CN221103310U - 一种低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，包括四路单胞电路、输入合成网络、栅极偏置网络、输出合成网络和漏极偏置网络，四路单胞电路并联连接；单胞电路的一端与输入合成网络和栅极偏置网络连接，另一端与输出合成网络和漏极偏置网络连接；每个单胞电路包括GaN功率管芯、输入LC匹配网络、输出LC匹配网络；GaN功率管芯输入端口与输入合成网络、栅极偏置网络连接，输入合成网络与输入端连接；GaN功率管芯输出端口与输出合成网络、漏极偏置网络连接，所述输出合成网络与输出端连接；微波信号由输入端进入GaN功率管芯放大信号后由输出端输出大功率信号。本实用新型能提高GaN HEMT器件的线性指标。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波功率放大器，尤其涉及一种低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管。
背景技术
微波功率放大器作为无线通信系统中最重要的有源模块，对整个系统的性能有着非常重要的影响，其性能的好坏直接影响着系统的通信质量。为了进一步提高通信质量，微波功率放大器面临着越来越高的线性度的挑战，高线性化技术成为射频功率放大器的关键技术。
微波功率放大器的芯片是制作功率放大器的核心材料，此芯片的性能直接影响功率放大器的性能。第一代半导体硅(Si)以及相关的集成电路导致了现代产业革命的出现，深刻地影响着现代社会生活的许多方面，在Si之后，第二代半导体砷化镓(GaAs)等化合物半导体材料由于其具有更高电子迁移率、极易产生异质结等优点，其器件和集成电路在通信等领域起着相当重要的作用。随着无线通信设备对半导体器件小型化、低成本、高性能等要求的不断提高，促进了基于新型半导体材料的新功率型器件的发展，同时也给功率器件的线性化提供更多选择。上世纪末期，宽禁带半导体材料(第三代半导体氮化镓(GaN))由于具有禁带宽度宽、电子饱和速度高、热导率高等优点，成为了高频大功率器件和系统的研究热点。因此，随着新功率放大器的芯片材料和新器件的不断出现，给功率放大模块的线性化提升，必将提供更广泛的选择空间。
无线通信的发展离不开电子技术的进步，现代无线通信系统的发展向着高容量、高数据传输速率和高可靠性等方向发展，系统的线性要求越来越高，系统的体积却越来越小，这对系统中元器件的线性度和小型化提出了更高的要求。为了提高通信系统的线性度，最常用的方法是功率回退技术：用输出功率大的放大器降低其输出功率，使功率放大器工作在线性区，远离饱和状态，消耗较大直流功耗提高功率放大器的线性度。该方法设计简单且易于实现，但是由于远离饱和点，效率低；传统内匹配功率管输入输出偏置电路制作在功率管的外部，占用较大的面积，不利于功放模块的小型化。
实用新型内容
实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种在不损失效率的情况下提升线性内匹配功率管的三阶交调指标，降低器件工作时直流热耗的低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管。
技术方案：本实用新型的高线性GaN内匹配功率管，包括四路单胞电路、输入合成网络、栅极偏置网络、输出合成网络和漏极偏置网络，四路单胞电路并联连接；单胞电路的一端与输入合成网络和栅极偏置网络连接，另一端与输出合成网络和漏极偏置网络连接；
每个单胞电路包括GaN功率管芯、输入LC匹配网络、输出LC匹配网络；
GaN功率管芯输入端口与输入LC匹配网络连接，输入LC匹配网络经第二级输入匹配电感分别与输入合成网络、栅极偏置网络连接，所述输入合成网络与输入端连接；
GaN功率管芯输出端口与输出LC匹配网络，输出LC匹配网络经第二级输出匹配电感分别与输出合成网络、漏极偏置网络连接，所述输出合成网络与输出端连接；
微波信号由输入端进入GaN功率管芯，GaN功率管芯放大信号后由输出端输出大功率信号。
