基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器

摘要

本发明公开了一种基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器。MMIC功率放大器为三级放大器及四级微带微带匹配网络的结构。主要包括输入级匹配网络，L型微带单节短截线匹配结构；第一级放大器，pHEMT共源放大器管芯；第一级中间级匹配电路，π型微带双短截线匹配结构；第二级放大器，pHEMT共源放大器管芯；第二级中间级匹配电路，微带多节短截线匹配结构；第三级放大器，pHEMT共源放大器管芯；输出级匹配电路，微带多节短截线匹配结构。本发明放大器具有非线性谐波能量小的特点，从而提升放大器工作在压缩状态时的电源附加效率，并且在K波段具有增益高，带内平坦度好，体积小等优点，适用于微波TR组件系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器，适用于微波TR组件系统。

背景技术

随着微波通信技术发展，单片微波集成电路（MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit，MMIC）凭借小型紧凑当前、稳定性好、抗干扰能力强和产品性能一致性好成为军事电子对抗及民用通信系统较具吸引力的选择。

单片集成微波功率放大器作为无线发射机的主要组成部分,在导航、卫星地面站、雷达、电子对抗设备、通信研究中都占据着重要位置，有着广泛的应用,近年来发展极其迅速。为满足各适用领域对单片功率放大器的更高功率、更高效率、更高可靠性和更宽带宽的要求,开发高压、高效、大功率的单片功率放大器成为必然趋势。

功率放大器实际上是一个功率变换器，它将电源的直流功率变换为所需频率的交流功率。在转换的过程中，一部分能量被功率放大器损耗，也即转换为热能。功率放大器作为射频系统的关键部件，其功率在整个射频系统所占比例相当大。低效率的功率放大器严重影响着系统的整体性能。高的功率放大器能耗直接导致系统运行和维护成本的提高。所以，设计高效率射频功率放大器对于减少电源消耗，提高系统稳定性，节约系统成本都有十分重大的意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，实现高效率射频K波段功率放大器，本发明提出了一种基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器。

该种基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器，此功率放大器包括三级放大器以及四级匹配网络的微带线结构。所述的三级放大器结构包括第一级共源放大器pHEMT管芯及稳定性电阻；第二级共源放大器pHEMT管芯及稳定性电阻；第三级共源放大器pHEMT管芯及稳定性电阻；所述的四级匹配网络的微带线结构包括输入级匹配网络微带线结构、第一级中间级匹配网络微带线结构、第二级中间级匹配网络微带线结构、输出级匹配网络微带线结构；所述的输入级匹配网络微带线结构为单节短截线匹配结构包括短路短枝节微带线及串联微带线；所述的第一级中间级匹配网络微带线结构为π型微带双短截线匹配结构包括串联微带线，短路短枝节微带线，短路短枝节微带线，串联微带线；所述的第二级中间级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括串联微带线，短路短枝节微带线，开路短枝节微带线，串联微带线，短路短枝节微带线，并联电容；所述的输出级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括并联电容，串联微带线，开路短枝节微带线，串联微带线，短路短枝节微带线。

所述输入级匹配网络的输入端与外部射频输入端口RF_IN相连接；所述第一级共源放大器pHEMT管芯的输入端与输入级匹配网络的输出端相连接；所述第一级中间级匹配网络的输入端与第一级共源放大器pHEMT管芯输出端相连接；所述第二级共源放大器pHEMT管芯输入端与第一级中间级匹配网络的输出端相连接；所述第二级中间级匹配网络的输入端与第二级共源放大器pHEMT管芯输出端相连接；所述第三级共源放大器pHEMT管芯输入端与第二级中间级匹配网络的输出端相连接；所述输出级匹配网络的输入端与第三级共源放大器pHEMT管芯输出端相连接；所述输出级匹配网络的输出端与外部射频输出端口RF_OUT相连接。

