CN207442799U - 一种砷化镓多路功率合成放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种砷化镓多路功率合成放大器；放大器由五级共源级放大器级联构成，其中，输出级放大器使用八个50μm*4的晶体管进行功率合成，第四级使用与输出级相同尺寸及数量的晶体管，从第三级开始到输入级，晶体管的总宽度为输出级的一半，该放大器还包括输入级、中间级以及输出级前后的无源网络；输出级提高了功率放大器的输出功率和稳定性，第四级确保输出级的输出功率能够达到饱和，第二级与第三级通过减小单个晶体管宽度的方法减小晶体管总宽度，提高了功率放大器的增益，输入级放大器通过减少沟道数的方法减小晶体管总宽度，提高了输入环路的稳定性；各个无源网络同时具备直流供电、阻抗匹配和功率分配/合成的功能。

Description

一种砷化镓多路功率合成放大器

技术领域

本实用新型涉及在W波段大功率应用的砷化镓多路功率合成放大器，属于电子电路设计技术领域，特别适用于毫米波系统中功率放大器设计。

背景技术

近年来，无线通信技术发展迅速，尤其是毫米波通信技术。毫米波频段中，频带范围为75-110GHz的W波段具有以下优点：频率较高，带来了较宽的频带；同时由于频率较高，毫米波的波束较窄，所以具有极强的方向性，十分适合用于点对点通信；毫米波元件尺寸较小，有利于缩减芯片面积。基于以上这些优点，各种各样的毫米波芯片研制工作正在如火如荼的进行中。但是毫米波信号在大气中会严重衰减，为了使毫米波芯片能够正常工作，需要使用输出功率为27dBm左右的W波段放大器。

在W波段，因为频率较高，单级晶体管的增益较低。为了使整个功率放大器维持较高的增益，必须使用多级级联的功率合成结构；同时，单级晶体管的输出功率较低，需要在输出级进行多路功率合成，为了优化版图布局，节约面积，此处的多路功率合成网络与输出匹配网络同时设计。

在工艺方面，近年来基于氮化镓的毫米波功率放大器开始展现出其优良的性能，然而当前的氮化镓技术还不成熟，其价格较为高昂，稳定性存疑。除此之外，砷化镓工艺对于1-2W的低功率应用是一个具有吸引力的选择，其技术成熟，性价比较高。

近年来，随着毫米波通信技术和雷达技术的发展，对毫米波功率放大器的输出功率、增益的要求也越来越高。在本实用新型中，需要解决两个主要的技术难题。

首先是输出功率的问题。在相同的偏置下，单级晶体管的饱和输出功率与晶体管的总沟道宽度成正比，为了提升晶体管的饱和输出功率，需要增加晶体管的总沟道宽度。然而增加晶体管的宽度会导致增益降低，在W波段，由于工作频率较高，单级晶体管的最大增益较低，如果单级晶体管总宽度过大会导致增益太低。

其次是增益的问题。随着频率的升高，晶体管的S12呈上升趋势，而S21呈下降趋势，这导致晶体管的最大增益随频率上升而下降。晶体管的增益下降会导致整个功率放大器的效率下降。

实用新型内容

本实用新型提供了砷化镓多路功率合成放大器，解决了现有技术的不足，通过本实用新型设计的级联结构和功率合成结构，有效提高了功率放大器的增益以及饱和输出功率。

为实现上述实用新型目的，本申请提供了适用于W波段大功率应用的砷化镓多路功率合成放大器，所述的放大器包括输出级放大器、中间级放大器和输入级放大器，所述的输出级放大器由八路共源级放大器和八路功率合成器级联组成；所述的中间级放大器包括第四级共源级放大器、第三级共源级放大器和第二级共源级放大器，以及每一级共源级放大器电路前后的共四个级间匹配网络；所述的输入级放大器包括四路功率分配器和四路共源级放大器前后级联构成。

本申请的技术方案中设计一个片上功率合成器进行多路功率合成，使输出功率达到要求。为了使整个功率放大网络的效率得到保证，功率放大器需要具有较高的增益，本申请的技术方案使用多级晶体管级联。

其中，所述的输出级放大器电路中的八路共源放大器包括八个栅宽为50μm*4的晶体管，所述的八路功率合成器由漏极供电电路、一个双路功率合成器和两个四路功率合成器构成。

其中，所述的中间级电路中的三级共源级放大器包括第二级、第三级和第四级共源级放大器，所述的第四级共源级放大器包括八个栅宽为50μm*4的晶体管，第三级与第二级放大器各包括八个栅宽为50μm*2晶体管；所述的级间匹配网络分为独立的上四路部分和下四路部分，且上四路与下四路的相位差为180°。

其中，所述的输入级放大器中的四路共源级放大器包括四个栅宽为50μm*2的晶体管，所述的四路功率分配器由一个180°相位差双路功率分配器和两个同相双路功率分配器构成。180°相位差双路功率分配器将源负载50欧姆匹配至双路100欧姆，两个同相双路功率分配器将四路晶体管输入阻抗匹配至双路100欧姆，两部分匹配网络连接成为源负载为50欧姆的四路功率分配器。