进一步，所述输入LC匹配网络包括第一级输入匹配电感和第一输入单层陶瓷电容，所述GaN功率管芯栅极与第一级输入匹配电感连接；所述第一输入单层陶瓷电容一端与第一级输入匹配电感连接，另一端接地；
所述输出LC匹配网络包括第一级输出匹配电感和第一输出单层陶瓷电容，所述GaN功率管芯漏极与第一级输出匹配电感连接；所述第一输出单层陶瓷电容一端与第一级输出匹配电感连接，另一端接地。
进一步，所述输入合成网络制作在陶瓷基板上，由输入隔离电阻、输入稳定电阻和输入阻抗变换电路组成；输入隔离电阻与输入阻抗变换电路并联连接，各单胞电路输入端之间分别通过一个输入隔离电阻连接；栅极偏置网络通过输入稳定电阻与第二级输入匹配电感连接；所述输入阻抗变换电路与输入端。
进一步，所述输出合成网络制作在陶瓷基板上，由输出隔离电阻和输出阻抗变换电路组成；输出隔离电阻与输出阻抗变换电路并联连接，各单胞电路输出端之间分别通过一个输出隔离电阻连接；所述输出阻抗变换电路与输出端连接。
进一步，所述第一级输入匹配电感、第二级输入匹配电感、第一级输出匹配电感、第二级输出匹配电感分别为金丝。
本实用新型的有益效果如下：
1、本实用新型中将偏置网络的电感L和内配功率管输入输出合成网络制作在同一个陶瓷基板上，其电感体积小、制作精度高；电容C采用单层陶瓷电容，其可靠性高、体积小；通过优化电感L和电容C的值控制器件电压、电流波形，抑制器件工作时候产生的谐波分量，在不损失器件效率的情况下提升线性功率管的三阶交调(IM3)指标；
2、本实用新型中偏置网络起到馈电电路的作用，不需要外部额外增加馈电电路，降低了整个系统的面积，这样既能够抑制谐波分量，达到提高线性功率管线性指标的作用，又实现了系统的小型化。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理简图；
图2为本实用新型的单胞电路板示意图；
图3为本实用新型的输入阻抗变换电路和输出阻抗变换电路原理图；
图4为本实用新型的电路板示意图；
图5为本实用新型的三阶交调指标测试结果图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做详细说明。
本发明为一种低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，其拓扑结构示意图如图1所示，高线性GaN内匹配功率管采用四胞合成输出。四个GaN功率管芯101输入端口由金丝连接输入匹配电容102，输入匹配电容由陶瓷基板制作；输入匹配电容102由金丝分别与输入合成网络电路103、输入栅极偏置网络104连接；输入合成网络电路103制作在陶瓷基板上，由隔离电阻Rin2、稳定电阻Rin1和输入阻抗变换电路组成；输入合成网络电路103由金丝和管壳输入端108连接。GaN功率管芯101输出端口连接方式与输入端相似，GaN功率管芯101由金丝连接输出匹配电容105，输出匹配电容由陶瓷基板制作；输出匹配电容105由金丝分别与输出合成网络电路106、输出漏极偏置网络107连接；输出合成网络106制作在陶瓷基板上，由隔离电阻Rout和输出阻抗变换电路组成；输出合成网络电路106由金丝和管壳输出端109连接。微波信号由管壳输入端108进入功率管，由GaN功率管芯101放大信号后由管壳输出端109输出大功率信号。
如图1所示的单胞电路原理图，其中，输入匹配网络采用分布式谐振匹配网络进行匹配，第一级输入匹配电感Lin1由金丝替代，第一级输入匹配电感Lin1与GaN功率管芯101栅极相连，然后并联第一输入单层陶瓷电容Cin1，形成输入LC匹配网络102；接着通过串联第二级输入匹配电感Lin2(金丝替代)，连接到制作在氧化铝陶瓷基板上的输入合成网络103(MSa-IN)；输入栅极偏置网络104中的第三级输入匹配电感Lin3制作在输入合成网络103上，通过第二级输入匹配电感Lin2与GaN功率管芯101栅极相连，然后并联第二输入单层陶瓷电容Cin2和第三输入单层陶瓷电容Cin3，第二输入单层陶瓷电容Cin2和第三输入单层陶瓷电容Cin3分别接地，通过优化第三级输入匹配电感Lin3、第二输入单层陶瓷电容Cin2和第三输入单层陶瓷电容Cin3的参数值控制谐波分量。