所述第一级稳定性电阻与第一级共源放大器pHEMT管芯栅极相连接；所述第二级稳定性电阻与第二级共源放大器pHEMT管芯栅极相连接；所述第三级稳定性电阻与第三级共源放大器pHEMT管芯栅极相连接；所述稳定性电阻为用于降低振荡提高稳定性。

所述的输入级匹配网络微带线结构为包括短路短枝节微带线，与第一级管芯稳定性电阻相连的串联微带线。其中短路短枝节微带线同时用于第一级共源放大器pHEMT管芯栅极的直流馈电Vg1。

所述的第一级中间级匹配网络微带线结构为π型微带双短截线匹配结构包括与第一级共源放大器pHEMT管芯漏极相连的串联微带线，短路短枝节微带线，短路短枝节微带线，与第二级管芯稳定性电阻相连的串联微带线。其中第一条短路短枝节微带线同时用于第一级共源放大器pHEMT管芯漏极的直流馈电Vd1。其中第二条短路短枝节微带线同时用于第二级共源放大器pHEMT管芯栅极的直流馈电Vg2。

所述的第二级中间级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括与第二级共源放大器pHEMT管芯漏极相连的串联微带线，短路短枝节微带线，开路短枝节微带线，与两枝节点相连串联微带线，短路短枝节微带线，与第三级管芯稳定性电阻相连的并联电容。其中第一条短路短枝节微带线同时用于第二级共源放大器pHEMT管芯漏极的直流馈电Vd2。其中第二条短路短枝节微带线同时用于第三级共源放大器pHEMT管芯栅极的直流馈电Vg3。其中开路短枝节微带线为二次谐波的四分之一波长开路短枝节微带线，用于在所述第二级中间级匹配网络中引入二次谐波短路点。其中并联电容用于调整到第三级共源放大器pHEMT管芯二次谐波输入阻抗的最佳电源效率点的相位。

所述的输出级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括与第三共源放大器pHEMT管芯漏极相连的并联电容，与第三级共源放大器pHEMT管芯漏极相连的串联微带线，开路短枝节微带线，与两枝节点相连串联微带线，短路短枝节微带线。其中短路短枝节微带线同时用于第三级共源放大器pHEMT管芯漏极的直流馈电Vd3。其中开路短枝节微带线为二次谐波的四分之一波长开路短枝节微带线，用于在所述输出级匹配网络中引入二次谐波短路点。其中并联电容用于调整到到第三共源放大器pHEMT管芯二次谐波输出阻抗的最佳电源效率点的相位。

所述三级共源放大器管芯均采用0.15um栅长T型栅赝配高速电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺进行制造；芯片尺寸为2.2mmx1.2mm。

本发明的有益效果在于：第一、所述K波段放大器设计在GaAs衬底上，采用0.15um栅长T型栅赝配高速电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺进行制造，提供了较小的导通电阻和非常好的可靠性。第二、所述K波段放大器三级共源放大器的级联组成，第一级为小信号放大器电路、第二级为驱动放大器、第三级为功率放大器。级间设有匹配电路，另输入输出端口匹配至50欧姆，具有增益高，回波损耗低的特点。并且无需外匹配电路，电路芯片尺寸小，提高系统的集成度。第三、所述K波段放大器第三级功率放大器针对谐波阻抗进行优化，通过在第二级中间级匹配网络引入二次谐波短路点，第三级共源放大器pHEMT管芯栅极并联电容调整到二次谐波输入阻抗的最佳电源效率点的相位；通过在输出级匹配网络引入二次谐波短路点，第三级共源放大器pHEMT管芯漏极并联电容调整到二次谐波输出阻抗的最佳电源效率点的相位；使第三级功率放大器的输入及输出谐波阻抗针对电源效率最优。本发明具有电源附加效率高，电源功耗低的特点。

