CN1998135A - 行波放大器 - Google Patents

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CN1998135A CNA200580012609XA CN200580012609A CN1998135A CN 1998135 A CN1998135 A CN 1998135A CN A200580012609X A CNA200580012609X A CN A200580012609XA CN 200580012609 A CN200580012609 A CN 200580012609A CN 1998135 A CN1998135 A CN 1998135A
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Abstract

本发明涉及一种行波放大器，其具有两条电感性传输线(12，14)，多个放大器设备连接在它们之间。这两条传输线当中的至少一条(14)进一步包括多个延迟元件(50)，每个延迟元件被串联提供在相应的电感性元件对之间。所述延迟元件使得两条传输线中的脉冲传播速度相匹配，同时给阻抗值的选择留下了自由度，以便提供该放大器的输入和输出阻抗匹配。这样，即使当各个放大器设备具有不相等的输入和输出阻抗时，该放大器也能被配置成提供匹配的输入和输出阻抗以及匹配的传播速度。

Description

行波放大器
本发明涉及行波放大器。
行波放大器包括一连串放大设备，其中的每一个都具有输入和输出，所述一连串放大设备连接在两个电感器链之间。每个电感器链包括彼此串联的一连串电感。
输入电容与每个放大设备的输入相关联，并且相应的输出电容与每个放大设备的输出相关联。
所述放大设备的输入在电感器之间的连接点处耦合到一个电感器链，并且所述放大设备的输出同样在电感器之间的连接点处耦合到另一个电感器链。输入传输线由第一电感器链和与各放大设备相关联的输入电容来限定，输出传输线由第二电感器链和与各放大设备相关联的输出电容来限定。
对于每一对相继的放大设备，在所述放大器的操作频率范围内的每个频率下，沿着输入传输线与沿着输出传输线传播的电磁能量的相位延迟基本上相等。波沿着每条传输线传播，为了该放大器的正确操作，这些波需要以相同的速度传播。
行波(或分布式)放大器的概念是众所周知的，该放大器结构使用场效应晶体管(FET)作为放大设备，其被用于在一个较宽的频率范围内提供对微波信号的放大。这提供了将该行波放大器与其他RF电路集成在单个半导体基底上的可能性。
理想地，放大器配备有匹配的输入和输出阻抗。上述行波放大器的输入和输出阻抗依赖于各个放大设备的输入和输出电容。在FET的情况下，输入和输出电容不易被控制，并且通常来说，FET设计将不会导致行波放大器具有匹配的输入和输出阻抗。FET的漏极-源极(输出)电容通常小于栅极-源极(输入)电容。
对于所述放大器的给定的输入和输出特性，选择各传输线中的电感以便获得所需的相等的波传播速度，但是这样就没有留下同时获得输入和输出阻抗匹配的余地。
通过引入额外的电容性元件，可以使各个放大器的输入和输出电容相等，但是这样也引入了额外的复杂度并且降低了性能。
因此，需要在给电路带来最小的额外复杂度的情况下为行波放大器提供输入和输出阻抗匹配，同时给各个放大设备留有设计自由度并且保持在各传输线中的相等的传播速度。
根据本发明，提供了一种行波放大器，其包括：
第一传输线，其与该放大器的输入相关联，并且包括串联的第一多个电感性元件；
第二传输线，其与该放大器的输出相关联，并且包括串联的第二多个电感性元件；以及
多个放大器设备，它们连接在第一和第二传输线之间，
其中，第一和第二传输线当中的至少一条进一步包括多个延迟元件，每个延迟元件被串联提供在相应的电感性元件对之间。
被提供在其中一条传输线中的延迟元件使得两条传输线中的脉冲传播速度相匹配，同时给阻抗值的选择留下了自由度，以便提供该放大器的输入和输出阻抗匹配。这样，即使当各个放大器设备具有不相等的输入和输出阻抗时，该放大器也能够被配置成提供匹配的输入和输出阻抗以及匹配的传播速度。
每个放大器设备优选地包括场效应晶体管装置，其栅极连接到第一传输线，其漏极连接到第二传输线。这样使得各放大器组件的IC集成成为可能。每个场效应晶体管装置可以包括串联连接在第二传输线和公共端子之间的一个或多个场效应晶体管。
第二传输线与输出相关联，其优选地包括多个延迟元件。具体来说，各放大器设备输出连接到第二传输线，并且各FET的较低的输出电容导致第二传输线中的较高的传播速度。该较高的速度由所述延迟元件来补偿。
每个延迟元件可以包括集成电路延迟线，该集成电路延迟线被集成在各放大器设备的集成电路中。所述延迟线能够容易地以已知的方式被合并到IC设计中，并且具有很少的或者没有额外的制造复杂度或减产。