输出LC匹配网络105与输入LC匹配网络102的匹配方式类似，第一级输出匹配电感Lout1由金丝替代，第一级输出匹配电感Lout1与GaN功率管芯101漏极相连，然后并联第一输出单层陶瓷电容Cout1，形成输出LC匹配网络；接着通过串联第二级输出匹配电感Lout2(金丝替代)，连接到制作在氧化铝陶瓷基板上的输出合成网络106(MSa-OUT)；输出漏极偏置网络107中的第三级输出匹配电感Lout3制作在输出合成网络106上，通过第二级输出匹配电感Lout2与GaN功率管芯101漏极相连，然后并联第二输出单层陶瓷电容Cout2和第三输出单层陶瓷电容Cout3，第二输出单层陶瓷电容Cout2和第三输出单层陶瓷电容Cout3分别接地。本实施例的高线性GaN内匹配功率管单胞电路原理图如图2所示。
如图3所示，输入合成网络103制作在陶瓷基板上，由输入隔离电阻Rin2、输入稳定电阻Rin1和输入阻抗变换电路111组成；输入隔离电阻Rin2与输入阻抗变换电路111并联连接，各单胞电路输入端之间分别通过一个输入隔离电阻Rin2连接；栅极偏置网络104通过输入稳定电阻Rin1与第二级输入匹配电感Lin2连接，输入阻抗变换电路111与管壳输入端108连接。输出合成网络106制作在陶瓷基板上，由输出隔离电阻Rout和输出阻抗变换电路112组成；输出隔离电阻Rout与输出阻抗变换电路112并联连接，各单胞电路输出端之间分别通过一个输出隔离电阻Rout连接，输出阻抗变换电路112与管壳输出端109连接。
高线性GaN内匹配功率管采用四胞合成输出，整个电路封装在一个管壳中，如图4所示。在四胞GaN HEMT管芯栅极附近通过分布第三级输入匹配电感Lin3、第一输入电阻Rin1、第二输入电容Cin2、第三输入电容Cin3形成输入栅极偏置网络104，该输入栅极偏置网络104同时起到谐波控制电路的作用。通过优化第三级输入匹配电感Lin3、第二输入单层陶瓷电容电容Cin2和第三输入单层陶瓷电容电容Cin3的参数值使得在基波频带内形成谐振。同理，在四胞GaN HEMT管芯漏极附近通过分布第三级输出匹配电感Lout3、第二输出单层陶瓷电容Cout2、第三输出单层陶瓷电容Cout3形成输出漏极偏置网络107，该电路同时亦起到谐波控制谐振电路的作用，通过优化第三级输出匹配电感Lout3、第二输出单层陶瓷电容Cin2和第三输出单层陶瓷电容Cin3的参数值使得在基波频带内形成谐振。
输入合成网络103中有两个对称的栅极偏置网络104并联接地，输出合成网络106中也有两个对称的漏极偏置网络107接地，两偏置网络中的电感、电容串联谐振构成谐波控制网络。两偏置网络并联接地构成的谐波控制网络的谐振频点为二次谐波。
两偏置网络并联接地中电感采用微带线实现，其电长度为四分之一波长，电容采用高介电常数瓷介质电容。
两偏置网络并联接地，该偏置网络是一种内部馈电结构。栅极偏置网络中的谐振电感采用四分之一波长微带线替代，电阻采用薄膜电阻制作；漏极偏置网络中谐振电感采用四分之一波长微带线替代，该结构能有效减小馈电网络的电路面积，实现功率放大器的小型化。
两偏置网络并联接地，在非恒定包络输入信号情况下，包络频率的变动会导致偏置网络阻抗的变动，因此内匹配功率管线性指标也将会随包络频率信号的阻抗响应变化而变化。在本发明的内匹配功率管设计中，输入LC匹配网络和输出LC匹配网络都是在基波频率下进行设计的，用来与输入输出终端进行匹配。但是，若输入LC匹配网络和输出LC匹配网络对高阶谐波(如二阶倍频信号)未能完全滤波或未能匹配，那么这些非线性产生的二次谐波就会由于不匹配产生反射，并且与基波信号在有源器件内产生二次调制，对三阶交调(IM3)再次产生贡献。当选择合适的电感和电容时，可以有效抑制内匹配功率管的谐波分量，消除谐波对三阶交调(IM3)产生的贡献，从而提升内匹配功率管线性指标，本实用新型可以用于不同频段内匹配功率管的偏置网路设计，例如P、L、S、C、X、Ku等频段。
进一步，输入输出均采用两个对称的栅极偏置网路并联接地能提高功率管的线性指标，亦可以采用四个对称的栅极偏置网路并联接地。