附图说明

图1是基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器的结构示意图；

图2是基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器的增益和回波损耗测试结果图；

图3是基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器的输出功率和电源附加效率测试结果图；

附图标记说明：1、第一级共源放大器pHEMT管芯；2、第一级管芯稳定性电阻；3、第二级共源放大器pHEMT管芯；4、第二级管芯稳定性电阻；5、第三级共源放大器pHEMT管芯；6、第三级管芯稳定性电阻；7、输入级匹配中短路短枝节微带线；8、输入级匹配中串联微带线；9、第一级中间级匹配中与第一级共源放大器pHEMT管芯漏极串联微带线；10、第一级中间级匹配中第一条短路短枝节微带线；11、第一级中间级匹配中第二条短路短枝节微带线；12、第一级中间级匹配中与第二级管芯稳定性电阻串联微带线；13、第二级中间级匹配中与第二级共源放大器pHEMT管芯漏极串联微带线；14、第二级中间级匹配中第一条短路短枝节微带线；15、第二级中间级匹配中开路短枝节微带线；16、第二级中间级匹配中两枝节点间串联微带线；17、第二级中间级匹配中第二条短路短枝节微带线；18、第二级中间级匹配中与第三级管芯稳定性电阻并联电容；19、输出级匹配中与第三级共源放大器PHEMT漏极并联电容；20、输出级匹配中与第三级共源放大器pHEMT漏极串联微带线；21、输出级匹配中开路短枝节微带线；22、输出级匹配中两枝节点间串联微带线；23、输出级匹配中短路短枝节微带线。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于谐波终端优化高效率K波段MMIC功率放大器，它包括包括三级放大器以及四级匹配网络的微带线结构。所述的三级放大器结构包括第一级共源放大器pHEMT管芯1及稳定性电阻2；第二级共源放大器pHEMT管芯3及稳定性电阻4；第三级共源放大器pHEMT管芯5及稳定性电阻6；所述的四级匹配网络的微带线结构包括输入级匹配网络微带线结构、第一级中间级匹配网络微带线结构、第二级中间级匹配网络微带线结构、输出级匹配网络微带线结构；所述的输入级匹配网络微带线结构为单节短截线匹配结构包括短路短枝节微带线7及串联微带线8；所述的第一级中间级匹配网络微带线结构为π型微带双短截线匹配结构包括串联微带线9，短路短枝节微带线10，短路短枝节微带线11，串联微带线12；所述的第二级中间级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括串联微带线13，短路短枝节微带线14，开路短枝节微带线15，串联微带线16，短路短枝节微带线17，并联电容18；所述的输出级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括并联电容19，串联微带线20，开路短枝节微带线21，串联微带线22，短路短枝节微带线23。

所述输入级匹配网络的输入端与外部射频输入端口RF_IN相连接；所述第一级共源放大器pHEMT管芯1的输入端与输入级匹配网络的输出端相连接；所述第一级中间级匹配网络的输入端与第一级共源放大器pHEMT管芯1输出端相连接；所述第二级共源放大器pHEMT管芯3输入端与第一级中间级匹配网络的输出端相连接；所述第二级中间级匹配网络的输入端与第二级共源放大器pHEMT管芯3输出端相连接；所述第三级共源放大器pHEMT管芯5输入端与第二级中间级匹配网络的输出端相连接；所述输出级匹配网络的输入端与第三级共源放大器pHEMT管芯5输出端相连接；所述输出级匹配网络的输出端与外部射频输出端口RF_OUT相连接。

所述第一级管芯稳定性电阻2与第一级共源放大器pHEMT管芯1栅极相连接；所述第二级管芯稳定性电阻4与第二级共源放大器pHEMT管芯3栅极相连接；所述第三级管芯稳定性电阻6与第三级共源放大器pHEMT管芯5栅极相连接；所述稳定性电阻为用于降低振荡提高稳定性。

