CN203851103U - X波段单片功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种X波段单片功率放大器，包括单芯片，单芯片上集成有输入匹配电路、功率分配电路、三级PHEMT管放大器、功率合成电路和输出匹配电路；输入匹配电路的输入端与单芯片的外部信号输入端RF-IN相连接，用于接入外部信号输入源；输入匹配电路的输出端与功率分配电路的输入端相连接，功率分配电路的输出端与三级PHEMT管放大器的输入端相连接；三级PHEMT管放大器的输出端与功率合成电路的输入端相连接；功率合成电路的输出端与输出匹配电路的输入端相连接；输出匹配电路的输出端与单芯片的外部输出端RF-OUT相连接。本实用新型的X波段单片功率放大器，具有能够提高宽带性能、实现了功率放大器的宽带高功率输出、可靠性好等优点。

Description

X波段单片功率放大器

技术领域

本实用新型涉及一种X波段单片功率放大器。

背景技术

功率放大器是雷达通信、卫星通信、微波通信等领域中高灵敏度发射与接收机中的关键部件，通过功率放大器实现信号的放大和功率的输出。

MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片微波集成电路）具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点，并可缩小的电子设备体积、减轻重量、降低价格，成为设计制造微波毫米波频段功率放大集成电路的最佳选择之一。采用MMIC工艺技术的X波段功率放大器在雷达、无线通信与微波成像等军民用途中有着广泛的应用。根据IEEE521-2002标准，X波段是指频率在8-12GHz的无线电波波段，在电磁波谱中属于微波。而在某些场合中，X波段的频率范围则为7-11.2GHz。通俗而言，X波段中的X即英语中的“extended”，表示“扩展的”调幅广播。

稳定性问题是功率放大器设计中的一个重点和难点，因为在较低频段内有很高的增益和噪声，容易引起低频振荡，从而使整个电路不能稳定工作。为了降低低频振荡提高稳定性，通常在多级放大器的级与级之间加入匹配电路，一般常采用阻容耦合电路的匹配结构形式，该耦合电路采用较小的电阻和电容即可使电路达到稳定，但其需占用较大的电路面积，且该匹配电路属于窄带结构，宽带性能较差，很难满足X波段功率放大器中对匹配电路的宽带特性要求，难以实现功率放大器的宽带高功率输出。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种X波段单片功率放大器，以提高宽带性能、实现功率放大器的宽带高功率输出。

本实用新型为解决技术问题采用以下技术方案。

X波段单片功率放大器，其结构特点是，包括单芯片，所述单芯片上集成有输入匹配电路、功率分配电路、三级PHEMT管放大器（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor，赝高电子迁移率晶体管）、功率合成电路和输出匹配电路；所述输入匹配电路的输入端与单芯片的外部信号输入端RF-IN相连接，用于接入外部信号输入源；所述输入匹配电路的输出端与所述功率分配电路的输入端相连接，所述功率分配电路的输出端与三级PHEMT管放大器的输入端相连接；所述三级PHEMT管放大器的输出端与所述功率合成电路的输入端相连接；所述所述功率合成电路的输出端与所述输出匹配电路的输入端相连接；所述输出匹配电路的输出端与单芯片的外部输出端RF-OUT相连接，用于输出放大后的信号。

本实用新型的X波段单片功率放大器的结构特点也在于：

所述三级PHEMT管放大器包括第一级PHEMT管放大器、第二级PHEMT管放大器、第三级PHEMT管放大器、第一中间级功率分配合成及匹配电路和第二中间级功率分配合成及匹配电路；所述第一级PHEMT管放大器的输入端与所述功率分配电路的输出端相连接，所述第一级PHEMT管放大器的输出端与所述第一中间级功率分配合成及匹配电路的输入端相连接；所述第一中间级功率分配合成及匹配电路的输出端与所述第二级PHEMT管放大器的输入端相连接，所述第二级PHEMT管放大器的输出端与第二中间级功率分配合成及匹配电路的输入端相连接；所述第二中间级功率分配合成及匹配电路的输出端与第三级PHEMT管放大器的输入端相连接，所述第三级PHEMT管放大器的输出端与所述功率合成电路的输入端相连接。

所述第一级PHEMT管放大器包括两个相互并联连接的PHEMT管和两个三级滤波电路；所述第二级PHEMT管放大器包括八个相互并联连接的PHEMT管和两个三级滤波电路；所述第三级PHEMT管放大器包括十六个相互并联连接的PHEMT管和两个三级滤波电路；所述PHEMT管的栅极和漏极通过三级滤波电路与直流供电端连接；PHEMT管为采用0.25um栅宽的赝电高电子迁移率晶体管PHEMT制作而成；

