CN215344511U - 基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2；每一级所述功率放大单元均包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块；每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管，M≥2，第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连；从输入至输出，各级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的PHEMT管的尺寸逐级递减。本实用新型提供使得基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器同时满足了带宽和输出功率上的需求，且芯片功耗小，可靠性能高。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路技术领域，特别涉及一种功率放大器。
背景技术
在发射机系统中，宽带功率放大器是系统中不可或缺的一部分，发射机的输出端口为功率放大器。功率放大器将混频器出来的小信号通过放大，达到适合天线长距离传输的信号强度，完成信号的传输。若功率放大器的输出功率不够，信号在输出路径上发生过大的衰减，信号链路将会中断，对用户的使用会有至关重要的影响。
同时随着技术的发展，发射机系统的工作频段在不断变宽，超宽带功率放大器的应用和实现越来越重要。
现有技术中基于GaAs PHEMT工艺的宽带功率放大器其结构一般如图1所示，包括N个依次级联的PHEMT管：PHEMT1、PHEMT2至PHEMTN，以及微带传输线Mline1、Mline2至MlineN。根据带宽和性能要求，设计选用相应的级数、管子尺寸和外围微带线尺寸，其中PHEMT1到PHEMTN通常会采用相同尺寸的PHEMT管。
然而，普通的分布式放大器在大功率和带宽之间不太容易达到共存，一般来说若需要高的带宽，会使用稍小的PHEMT管尺寸，但这又限制了放大器的输出功率。这一问题亟待能有更多、更灵活、更优的解决方案。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供了基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器。
技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种基于GaAs PHEMT 的超宽带分布式功率放大器，其包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2；
每一级所述功率放大单元均包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块；
每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管， M≥2，其中：第一个PHEMT管的源极接地；第一个PHEMT管的栅极与该级输入匹配网络的一端相连，该级输入匹配网络的另一端作为该级功率放大单元的第一端；第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极连接，2≤i≤M；第 M个PHEMT管的漏极作为该级功率放大单元的第二端；
第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连；
从输入端口至输出端口，各级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的 PHEMT管的尺寸逐级递减。
优选的，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第二端，与后一级功率放大单元的第二端通过漏极微带线相连。
优选的，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第一端，与后一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线相连。
优选的，第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连，第 N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。
优选的，同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的尺寸相同。
作为另外一种优选方案，同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各 PHEMT管的尺寸相近。
作为进一步优选的，所述输入匹配网络包括并联连接的电阻和电容。
优选的，还包括电容C0；电容C0的一端接地，另一端与输入端口连接。
作为进一步优选的，每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的第2至 M个PHEMT管的栅极端接射频接地网络。
作为进一步优选的，所述射频接地网络为电阻电容串联接地。
有益效果：相比现有技术，本实用新型提供的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，通过各级功率放大单元中的PHEMT管的尺寸逐级递减的结构构造，结合在各级功率放大单元中采用了包括若干PHEMT管的共源共栅晶体管模块，提高了分布式放大器的增益的同时，进一步提升了输出功率，使得基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器同时满足了带宽和输出功率上的需求。
同时，本实用新型提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器，可以集成在基于GaAs PHEMT工艺的射频前端发射系统中，形成单片发射系统，可以大大减小系统体积，且芯片功耗小，适于长期使用且可靠性能高。
附图说明
图1是现有技术中基于GaAs PHEMT工艺的宽带功率放大器的电路结构原理框图；
图2是实施例提供的其中一种基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器的电路结构原理框图；