所述的输入级匹配网络微带线结构为包括短路短枝节微带线7，与第一级管芯稳定性电阻2相连的串联微带线8。其中短路短枝节微带线7同时用于第一级共源放大器PHEMT管芯1栅极的直流馈电Vg1。

所述的第一级中间级匹配网络微带线结构为π型微带双短截线匹配结构包括与第一级pHEMT共源放大器管芯1漏极相连的串联微带线9，短路短枝节微带线10，短路短枝节微带线11，与第二级管芯稳定性电阻4相连的串联微带线12。其中短路短枝节微带线10同时用于第一级共源放大器pHEMT管芯1漏极的直流馈电Vd1。其中短路短枝节微带线11同时用于第二级共源放大器pHEMT管芯3栅极的直流馈电Vg2。

所述的第二级中间级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括与第二级共源放大器pHEMT管芯3漏极相连的串联微带线13，短路短枝节微带线14，开路短枝节微带线15，与两枝节点相连串联微带线16，短路短枝节微带线17，与第三级管芯稳定性电阻6相连的并联电容18。其中短路短枝节微带线14同时用于第二级共源放大器pHEMT管芯3漏极的直流馈电Vd2。其中短路短枝节微带线17同时用于第三级共源放大器pHEMT管芯5栅极的直流馈电Vg3。其中开路短枝节微带线15为二次谐波的四分之一波长开路短枝节微带线，用于在所述第二级中间级匹配网络中引入二次谐波短路点。其中并联电容18用于调整到第三级共源放大器pHEMT管芯5二次谐波输入阻抗的最佳电源效率点的相位。

所述的输出级匹配网络微带线结构为微带多节短截线匹配结构包括与第三共源放大器pHEMT管芯5漏极相连的并联电容19，与第三级共源放大器pHEMT管芯5漏极相连的串联微带线20，开路短枝节微带线21，与两枝节点相连串联微带线22，短路短枝节微带线23。其中短路短枝节微带线21同时用于第三级共源放大器pHEMT管芯5漏极的直流馈电Vd3。其中开路短枝节微带线21为二次谐波的四分之一波长开路短枝节微带线，用于在所述输出级匹配网络中引入二次谐波短路点。其中并联电容19用于调整到第三共源放大器pHEMT管芯5二次谐波输出阻抗的最佳电源效率点的相位。

本实施例所述三级共源放大器管芯均采用0.15um栅长T型栅赝配高速电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺进行制造；由三级共源放大器的级联组成，第一级为小信号放大器电路、第二级为驱动放大器、第三级为功率放大器。各级共源放大器pHEMT管芯采用不同栅宽尺寸的pHEMT管芯，第一级共源放大器pHEMT管芯1的栅宽尺寸为40um，第二级共源放大器pHEMT管芯3的栅宽尺寸为100um，第三级共源放大器pHEMT管芯5的栅宽尺寸为240um，各级管芯尺寸安排合理，保证整体功耗及效率的最优。级间设有匹配电路，另输入输出端口匹配至50欧姆。具有增益高，回波损耗低的特点。

本实施例所述三级共源放大器管芯的偏置，通过外围供电偏置电路提供，各级pHEMT管的栅极和漏极偏置Vg1，Vg2，Vg3和Vd1，Vd2，Vd3均采用多级RC滤波电路，分别针对各频率逐渐滤波，通过芯片外接电容可有效抑制低频自激现象，确保放大器在整个频段稳定。

本实施例的基于谐波优化高效率K波段MMIC功率放大器，其工作频段为25-27GHz，全频带稳定，芯片尺寸为2.2mmx1.2mm。

图2为本实施例的小信号S参数的测试曲线图，此MMIC功率放大器在工作频带内25-27GHz前向传输增益达到25dB以上，并且输入端口的回波损耗均小于-10dB。

图3为本实施例的功率及效率测试曲线图。此MMIC功率放大器在工作频带内25-27GHz饱和功率达到了20dBm以上，电源附加效率达到了40%以上。