所述第一级PHEMT管放大器、第二级PHEMT管放大器和第三级PHEMT管放大器的相互并联的PHEMT管的栅极之间连接有电阻，漏极之间也连接有电阻。

所述电阻为用于降低和阻止奇模振荡的奇模电阻。

所述三级滤波电路为三级RC滤波电路。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型的X波段单片功率放大器，涉及微波毫米波集成电路设计、芯片制造与流片封装技术领域，特别涉及一种广泛应用于X波段各类有源雷达组件或相控阵雷达阵列以及微波通信系统中的单芯片功率放大器的设计与制作。本实用新型的X波段单片功率放大器，是在GaAs（砷化镓）基材上，采用0.25um栅宽的赝电高电子迁移率晶体管（PHEMT）工艺进行制造。X波段单片功率放大器由三级放大电路组成，第一级为小信号放大电路、第二级为驱动放大电路、第三级为功率放大电路，级间设有匹配电路，另输入端口与输出端口匹配至50欧姆。本实用新型专利采用0.25μm的T型栅工艺提供了较小的电阻和非常好的可靠性，具有输出功率高，效率高等优点，可降低芯片面积减小损耗，其单片尺寸为4.4mm×4.1mm，广泛的应用于X波段雷达与微波通信系统中。

本实用新型的X波段单片功率放大器，利用MMIC工艺制造，工作在X波段，具有能够提高宽带性能、实现了功率放大器的宽带高功率输出、可降低芯片面积减小损耗且可靠性好等优点。

附图说明

图1为本实用新型所提出的X波段单片功率放大器系统的整体框图。

图2为本实用新型所述X波段单片功率放大器的三级PHEMT管放大器的结构框图。

图1和图2中标记：1单芯片，2输入匹配与功率分配电路，3三级PHEMT管放大器，3-1第一级PHEMT管放大器，3-2第二级PHEMT管放大器，3-3第三级PHEMT管放大器，4输出匹配及功率合成电路，5PHEMT管，6三级RC滤波电路，7第一中间级功率分配合成及匹配电路，8奇模电阻，9第二中间级功率分配合成及匹配电路，10功率分配电路，11功率合成电路。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见附图1和图2，X波段单片功率放大器，其包括单芯片1，所述单芯片1上集成有输入匹配电路2、功率分配电路10、三级PHEMT管放大器3、功率合成电路11和输出匹配电路4；所述输入匹配电路2的输入端与单芯片1的外部信号输入端RF-IN相连接，用于接入外部信号输入源；所述输入匹配电路2的输出端与所述功率分配电路10的输入端相连接，所述功率分配电路10的输出端与三级PHEMT管放大器3的输入端相连接；所述三级PHEMT管放大器3的输出端与所述功率合成电路11的输入端相连接；所述所述功率合成电路11的输出端与所述输出匹配电路4的输入端相连接；所述输出匹配电路4的输出端与单芯片1的外部输出端RF-OUT相连接，用于输出放大后的信号。

所述三级PHEMT管放大器包括第一级PHEMT管放大器3-1、第二级PHEMT管放大器3-2、第三级PHEMT管放大器3-3、第一中间级功率分配合成及匹配电路7和第二中间级功率分配合成及匹配电路9；所述第一级PHEMT管放大器3-1的输入端与所述功率分配电路的输出端相连接，所述第一级PHEMT管放大器3-1的输出端与所述第一中间级功率分配合成及匹配电路7的输入端相连接；所述第一中间级功率分配合成及匹配电路7的输出端与所述第二级PHEMT管放大器3-2的输入端相连接，所述第二级PHEMT管放大器3-2的输出端与第二中间级功率分配合成及匹配电路9的输入端相连接；所述第二中间级功率分配合成及匹配电路9的输出端与第三级PHEMT管放大器3-3的输入端相连接，所述第三级PHEMT管放大器3-3的输出端与所述功率合成电路11的输入端相连接。

所述第一级PHEMT管放大器3-1包括两个相互并联连接的PHEMT管5和两个三级滤波电路6；所述第二级PHEMT管放大器3-2包括八个相互并联连接的PHEMT管5和两个三级滤波电路6；所述第三级PHEMT管放大器3-3包括十六个相互并联连接的PHEMT管5和两个三级滤波电路6；所述PHEMT管的栅极和漏极通过三级滤波电路与直流供电端连接；PHEMT管5为采用0.25um栅宽的赝电高电子迁移率晶体管PHEMT制作而成；