图3是实施例提供的其中一种基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器在0.1-22GHz的小信号特性的仿真结果示意图；
图4是实施例提供的其中一种基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器在0.1-22GHz的输出功率(Psat)的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施列对本实用新型不构成限定。
本实施例提供的其中一种基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，如图2所示，其包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2。
每一级所述功率放大单元均包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块。
每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管， M≥2，其中(也即在同一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中，也可以说是在同一共源共栅晶体管模块中)：第一个PHEMT管的源极接地；第一个 PHEMT管的栅极与该级输入匹配网络(也即：同一级的输入匹配网络)的一端相连，该级输入匹配网络的另一端作为该级功率放大单元的第一端；第i个 PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极连接，2≤i≤M；第M个PHEMT管的漏极作为该级功率放大单元的第二端。
第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连。
从输入端口至输出端口，各级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的 PHEMT管的尺寸逐级递减。也即：各级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的PHEMT管的尺寸从输入端口至输出端口逐级递减。本实用新型在此结构构造下，可在前级管子提供高功率的同时，靠后级小尺寸的管子提供更宽的带宽。
在本实施例中，同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的尺寸相同。也即：同一共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的尺寸相同。
在本实施例中，各PHEMT管的栅极均连接有供电电源VGG。本实用新型中，如上所述的各个共源共栅晶体管模块中，第一个PHEMT管工作在共源状态，第2-M个PHEMT管工作在共栅状态。本实用新型通过将stack结构的共源共栅晶体管模块嵌入到分布式功率放大器中，可提高分布式放大器的增益，有效解决了分布式功率放大器增益过低的问题，同时提升了分布式功率放大器的输出功率。
在本实施例提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器中，如图2所示，每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块均包括3个的PHEMT 管，也即M＝3。同时，本实施例中提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器，在输入端口与输出端口之间共有7级依次级联的功率放大单元，也即N＝7。
具体的，如图2所示，第一级功率放大单元中包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块，第一级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中包括3个的 PHEMT管分别为：晶体管PHEMT11、晶体管PHEMT12和晶体管PHEMT13；第二级功率放大单元中包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块，第二级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中包括3个的PHEMT管分别为：晶体管 PHEMT21、晶体管PHEMT22和晶体管PHEMT23；以此类推，第N级功率放大单元中包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块，第N级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中包括3个的PHEMT管分别为：晶体管PHEMTN1、晶体管 PHEMTN2和晶体管PHEMTN3。
以第一级功率放大单元为例，第一个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11) 的源极接地；第一个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11)的栅极与该级的输入匹配网络的一端相连，该级的输入匹配网络的另一端作为该级功率放大单元的第一端(也即第一级功率放大单元的第一端)；其他第2至M个PHEMT管(也即晶体管PHEMT12和晶体管PHEMT13)的栅极端接射频接地网络；第2个PHEMT 管(也即晶体管PHEMT12)的源极与第1个PHEMT管(也即晶体管PHEMT11) 的漏极连接，第3个PHEMT管(也即晶体管PHEMT13)的源极与第2个PHEMT 管(也即晶体管PHEMT12)的漏极连接；第3个PHEMT管(也即晶体管PHEMT13) 的漏极作为该级功率放大单元的第二端(也即第一级功率放大单元的第二端)。各PHEMT管的栅极均连接有供电电源VGG。其他各级功率放大单元依次类推，不再赘述。
在某些实施例中，上述输入匹配网络包括并联连接的电阻和电容。信号从输入端口进来，通过电阻和电容的并联结构耦合进相应的PHEMT管，通过电容的耦合，可增加放大器带宽，增大输出功率，同时电阻的并联可以改善低频功率，同时给芯片提供更好的稳定性。
具体的，如图2所示，第一级功率放大单元中输入匹配网络包括并联连接的电阻R11和电容C11；第二级功率放大单元中输入匹配网络包括并联连接的电阻 R21和电容C21；以此类推……；第N级功率放大单元中输入匹配网络包括并联连接的电阻RN1和电容CN1。