进一步的，所述输出级八路功率合成器中的漏极供电电路通过四分之一波长传输线实现，通过旁路电容使传输线末端耦合到地；所述双路功率合成器使用二分之一波长传输线实现，将50欧姆负载匹配至双路100欧姆；所述的四路功率合成器将双路100欧姆匹配至四路共源级晶体管的最优负载。

进一步的，独立的半个级间匹配网络中的四分之一波长传输线用于前级晶体管的漏极供电，大电阻用于后级晶体管的栅极供电，匹配功能通过传输线与电容串联实现，级间隔直电容避免晶体管的栅极与漏极短接。

进一步的，所述的同相双路功率分配器进行晶体管输入匹配时不考虑功率分配，使用传输线，参考LC模型构建匹配网络，将四路晶体管输入阻抗匹配至四路200欧姆，上侧的双路与下侧双路分别并联，匹配至双路100欧姆。使用大电阻供电减小了供电网络对匹配网络的影响。

更进一步的，输出级功率合成器中的双路功率合成器与输入级中的180°相位差双路功率分配器结构相同，在输出级电路中将180°相位差双路功率分配器反向放置，使功率合成器补偿输入级功率分配器产生的相位差。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本实用新型相比于现有技术，其显著的效果在于：第一，通过本实用新型设计的级联结构和功率合成结构，有效提高了功率放大器的增益以及饱和输出功率；第二，由于将匹配网络与功率合成网络同时设计，芯片面积得到了较大节约，在达到较高增益的同时，保证了该功率放大器的稳定性；第三，在W波段内，该功率放大器的功率增益超过20dB，饱和输出功率大于27dBm。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1是五级级联八路合成功率放大器电路结构示意图；

图2是本实用新型输出级电路结构示意图；

图3是本实用新型输入级电路结构示意图；

图4是本实用新型中间级局部电路结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了砷化镓多路功率合成放大器，解决了现有技术的不足，通过本实用新型设计的级联结构和功率合成结构，有效提高了功率放大器的增益以及饱和输出功率。

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

采用本实用新型涉及的级联功率放大器结构的器件适用于各种电子器件和设备，包括但不限于，部分功率消耗产品，电子测试设备等等。电子器件包括光学网络电路或者其他通信网络，功率消耗产品包括移动通信终端、摄像机、照相机、数码相机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、复印机、传真机、扫描机、多功能外设等等。此外，电子器件还包括工业、医药和自动化设备等应用。

参考图1所示，本实用新型提供一种适用于W波段大功率应用的砷化镓多路功率合成放大器结构，以常规共源级放大器为基础，包含输出级放大器103、中间级放大器102以及输入级放大器101。

在该级联放大器网络中，包含多个共源级放大器，其使用的晶体管包含50μm*2和50μm*4两种尺寸。两种尺寸的晶体管栅宽相等，总宽度不同仅因为叉指数不同，因此小信号增益基本相等，饱和输出功率相差一倍。50μm*2的晶体管在W波段可以提供5dB以上的小信号增益，饱和输出功率约为16dBm；50μm*4的晶体管小信号增益大于5dB，饱和输出功率约为19dBm。本实用新型采用五级50μm晶体管级联，保证小信号增益大于20dB。各晶体管的具体尺寸依据输出级决定。

本实用新型的输出级放大器103由八路50μm*4晶体管构成的共源级放大器和八路功率合成网络组成，单路放大器饱和输出功率约为19dBm，进行八路功率合成后饱和输出功率约为27dBm。作为输出级的驱动级，第四级放大器使用的晶体管尺寸和数量与输出级相同，为八路50μm*4晶体管，拥有能将输出级驱动至饱和功率的能力。第三级为八路50μm*2晶体管，总宽度为第四级与输出级的一半，消耗的直流功率减小一半，提升整个功率放大器的效率。第二级与第三级相同，为八路50μm*2晶体管，避免驱动能力不足。输入级放大器为四路50μm*2晶体管，减小直流功率消耗，提升功率放大器效率。

本实用新型的八路功率合成网络兼具直流供电、阻抗匹配和功率合成的功能。在八路功率合成网络的两侧放置有四分之一波长传输线205，该传输线对直流呈现导通特性，对W波段信号呈现高阻抗特性，在为输出级晶体管提供直流电压的同时，防止W波段信号被接地。在四分之一波长传输线末端放置旁路电容206，使传输线末端耦合到地。除去直流供电部分，该功率合成网络通过将50欧姆负载匹配至八路晶体管所需的最优负载来实现功率合成。此处的设计分为一个双路功率合成器203和两个四路功率合成器202。其中双路功率合成器将50欧姆负载转化为双路100欧姆，为了减小损耗，双路中的一路使用二分之一波长传输线204，因此两路信号之间相位差为180°，为平衡相位差，输入级将该双路功率合成器301反向放置。四路功率合成器202将100欧姆负载转化至晶体管的最佳负载阻抗。上下对称的两个四路功率合成器与双路功率合成器连接，构成负载为50欧姆的八路功率合成器。

