管在优选实施例(附图3和5)中，通过分别使用2N合成器和分配器，两个U1单元41和42在其内部接口(N路合成器)处合并，同样，两个U2单元43，44也在其内部接口(N路分配器)处合并，但也可以使各个成对的单元之间相互分开。该方案以两种不同的形式在附图8和9中示出。在附图8中内部N路合成器90的输出直接连接到N路分配器91的输入，合成器92和分配器93之间采用类似的不连续连接方式。另一方面，在附图9中，合成器90和92的输出连接在一起，象分配器91和93的输入一样，从而所形成公共的输出94和公共的输入95，通过线路96连接在一起。
虽然附图8和9配置是可能的，但是实践中它们并不理想，因为它们浪费了芯片的成本。
本发明的实施例如附图5，8，9所示，例如，生产一个放大器，该放大器是占用长宽比为1.5∶1数量级甚至更少的芯片基板。本发明人已经制作了比率为1∶1的实际设计。其与长宽比为5∶1的现有的设计方案(如附图1(b))不同。一个接近一致的长宽比率能产生具有固有的高度稳定性的单块集成电路结构，因此它能够被处理而不必担心其断裂。

Claims (13)

1.一种多单元放大器，包括一个第一功率分配器单元(40)，用于接收放大器的输入信号，并将接收的输入信号分为第一组2N个子信号，将该第一组2N个子信号放大以及在两个N路功率合成器中合成被放大的第一组2N个子信号以形成第一本地输出信号和第二本地输出信号；两个另外的功率分配器单元(41，42)，用于接收上述第一本地输出信号和第二本地输出信号并将其分为第二组4N个子信号，将该第二组4N个子信号放大并重新合成被放大的该第二组4N个子信号以形成第三本地输出信号、第四本地输出信号、以及第五本地输出信号；以及两个功率合成器单元(43，44)，用于接收上述第三本地输出信号、第四本地输出信号、以及第五本地输出信号，并将其划分为第三组4N个子信号，将该第三组4N个子信号放大并重新合成被放大的第三组4N个子信号，以提供放大器的输出信号。
2.一种多单元放大器，包括多个分配器单元和合成器单元，
每个分配器单元(U1)具有一个2N路分配器，用于将输入信号分成N个相移信号的第一组和第二组，N个放大装置的第一单元和N个放大装置的第二单元，连接成接收各个第一和第二相移信号组，并且提供相应放大的第一和第二相移信号组，以及第一和第二N路合成器，连接成接收相应的放大相移信号组，该N路合成器的输出形成分配器单元的第一和第二输出，每个合成器所引入的相移是分配器所引入的相移的倒置，以及
每个合成器单元(U2)包括第一和第二N路分配器，用于将相应输入信号分成第三组和第四组N个相移信号，N个放大装置的第三单元和N个放大装置的第四单元，连接成接收相应第三和第四相移信号组，并提供相应放大的第三和第四相移信号组，以及2N路合成器，用于将2N个放大相移信号合并成一个输出信号，这是所述合成器单元的输出信号，由合成器所引入的相移是每个分配器所引入的相移的倒置，
所述放大器包括：
-用于接收放大器输入信号的第一分配器单元；
-连接到第一分配器单元相应输出的第二和第三分配器单元；
-第一合成器单元，其输入连接到第二分配器单元的相应输出；
-第二合成器单元，其输入连接到第三分配器单元的相应输出；
合并第一和第二合成器单元的输出形成放大器的输出。
3.如权利要求2所述的放大器，其中所述的第二分配器单元的输出和第三分配器单元的输出合并，以形成一个公共输出，以及第一合成器单元的输入和第二合成器单元的输入合并成一个公共输入，将公共的输出连接到公共的输入。
4.如权利要求3所述的放大器，其中所述公共的输出是一个2N路合成器的输出，该2N路合成器在第二分配器单元中提供N路合成器的功能，在第三分配器单元中提供N路合成器的功能，以及其中所述的公共输入是一个2N路分配器的输入，该2N路分配器在第一合成器单元中提供N路分配器的功能，在第二合成器单元中提供N路分配器的功能。
5.如权利要求4所述的放大器，其中在第一分配器单元中的数字N对应于K个单元，在第二和第三分配器单元中的数字N对应于L个单元，以及在第一和第二合成器单元中的数字N对应于M个单元。
6.如权利要求5所述的放大器，其中K，L，M是不同的，并且是按照升序排列的。
7.如权利要求5所述的放大器，其中所有单元中的数字N都是相同的。
8.如上述任何一项权利要求中所述的放大器，其中所述放大装置是以共源极模式连接的FET。
9.如权利要求1-7任一项所述的放大器，其中所述放大器是位于具有长宽比小于1.5∶1的基板上的单片放大器。
10.如权利要求1-7任一项所述的放大器，其中所述的各个分配器和合成器中的相位移是相等的。
11.如权利要求2-7中任一项所述的放大器，其中所述分配器和合成器是由一个N路功率分配器/合成器构成，该N路功率分配器/合成器包括：第一传输线，其具有多个段(ZS0，θS0……ZSN-1，θSN-1)，第一传输线的一端构成用于分配器/合成器的分配器输入/合成器输出；具有第一和第二端的多个另外的传输线(Z1，θ1……ZN，θN)，其第一端连接到沿第一传输线各对段之间的相应分接点，并且其第二端形成分配器/合成器的分配器输出端口/合成器输入端口；以及多个串联的LC网络(L1，C1……LN，CN)，其具有第一和第二端，第一端连接到上述相应的分接点，第二端连接到电压参考点。
12.如权利要求2-7中任一项所述的放大器，其中所述分配器和合成器是由N路功率分配器/合成器构成，该N路功率分配器/合成器包括：第一传输线，其具有多个段(ZS0，θS0……ZSN-1，θSN-1)，第一传输线的一端构成用于分配器/合成器的分配器输入/合成器输出；具有第一和第二端的多个另外的传输线(Z1，θ1……ZN，θN)，其第一端连接到沿第一传输线各对段之间的相应分接点，并且其第二端形成分配器/合成器的分配器输出端口/合成器输入端口；以及多个串联的LC网络(L1，C1……LN，CN)，其具有第一和第二端，第一端连接到上述相应的分接点，第二端连接到电压参考点，其中，选择第一传输线的段的参数值，和另外的传输线的参数值，以及LC值，以在相邻端口处的信号间提供相等的相位差和在该端口提供相等的信号振幅。
13.如权利要求2-7中任一项所述的放大器，其中所述分配器和合成器是由N路功率分配器/合成器构成，该N路功率分配器/合成器包括：第一传输线，其具有多个段(ZS0，θS0……ZSN-1，θSN-1)，第一传输线的一端构成用于分配器/合成器的分配器输入/合成器输出；具有第一和第二端的多个另外的传输线(Z1，θ1……ZN，θN)，其第一端连接到沿第一传输线各对段之间的相应分接点，并且其第二端形成分配器/合成器的分配器输出端口/合成器输入端口；以及多个串联的LC网络(L1，C1……LN，CN)，其具有第一和第二端，第一端连接到上述相应的分接点，第二端连接到电压参考点，并且包括具有第一和第二端的另外的多个另外的传输线(Z1，θ1……ZN-1，θN-1)，第一端连接到沿第一传输线各对段之间的相应分接点，以及第二端形成另外多个分配器输出端口/合成器输入端口，上述的另外的多个另外的传输线的参数值等于另外的传输线的对应的参数值。
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20070530

Termination date: 20090806