在某些实施例中，每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的第2至M 个PHEMT管的栅极端接射频接地网络。在某些实施例中，所述射频接地网络为电阻电容串联接地。也可以说是：其中第2至M个PHEMT管的栅极通过串联连接的电阻电容接地。
具体的，如图2所示，第一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中，第2 个PHEMT管的栅极所端接的射频接地网络为电阻R12和电容C12串联接地，第3个PHEMT管的栅极所端接的射频接地网络为电阻R13和电容C13串联接地；第二级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中，第2个PHEMT管的栅极所端接的射频接地网络为电阻R22和电容C22串联接地，第3个PHEMT管的栅极所端接的射频接地网络为电阻R23和电容C23串联接地；以此类推……；第 N级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中，第2个PHEMT管的栅极所端接的射频接地网络为电阻RN2和电容CN2串联接地，第3个PHEMT管的栅极所端接的射频接地网络为电阻RN3和电容CN3串联接地。
本实用新型提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器中，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第二端，与后一级功率放大单元的第二端通过漏极微带线相连。最后一级也即第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。本实用新型提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器中，相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第一端，与后一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线相连。第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连。在这一结构构造下，实现输入端口与输出端口之间若干级功率放大单元的依次级联。
具体在本实施例中，如图2所示，第一级功率放大单元的第二端，与漏极微带线MlineA1的一端相连，漏极微带线MlineA1的另一端与第二级功率放大单元的第二端相连；第二级功率放大单元的第二端同时与漏极微带线MlineA2的一端相连，漏极微带线MlineA2的另一端与第三级功率放大单元(图中未示出) 的第二端相连；……其他各级功率放大单元中依次类推，不再赘述。第N-1级功率放大单元(图中未示出)的第二端与漏极微带线MlineAN-1的一端相连，漏极微带线MlineAN-1的另一端与最后一级功率放大单元(也即第N级功率放大单元)中的第二端相连；最后一级功率放大单元的第二端同时与漏极微带线MlineAN的一端相连，漏极微带线MlineAN的另一端与输出端口相连，从而实现第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。
同时，具体在本实施例中，如图2所示，第一级功率放大单元的第一端，与栅极微带线MlineB1的一端相连，栅极微带线MlineB1的另一端与输入端口相连，从而实现第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连。第一级功率放大单元的第一端同时与栅极微带线MlineB2的一端相连，栅极微带线MlineB2的另一端与第二级功率放大单元的第一端相连；第二级功率放大单元的第一端同时与栅极微带线MlineB3的一端相连，栅极微带线MlineB3的另一端与第三级功率放大单元(图中未示出)的第一端相连；……其他各级功率放大单元中依次类推，不再赘述。第N-1级功率放大单元(图中未示出)的第一端同时与栅极微带线MlineBN的一端相连，栅极微带线MlineBN的另一端与最后一级功率放大单元(也即第N级功率放大单元)中的第一端相连。
本实施例中，该基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器还包括电容C0；电容C0的一端接地，另一端与输入端口连接。
文中所述基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，亦可称为基于GaAs PHEMT工艺的超宽带功率放大器，或简称为超宽带分布式功率放大器。文中所述“/”表示或。文中所述PHEMT，亦可称为pHEMT。文中所述共源共栅晶体管模块，亦可称为晶体管模块。文中所述栅极微带线为微带线。文中所述漏极微带线亦为微带线。文中所述PHEMT管的尺寸，也即PHEMT管的栅宽。
本实施例提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器，可以集成在基于GaAs PHEMT工艺的射频前端发射系统中，形成单片发射系统。同时，本实施例提供的超宽带分布式功率放大器是基于0.25um GaAs PHEMT工艺制成的单片微波集成电路，尺寸可做到2000um*3150um，非常方便集成在系统中级联使用，可以大大减小系统体积，且芯片功耗小，便于使用且长期可靠性能高。
本实施例提供的超宽带分布式功率放大器可在0.1GHz-22GHz的超宽频段内实现2W(也即33dBm)的高输出功率；该超宽带分布式功率放大器在全频带内可以实现绝对稳定状态，不需要在芯片外部设计稳定性匹配电路；该超宽带分布式功率放大器的增益可达13dB以上；该超宽带分布式功率放大器在0.1GHz- 22GHz的频段内的输入驻波低于-10dB，输出驻波低于-14dB。
将上述实施例提供的超宽带分布式功率放大器(M＝3且N＝7)，可基于 0.25umGaAs PHEMT工艺制成单片微波集成电路，芯片尺寸为2000um*3150um，选用带宽0.1GHz-22GHz进行仿真测试：
图3本实施例提供的基于GaAs PHEMT工艺的超宽带分布式功率放大器的小信号特性的仿真结果示意图，也可以说是该功率放大器的增益特性、输入驻波特性和输出驻波特性的仿真结果示意图，其中：横坐标为频率(也即：工作频率)，单位是GHz；纵坐标为小信号SP值，单位是dB；图中Gain表示增益，S11为输入驻波，S22为输出驻波。