如前所述，本实用新型的输入级放大器包括四路50μm*2晶体管和四路功率分配器。该四路功率分配器由一个180°相位差双路功率分配器301与两个并联的同相双路功率分配器串联构成。其中180°相位差双路功率分配器与输出级的双路功率合成器203相同，此处将功率合成器反方向放置，使180°相位差双路功率分配器具有功率分配以及平衡相位的功能。两个同相双路功率分配器分别完成将双路晶体管输入阻抗匹配至100欧姆的功能。参考LC匹配网络模型，使用传输线匹配302，将晶体管输入阻抗匹配至200欧姆，双路并联获得100欧姆阻抗，再配合180°相位差双路功率分配器，构成源负载为50欧姆的四路功率分配器。由于晶体管栅极无直流电路，栅极的供电使用大电阻304实现。

本实用新型还包含输入级与第二级、第二级与第三级、第三级与第四级以及第四级与输出级放大器之间的共计四个级间匹配网络。在经过输入级功率分配网络之后，八路晶体管中上下四路之间的相位差为180°，因此，级间匹配网络分为上下两个部分。阻抗匹配通过传输线与电容串联完成404。四路级间匹配网络完成后，分别放置于上下四路总计八路晶体管之间。级间匹配网络兼具直流供电功能。使用四分之一波长传输线401对前级晶体管漏极进行供电，使用大电阻402对后级晶体管栅极进行供电，中间放置的电容403避免前级晶体管漏极与后级晶体管栅极短路。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：所述的放大器包括输出级放大器(103)、中间级放大器(102)和输入级放大器(101)，所述的输出级放大器(103)由八路共源级放大器(201)和八路功率合成器级联组成；所述的中间级放大器(102)包括第四级共源级放大器、第三级共源级放大器和第二级共源级放大器，以及每一级共源级放大器电路前后的级间匹配网络；所述的输入级放大器(101)包括四路功率分配器和四路共源级放大器(303)前后级联构成。

2.根据权利要求1所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：所述的输出级放大器(103)中的八路共源放大器包括八个栅宽为50μm*4的晶体管；所述的八路功率合成器由漏极供电电路、一个双路功率合成器(203)、两个四路功率合成器(202)构成，其中，八路共源放大器(201)与上下对称的两个四路功率合成器(202)分别连接，再与双路功率合成器(203)连接，两个四路功率合成器的两侧连接至漏极供电电路。

3.根据权利要求1所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：所述的中间级放大器(102)中的第四级共源级放大器包括八个栅宽为50μm*4的晶体管，第三级与第二级放大器各包括八个栅宽为50μm*2的晶体管；所述的级间匹配网络分为上四路部分和下四路部分，且上四路与下四路的相位差为180°。

4.根据权利要求1所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：所述的输入级放大器(101)中的四路共源级放大器包括四个栅宽为50μm*2的晶体管，所述的四路功率分配器由一个180°相位差双路功率分配器(301)和两个并联的同相双路功率分配器串联构成；180°相位差双路功率分配器(301)将源负载50欧姆匹配至双路100欧姆，两个同相双路功率分配器将四路晶体管输入阻抗匹配至双路100欧姆，两部分匹配网络连接成为源负载为50欧姆的四路功率分配器。

5.根据权利要求2所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：所述输出级八路功率合成器中的漏极供电电路通过四分之一波长传输线(205)实现，通过旁路电容(206)使传输线末端耦合到地；所述双路功率合成器使用二分之一波长传输线(204)，将50欧姆负载匹配至双路100欧姆；所述的四路功率合成器将双路100欧姆匹配至四路共源级晶体管的最优负载。

6.根据权利要求3所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：级间匹配网络中的上四路部分和下四路部分的四分之一波长传输线(401)用于前级晶体管的漏极供电，电阻(402)用于后级晶体管的栅极供电，匹配功能通过传输线与电容串联(404)实现，级间隔直电容(403)避免晶体管的栅极与漏极短接。

7.根据权利要求4所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：所述的同相双路功率分配器进行晶体管输入匹配时不考虑功率分配，使用传输线，参考LC模型构建匹配网络(302)，将四路晶体管输入阻抗匹配至四路200欧姆，上侧双路与下侧双路分别并联，匹配至双路100欧姆；使用电阻(304)供电减小供电网络对匹配网络的影响。

8.根据权利要求2所述的砷化镓多路功率合成放大器，其特征在于：输出级放大器(103)的功率合成器中的双路功率合成器(203)与输入级中的180°相位差双路功率分配器(301)结构相同，在输出级电路中将180°相位差双路功率分配器(301)反向放置，使双路功率合成器(203)补偿输入级功率分配器产生的相位差。