每个延迟元件可以具有依据每个放大器设备的输出电容和第二传输线中的各电感器元件的电感而选择的阻抗。该阻抗值被选择成提供输入和输出阻抗匹配。然而，每个延迟元件具有所选择的时间延迟，以便确保通过第一和第二传输线的传播速度相等。
输入16优选地被提供到第一传输线的一端，第一传输线的另一端通过第一端接电阻连接到公共电位。输出优选地从第二传输线的一端提供，第二传输线的另一端通过第二端接电阻连接到公共电位。这样限定了一种已知的结构。
每个延迟元件的阻抗大小优选地等于第二端接电阻的电阻。
现在参考附图详细描述本发明的一个实例，其中：
图1示出了已知的行波放大器；
图2示出了图1的放大器优于单级放大器的益处；
图3示出了在图1的电路中使用的其中一个放大器设备的等效电路以用于分析的目的；
图4示出了使用图3的等效电路的图1的电路，以便分析图1的电路的行为；
图5示出了本发明的行波放大器的一个实例；
图6示意性地示出了如何在集成电路中实施本发明；以及
图7示出了本发明的行波放大器的另一实例。
图1示出了已知的行波放大器，其包括提供在第一传输线12和第二传输线14之间的多个共射-共基单元10。
第一传输线12与该放大器的输入16相关联，并且包括串联的第一多个电感性元件。如图所示，在任何一对共射-共基单元之间的电感性元件都具有电感Lg，而第一个和最后一个电感性元件具有1/2Lg的电感。
第二传输线14与该放大器的输出18相关联，并且包括串联的第二多个电感性元件。如图所示，在任何一对共射-共基单元之间的电感性元件都具有电感Ld，而第一个和最后一个电感性元件具有1/2Ld的电感。
输入16被提供到第一传输线12的一个(输入)端点，第一传输线的另一个(输出)端点通过第一端接电阻Rg连接到公共电位。输出18从第二传输线14的输出端提供，第二传输线14的输入端通过第二端接电阻Rd连接到公共电位。所述端接电阻防止沿传输线的反射，并且所述公共电位通常是地。
在该实例中，每个放大器设备10被示出为两个串联的场效应晶体管，规定为共射-共基结构。其中一个场效应晶体管的栅极连接到第一传输线12，另一个场效应晶体管的漏极连接到第二传输线14。
图2示出了图1的放大器优于单级放大器的益处。曲线20示出了单级放大器的增益对频率的关系曲线，曲线22示出了所述行波放大器的增益对频率的关系曲线，其在相同的总栅极长度下具有比单级放大器更宽的带宽。
在描述本发明之前，提供对图1的电路的简化分析。出于该目的，图3示出了在图1的电路中所使用的其中一个放大器设备的简化的等效电路以用于分析的目的。
在图3中，每个放大器设备10被表示为具有输入(栅极-源极)电容Cin和输出(源极-漏极)电容Cout的压控电流源30。这种表示忽略了在放大器设备10内部的电阻，但是该模型对于说明本发明原理的分析而言已经足够了。
图4示出了使用图3的等效电路的图1的电路，以便分析图1的电路的行为。
两个波通过传输线传播，这些波被表示为对应于输出传输线14的“漏极波”和对应于输入传输线12的“栅极波”。
在输入16处施加电压脉冲，该电压脉冲沿传输线12向端接电阻Rg传播，该传输线12包括电感器Lg和输入电容Cin。
每次该脉冲到达放大器设备10的其中一个晶体管输入时，其向该放大器设备10的输出晶体管的漏极发射一个电流脉冲。该脉冲沿着包括电感器Ld和输出电容Cout的输出传输线14向输出18传播。
为了正确的信号放大，这两个波必须具有相同的速度。
在图1的电路中存在两个相互冲突的所希望的电路参数。其中一个是输入和输出阻抗的匹配，另一个是速度匹配。
阻抗匹配条件：
输入和输出阻抗由下式给出：
(Lg/Cin)-0.5＝Rg＝Rsource
(Ld/Cout)-0.5＝Rd＝Rload
为了阻抗匹配，要求Rg＝Rd。因此：
Lg/Cin＝Ld/Cout    …(1)
速度匹配条件：
沿两条传输线的传播时间由下式给出：
Tg＝(Lg×Cin)-0.5
Td＝(Ld×Cout)-0.5
为了速度匹配，要求Tg＝Td。因此：
Lg×Cin＝Ld×Cout    …(2)
上面的两个条件是相互矛盾的，并且只有当Cin＝Cout以及Ld＝Lg时才能得到满足。然而在放大器10的实际实现方式中，Cin与Cout不同，因此必须有一个折衷。典型地，Cin高于Cout。
在这种情况下，阻抗匹配条件(1)导致阻抗值Ld＜Lg。这又导致了关系式Ld*Cout＜Lg*Cin。
因此，将图1的电路设定成阻抗匹配条件导致在两条传输线中的传播速度不匹配。具体来说，漏极波的速度大于栅极波的速度。
根据本发明，第一和第二传输线的至少其中之一进一步包括多个延迟元件，每个延迟元件被串联提供在相应的电感性元件对之间。在阻抗匹配导致较大的漏极波速度的上述情况下，通过其传播漏极波的输出传输线14配备了多个延迟元件。
这种安排在图5中示出，延迟线形式的延迟元件被显示为元件50。