由图3可见，在0.1GHz-22GHz的频率范围内，该基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器的增益Gain可达13dB以上。
同时，由图3可见，在0.1GHz-22GHz的频率范围内，该基于GaAs PHEMT 的超宽带分布式功率放大器的输入驻波S11＜-10dB。
同时，由图3可见，在0.1GHz-22GHz的频率范围内，该基于GaAs PHEMT 的超宽带分布式功率放大器全频带的输出驻波S22＜-14dB。
图4是本实施例提供的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器在 0.1-22GHz的输出功率(Psat)仿真结果示意图。其中：横坐标为频率，单位是GHz；纵坐标为输出功率，单位是dBm。由图4可见，在0.1-19GHz的频率范围内，该超宽带分布式功率放大器的典型输出功率大于33dBm。同时由图4可见，19- 22GHz的频率范围内，该超宽带分布式功率放大器的典型输出功率为大于30dBm。
图3、4中横坐标对应的频率，为工作频率。
在某些实施例中，同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各PHEMT 管的尺寸相近，也即同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的尺寸略有不同，也可以说是同一共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的尺寸相近或略有不同。在这一结构构造下，可在保证功率放大器功率和增益不变的情况下，进一步减小芯片功耗。
在某些实施例中，同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各PHEMT 管(如第一级功率放大单元中的共源共栅晶体管模块中的晶体管PHEMT11、晶体管PHEMT12和晶体管PHEMT13)的Vds采取不平均分配的方式，也即同一共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的Vds不同，在这一结构构造下，可进一步提升该分布式功率放大器的输出功率。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出以上实施列对本实用新型不构成限定，相关工作人员在不偏离本实用新型技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：包括输入端口、输出端口、以及位于输入端口与输出端口之间依次级联的N级功率放大单元，N≥2；
每一级所述功率放大单元均包括输入匹配网络和共源共栅晶体管模块；
每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中均包括M个的PHEMT管，M≥2，其中：第一个PHEMT管的源极接地；第一个PHEMT管的栅极与该级输入匹配网络的一端相连，该级输入匹配网络的另一端作为该级功率放大单元的第一端；第i个PHEMT管的源极与第i-1个PHEMT管的漏极连接，2≤i≤M；第M个PHEMT管的漏极作为该级功率放大单元的第二端；
第一级功率放大单元的第一端与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端与输出端口相连；
从输入端口至输出端口，各级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的PHEMT管的尺寸逐级递减。
2.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第二端，与后一级功率放大单元的第二端通过漏极微带线相连。
3.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：相邻的两级功率放大单元中，前一级功率放大单元的第一端，与后一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线相连。
4.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：第一级功率放大单元的第一端通过栅极微带线与输入端口相连，第N级功率放大单元的第二端通过漏极微带线与输出端口相连。
5.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：同级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的各PHEMT管的尺寸相同或相近。
6.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：所述输入匹配网络包括并联连接的电阻和电容。
7.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：还包括电容C0；电容C0的一端接地，另一端与输入端口连接。
8.如权利要求1所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：每一级功率放大单元的共源共栅晶体管模块中的第2至M个PHEMT管的栅极端接射频接地网络。
9.如权利要求8所述的基于GaAs PHEMT的超宽带分布式功率放大器，其特征在于：所述射频接地网络为电阻电容串联接地。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 211100 9 Jiangning Road, Jiangning economic and Technological Development Zone, Nanjing, China Patentee after: Nanjing Milewei Microelectronics Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 211100 9 Jiangning Road, Jiangning economic and Technological Development Zone, Nanjing, China Patentee before: NANJING MILEWEI Corp. Country or region before: China |