进一步，输入合成网络103和输出合成网络106采用相对介电常数为9.9的氧化铝陶瓷制作，输入输出匹配电容采用高介电常数(介电常数85)陶瓷制作，输入输出匹配电感采用金丝替代。
图5是应用本实用新型技术实现的高线性内匹配功率管的测试结果。结果表明在4.4～5.0GHz频率范围内，与未使用本实用新型技术的普通内匹配功率管相比，应用本实用新型技术的内匹配功率管在相同输出功率情况下(输出功率回退6dB，频率间隔10MHz)，三阶交调(IM3)指标提升12dBc。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，其特征在于，包括四路单胞电路、输入合成网络(103)、栅极偏置网络(104)、输出合成网络(106)和漏极偏置网络(107)，四路单胞电路并联连接；单胞电路的一端与输入合成网络(103)和栅极偏置网络(104)连接，另一端与输出合成网络(106)和漏极偏置网络(107)连接；
每个单胞电路包括GaN功率管芯(101)、输入LC匹配网络(102)、输出LC匹配网络(105)；
GaN功率管芯(101)输入端口与输入LC匹配网络(102)连接，输入LC匹配网络(102)经第二级输入匹配电感(Lin2)分别与输入合成网络(103)、栅极偏置网络(104)连接，所述输入合成网络(103)与输入端(108)连接；
GaN功率管芯(101)输出端口与输出LC匹配网络(105)，输出LC匹配网络(105)经第二级输出匹配电感(Lout2)分别与输出合成网络(106)、漏极偏置网络(107)连接，所述输出合成网络(106)与输出端(109)连接；
微波信号由输入端(108)进入GaN功率管芯(101)，GaN功率管芯(101)放大信号后由输出端(109)输出大功率信号。
2.根据权利要求1所述低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，其特征在于，所述输入LC匹配网络(102)包括第一级输入匹配电感(Lin1)和第一输入单层陶瓷电容(Cin1)，所述GaN功率管芯(101)栅极与第一级输入匹配电感(Lin1)连接；所述第一输入单层陶瓷电容(Cin1)一端与第一级输入匹配电感(Lin1)连接，另一端接地；
所述输出LC匹配网络(105)包括第一级输出匹配电感(Lout1)和第一输出单层陶瓷电容(Cout1)，所述GaN功率管芯(101)漏极与第一级输出匹配电感(Lout1)连接；所述第一输出单层陶瓷电容(Cout1)一端与第一级输出匹配电感(Lout1)连接，另一端接地。
3.根据权利要求2所述低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，其特征在于，所述输入合成网络(103)制作在陶瓷基板上，由输入隔离电阻(Rin2)、输入稳定电阻(Rin1)和输入阻抗变换电路(111)组成；输入隔离电阻(Rin2)与输入阻抗变换电路(111)并联连接，各单胞电路输入端之间分别通过一个输入隔离电阻(Rin2)连接；栅极偏置网络(104)通过输入稳定电阻(Rin1)与第二级输入匹配电感(Lin2)连接；所述输入阻抗变换电路(111)与输入端(108)。
4.根据权利要求2所述低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，其特征在于，所述输出合成网络(106)制作在陶瓷基板上，由输出隔离电阻(Rout)和输出阻抗变换电路(112)组成；输出隔离电阻(Rout)与输出阻抗变换电路(112)并联连接，各单胞电路输出端之间分别通过一个输出隔离电阻(Rout)连接；所述输出阻抗变换电路(112)与输出端(109)连接。
5.根据权利要求1～4任一项所述低通匹配结构的高线性GaN内匹配功率管，其特征在于，所述第一级输入匹配电感(Lin1)、第二级输入匹配电感(Lin2)、第一级输出匹配电感(Lout1)、第二级输出匹配电感(Lout2)分别为金丝。
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