延迟元件50使得在两条传输线中的脉冲传播速度相匹配，同时给阻抗值的选择留下了自由度，以便提供放大器的输入和输出阻抗匹配。这样，即使当各个放大器设备10具有不相等的输入和输出阻抗时，该放大器也能被配置成提供匹配的输入和输出阻抗以及匹配的传播速度。
将延迟线阻抗与端接电阻Rd相匹配，并且把延迟线阻抗选择成满足阻抗匹配条件：
Zd＝Rd＝(Ld/Cout)-0.5    …(3)
因此，依据每个放大器设备10的输出电容和第二传输线中的各电感器元件的电感来选择每个延迟元件阻抗。
选择所述延迟线延时以便提供匹配的传播速度：
Td＝(Lg*Cin)-0.5-(Ld*Cout)-0.5    …(4)
对于具有所期望的阻抗的给定的延迟线设计，通过选择该延迟线的长度而改变该延时(通常，该延时随者延迟线长度的平方而变化)。
每个延迟元件可以包括集成电路延迟线，其被集成在所述放大器设备的集成电路中。所述延迟线能够容易地以已知的方式被合并到IC设计中，并且具有很小的或者设确额外的制造复杂度或者减产。
图6示意性地示出了如何在集成电路中实施本发明。延迟线50被显示为具有所期望的长度、宽度和材料的轨道部分，以便提供所期望的阻抗和延时。例如，所述阻抗可以被选择为50欧姆。
在上面的实例中，仅有输出传输线配备了延迟元件。然而，当操作频率很高时，例如大约150GHz，所需的电感器尺寸变得小于放大器电路10的宽度。图7示出了其中传输线12、14都配备了延迟元件的安排。在两条传输线中使用延迟元件能够伸展电路，并且防止放大器电路在区域52的物理重叠。如图7所示，输出传输线14具有延迟为Td1的延迟元件，输入传输线12具有延迟为Td2的延迟元件，这些延迟元件都具有相同的阻抗。
所需的有效延时由下式给出：
Td1-Td2＝(Lg*Cin)-0.5-(Ld*Cout)-0.5    …(5)
Td1和Td2的值因此能够被相应地选择。
本发明能被应用于所有已知的行波放大器的用途，特别是当需要宽带放大时。行波放大器被用于广播发射机和接收机、有线电视网络、宇宙通信和许多其他应用中。
本发明能在MMIC(单片微波IC)中实现，并且适用于高频下的电信号处理，例如与在光学通信系统中使用的高比特率相对应，例如10GB/s-40GB/s。
在上面的实例中，所述放大器设备被显示为双TFT共射-共基单元。然而，单一TFT也可以起到放大设备的作用。本发明还可以应用于真空管行波放大器，其被用于极高功率的放大。放大设备的其他设计也是可能的。
上面仅给出了两个详细的实例，但是行波放大器的其他电路结构也是可能的，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。本发明适用于其中提供了两条传输线的任何此类电路结构。根据本发明的延迟元件的使用实现了利用延迟元件来使传播速度相匹配，从而保持了其他电路参数的设计自由度，以便例如提供阻抗匹配。然而，该设计自由度可以用于其他目的，并且本发明不限于具有匹配的输入和输出阻抗的放大器。
本发明特别在所需的带宽上以改进的阻抗匹配实现了改进的增益。本发明还能改进放大器的稳定性因素。
各种其他修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
【国际局于2006年3月15日(15.03.2006)收到，以修改的权利要求1-14代替原始权利要求1-14项】
1、一种行波放大器，包括：
第一传输线(12)，其与该放大器的输入相关联，并且包括串联的第一多个电感性元件(Lg)；
第二传输线(14)，其与该放大器的输出相关联，并且包括串联的第二多个电感性元件(Ld)；以及
连接在第一和第二传输线之间的多个放大器设备(10)，每个放大器设备(10)连接在(i)和(ii)之间，其中(i)是第一传输线的相邻电感性元件之间的连接点，(ii)是第二传输线的相邻电感性元件之间的连接点，
其中，第一和第二传输线(12，14)当中的至少一条进一步包括多个延迟元件(50)，每个延迟元件被串联提供在相应的电感性元件对之间。
2、如权利要求1中所要求的放大器，其中，每个放大器设备(10)包括场效应晶体管装置，其栅极连接到第一传输线(12)，其漏极连接到第二传输线(14)。
3、如权利要求2中所要求的放大器，其中，每个场效应晶体管装置包括串联连接在第二传输线和公共端子之间的一个或多个场效应晶体管。
4、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，第二传输线(14)包括所述多个延迟元件(50)。
5、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，每个延迟元件(50)包括集成电路延迟线，其被集成在所述放大器设备(10)的集成电路中。
6、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，每个延迟元件(50)具有依据每个放大器设备(10)的输出电容和第二传输线(14)中的各电感器元件(Ld)的电感而选择的阻抗(Zd)。