所述第一级PHEMT管放大器3-1、第二级PHEMT管放大器3-2和第三级PHEMT管放大器3-3的相互并联的PHEMT管5的栅极之间连接有电阻，漏极之间也连接有电阻。

所述电阻为用于降低和阻止奇模振荡的奇模电阻8。

所述三级滤波电路6为三级RC滤波电路。

本实用新型的X波段单片功率放大器，是一种在GaAs单基片上集成有三级PHEMT管放大电路，第一级PHEMT管放大器的输入端接有输入匹配电路与芯片的外部输入端相连，第三级PHEMT管放大器的输出端接有输出匹配电路与芯片的外部输出端相连，第一级与第二级、第二级与第三级PHEMT管放大器之间接有级间匹配电路。所述输入匹配电路与输出匹配电路均匹配于外接50欧姆阻抗，第一级PHEMT管放大器由两个并联PHEMT管组成，第二级PHEMT管放大器由八个并联PHEMT管组成，第三级PHEMT管放大器由十六个并联PHEMT管组成。各级放大电路分别包括多个PHEMT管、三级滤波电路。PHEMT管的栅极和漏极通过三级滤波电路与直流供电端连接。所述第一级、第二级、第三级PHEMT管放大器之间的匹配电路为一体化的两个中间级功率分配与合成以及匹配电路。所述三级PHEMT管放大器均采用0.25um栅宽的PHEMT管工艺在GaAs基材上进行MMIC（单片微波集成电路）制造。0.25um的T型栅提供了较小的电阻和非常好的可靠性，具有输出功率高，效率高等优点。

各级PHEMT管放大器采用不同数量的PHEMT管进行放大，第一级与第二级、第二级与第三级分别采用1:4和1:2的比例推动，级间配有功率分配与合成电路和匹配电路，降低芯片面积以减小损耗，实现芯片的高功率输出。

本实用新型所提供的X波段单片功率放大器，整晶圆的尺寸为6英寸，便于大批量生产，晶圆厚度为70um，芯片背面减薄并电镀热沉以改善器件热阻和烧结性能。在实际应用中与MMIC工艺完全兼容，单芯片中的三级PHEMT管放大电路，通过外围供电电路控制Vd和Vg的电压，各级PHEMT管的栅极和漏极供电均采用三级RC滤波电路，分别针对各频率进行逐级滤波，通过芯片外接电容可以有效抑制在X波段中的低频振荡，以确保芯片的全频段稳定工作。

本实用新型的X波段单片功率放大器，其工作频段为8～11GHz，全频段性能稳定，芯片尺寸为4.4mm×4.1mm，降低芯片面积减小损耗，实现高功率输出，可广泛应用于X波段各类有源雷达组件或相控阵雷达阵列以及微波通信系统等领域。

如附图1和附图2所示，本实用新型的单片功率放大器，在单芯片1上集成有输入匹配电路2，输入匹配电路2的输入端连接芯片外部信号输入源。功率分配电路的输出端按顺序依次串接三级PHEMT管放大器。输出匹配电路4后向外输出连接芯片外部信号输出端。所述三级PHEMT管放大器包括依次级联的第一级PHEMT管放大器3-1、第二级PHEMT管放大器3-2、第三级PHEMT管放大器3-3，第一级PHEMT管放大器3-1与第二级PHEMT管放大器3-2、第二级PHEMT管放大器3-2与第三级PHEMT管放大器3-3之间通过一体化的两个中间级功率分配合成与匹配电路进行级联，所述第一级PHEMT管放大器3-1、第二级PHEMT管放大器3-2、第三级PHEMT管放大器3-3分别包括PHEMT管5、三级RC滤波电路6，所述PHEMT管5的栅极和漏极分别通过三级RC滤波电路6与供电端连接，所述第一级PHEMT管放大器3-1包括两个PHEMT管5、第二级PHEMT管放大器3-2包括八个PHEMT管5、第三级PHEMT管放大器3-3包括十六个PHEMT管5，所述第一级PHEMT管放大器3-1、第二级PHEMT管放大器3-2、第三级PHEMT管放大器3-3中并联PHEMT管5的栅极与漏极之间均连接有奇模电阻8。