7、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，每个延迟元件(50)具有延时(Td)，该延时被选择成确保通过第一和第二传输线(12，14)的传播速度相等。
8、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，所述输入被提供到第一传输线(12)的一端，第一传输线的另一端通过第一端接电阻(Rg)连接到公共电位。
9、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，所述输出从第二传输线(14)的一端提供，第二传输线的另一端通过第二端接电阻(Rd)连接到公共电位。
10、如权利要求9中所要求的放大器，其中，每个延迟元件的阻抗(Zd)的大小等于第二端接电阻(Rd)的电阻值。
11、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，通过第一和第二传输线(12，14)的传播速度基本上相等，并且该放大器的输入和输出阻抗基本上相等。
12、如权利要求11中所要求的放大器，其中，每个放大器设备的输入和输出电容不相等。
13、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，第一和第二传输线(12，14)各包括多个具有不同延迟值(Td2，Td1)的延迟元件(54，50)。
14、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其包括微波RF放大器。

Claims (14)

1、一种行波放大器包括：
第一传输线(12)，其与该放大器的输入相关联，并且包括串联的第一多个电感性元件(Lg)；
第二传输线(14)，其与该放大器的输出相关联，并且包括串联的第二多个电感性元件(Ld)；以及
连接在第一和第二传输线之间的多个放大器设备(10)，
其中，第一和第二传输线(12，14)当中的至少一条进一步包括多个延迟元件(50)，每个延迟元件被串联提供在相应的电感性元件对之间。
2、如权利要求1中所要求的放大器，其中，每个放大器设备(10)包括场效应晶体管装置，其栅极连接到第一传输线(12)，其漏极连接到第二传输线(14)。
3、如权利要求2中所要求的放大器，其中，每个场效应晶体管装置包括串联连接在第二传输线和公共端子之间的一个或多个场效应晶体管。
4、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，第二传输线(14)包括所述多个延迟元件(50)。
5、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，每个延迟元件(50)包括集成电路延迟线，其被集成在所述放大器设备(10)的集成电路中。
6、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，每个延迟元件(50)具有依据每个放大器设备(10)的输出电容和第二传输线(14)中的各电感器元件(Ld)的电感而选择的阻抗(Zd)。
7、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，每个延迟元件(50)具有延时(Td)，该延时被选择成确保通过第一和第二传输线(12，14)的传播速度相等。
8、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，所述输入被提供到第一传输线(12)的一端，第一传输线的另一端通过第一端接电阻(Rg)连接到公共电位。
9、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，所述输出从第二传输线(14)的一端提供，第二传输线的另一端通过第二端接电阻(Rd)连接到公共电位。
10、如权利要求9中所要求的放大器，其中，每个延迟元件的阻抗(Zd)的大小等于第二端接电阻(Rd)的电阻值。
11、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，通过第一和第二传输线(12，14)的传播速度基本上相等，并且该放大器的输入和输出阻抗基本上相等。
12、如权利要求11中所要求的放大器，其中，每个放大器设备的输入和输出电容不相等。
13、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其中，第一和第二传输线(12，14)各包括多个具有不同延迟值(Td2，Td1)的延迟元件(54，50)。
14、如任一前述权利要求中所要求的放大器，其包括微波RF放大器。
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