本实施例采用MMIC工艺制造，X波段单片功率放大器实际应用中与MMIC工艺完全兼容，单芯片中的三级PHEMT管放大器3，通过外围供电电路控制电压Vd、Vg，各级PHEMT管放大器的Vd1、Vd2、Vd3和Vg1、Vg2、Vg3供电均采用三级RC滤波电路6，分别对8～12GHz、3～10GHz、1～5GHz进行逐级滤波，再通过外接芯片外电容，提高X波段功率放大器的全频段稳定性和宽带性能。该芯片采用了三级PHEMT管放大器，各级PHEMT管放大器分别采用了两个、八个、十六个PHEMT管，且各PHEMT管直接连接有一体化功率分配合成与匹配电路，使得输出阻抗匹配与功率分配合成电路一体化实现，有效降低芯片面积以减小损耗，实现芯片的高功率输出。

本实施例可广泛应用于X波段各类有源雷达组件或相控阵雷达阵列以及微波通信系统等领域，其工作频带在8～11GHz内性能稳定，芯片尺寸为4.4mm×4.1mm。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.X波段单片功率放大器，其特征是，包括单芯片(1)，所述单芯片(1)上集成有输入匹配电路(2)、功率分配电路(10)、三级PHEMT管放大器(3)、功率合成电路(11)和输出匹配电路(4)；所述输入匹配电路(2)的输入端与单芯片(1)的外部信号输入端RF-IN相连接，用于接入外部信号输入源；所述输入匹配电路(2)的输出端与所述功率分配电路(10)的输入端相连接，所述功率分配电路(10)的输出端与三级PHEMT管放大器(3)的输入端相连接；所述三级PHEMT管放大器(3)的输出端与所述功率合成电路(11)的输入端相连接；所述所述功率合成电路(11)的输出端与所述输出匹配电路(4)的输入端相连接；所述输出匹配电路(4)的输出端与单芯片(1)的外部输出端RF-OUT相连接，用于输出放大后的信号； 

所述三级PHEMT管放大器均采用0.25um栅宽的PHEMT管工艺在GaAs基材上进行MMIC制造；芯片尺寸为4.4mm×4.1mm。 

2.根据权利要求1所述的X波段单片功率放大器，其特征是，所述三级PHEMT管放大器包括第一级PHEMT管放大器(3-1)、第二级PHEMT管放大器(3-2)、第三级PHEMT管放大器(3-3)、第一中间级功率分配合成及匹配电路(7)和第二中间级功率分配合成及匹配电路(9)；所述第一级PHEMT管放大器(3-1)的输入端与所述功率分配电路的输出端相连接，所述第一级PHEMT管放大器(3-1)的输出端与所述第一中间级功率分配合成及匹配电路(7)的输入端相连接；所述第一中间级功率分配合成及匹配电路(7)的输出端与所述第二级PHEMT管放大器(3-2)的输入端相连接，所述第二级PHEMT管放大器(3-2)的输出端与第二中间级功率分配合成及匹配电路(9)的输入端相连接；所述第二中间级功率分配合成及匹配电路(9)的输出端与第三级PHEMT管放大器(3-3)的输入端相连接，所述第三级PHEMT管放大器(3-3)的输出端与所述功率合成电路(11)的输入端相连接。 

3.根据权利要求2所述的X波段单片功率放大器，其特征是，所述第一级PHEMT管放大器(3-1)包括两个相互并联连接的PHEMT管(5)和两个三级滤波电路(6)；所述第二级PHEMT管放大器(3-2)包括八个相互并联连接的PHEMT管(5)和两个三级滤波电路(6)；所述第三级PHEMT管放大器(3-3)包括十六个相互并联连接的PHEMT管(5)和两个三级滤波电路(6)；所述PHEMT管的栅极和漏极通过三级滤波电路与直流供电端连接；PHEMT管(5)为采用0.25um栅宽的赝电高电子迁移率晶体管PHEMT制作而成； 

所述第一级PHEMT管放大器(3-1)、第二级PHEMT管放大器(3-2)和第三级PHEMT管放大器(3-3)的相互并联的PHEMT管(5)的栅极之间连接有电阻，漏极之间也连接有电阻。 

4.根据权利要求3所述的X波段单片功率放大器，其特征是，所述电阻为用于降低和 阻止奇模振荡的奇模电阻(8)。 

5.根据权利要求3所述的X波段单片功率放大器，其特征是，所述三级滤波电路(6)为三级RC滤波电路。