一種分段外匹配式小型化功率放大器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種分段外匹配式小型化功率放大器，其包括功率分配/合成器以及兩路相同的放大單元，每路放大單元均包括依次連接的輸入阻抗匹配單元、場(chǎng)效應(yīng)管和輸出阻抗匹配單元。輸入阻抗匹配單元和輸出阻抗匹配單元采用了分段匹配式設(shè)計(jì)，將場(chǎng)效應(yīng)管輸入輸出的小阻抗只匹配到25Ω上，大大縮短輸入輸出阻抗匹配單元的結(jié)構(gòu)尺寸，減小大尺寸電路并行帶來(lái)寄生參數(shù)的影響；功率分配/合成器采用了小型化微波多層電路板結(jié)構(gòu)，在功率分配與合成過(guò)程中巧妙實(shí)現(xiàn)了25Ω至50Ω的轉(zhuǎn)換；另外，功率分配/合成器的電路為曲線方式排布，因此其電路的結(jié)構(gòu)尺寸將大大縮小，提高了功率放大器的輸出功率能力。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種分段外匹配式小型化功率放大器。
技術(shù)介紹
目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的寬帶功率放大器一般采用內(nèi)匹配式芯片，由于國(guó)內(nèi)MMIC技術(shù)發(fā)展較晚，設(shè)計(jì)的芯片性能指標(biāo)較國(guó)外還有一定差距，因此使用的內(nèi)匹配式芯片大部分由國(guó)外購(gòu)買，價(jià)格昂貴，并且很多芯片對(duì)于中國(guó)都是禁運(yùn)產(chǎn)品，增加了寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的成本與難度。隨著微波毫米波技術(shù)的發(fā)展，對(duì)功率放大器輸出功率提出了更高要求，要求其具有更寬的工作頻率、更大的輸出功率、更小的體積與更好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，為了提高產(chǎn)品的輸出功率，需增加合成路數(shù)或者提高單片輸出功率。增加合成路數(shù)意味著增大了功率合成的技術(shù)難度與結(jié)構(gòu)體積；提高芯片輸出功率，需要改變國(guó)外大功率芯片對(duì)我國(guó)禁運(yùn)的現(xiàn)狀或者突破MMIC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與制造工藝，目前這兩種方案尚有一定難度。因此選用成本低、輸出功率大的外匹配GaN場(chǎng)效應(yīng)管，是提高輸出功率能力的有效手段。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中給出了一種場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配電路，其工作頻率為0.8GHz-1.2GHz，整個(gè)匹配電路主要包括9部分：場(chǎng)效應(yīng)管101、射頻50Ω輸入端口102、射頻50Ω輸出端口103、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)104、輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)105、柵極電壓偏置線106、漏極電壓偏置線107、偏置電容108、偏置電感109。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)104主要解決穩(wěn)定性、增益、輸入駐波等問(wèn)題，輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)105用來(lái)完成放大器的輸出端口與負(fù)載之間的匹配，其主要作用是提高輸出功率、改善輸出駐波比和抑制諧波。場(chǎng)效應(yīng)管輸入輸出端的阻抗值較小，通常為幾歐姆量級(jí)，而這種傳統(tǒng)方法通常利用四分之一波長(zhǎng)多級(jí)臺(tái)階漸變形式，將幾歐姆量級(jí)的小阻抗直接匹配到射頻50Ω輸入端口102與射頻50Ω輸出端口103中，由于工作頻率低波長(zhǎng)較長(zhǎng)，這種方法設(shè)計(jì)的匹配電路的結(jié)構(gòu)尺寸較大，且匹配帶寬有很大限制。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的整體輸出功率能力，需要在匹配電路外部進(jìn)行功率合成。當(dāng)進(jìn)行功率分配與合成時(shí)，通常采用Wilkinson功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是在工作頻段加寬時(shí)，功分支路的節(jié)數(shù)將增多，造成通路加長(zhǎng)，損耗增大，作為功率合成電路應(yīng)用時(shí)，高損耗將直接導(dǎo)致功率合成效率降低。在大功率通信系統(tǒng)中，現(xiàn)有平面功率合成器存有體積大、功率小、一致性差、需要反復(fù)裝配調(diào)試等問(wèn)題，不能滿足系統(tǒng)小型化、高一致性與高可靠性的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)提出了一種分段外匹配式小型化功率放大器，以滿足寬頻帶、大功率、小尺寸與高可靠性的技術(shù)要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種分段外匹配式小型化功率放大器，包括射頻50Ω輸入端口、功率分配器、功率合成器和射頻50Ω輸出端口；其中：射頻50Ω輸入端口與功率分配器相連，功率合成器和射頻50Ω輸出端口相連；在功率分配器與功率合成器之間設(shè)有兩路相同的放大單元；每路放大單元均包括依次連接的輸入阻抗匹配單元、場(chǎng)效應(yīng)管和輸出阻抗匹配單元；在場(chǎng)效應(yīng)管上配置有柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元；功率分配器，用于將經(jīng)由射頻50Ω輸入端口進(jìn)入的信號(hào)一路等分配為兩路，然后分別輸入其中一路放大單元中；輸入阻抗匹配單元，用于將輸入的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；場(chǎng)效應(yīng)管，用于將經(jīng)過(guò)匹配后的信號(hào)進(jìn)行放大處理；輸出阻抗匹配單元，用于將經(jīng)由場(chǎng)效應(yīng)管放大后輸出的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元，用于提供場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)所需的直流電壓；功率合成器，用于實(shí)現(xiàn)兩路放大后的信號(hào)合成，合成信號(hào)經(jīng)由射頻50Ω輸出端口輸出；在功率分配和功率合成過(guò)程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)25Ω到50Ω的阻抗值轉(zhuǎn)換。優(yōu)選地，所述功率放大器還包括兩個(gè)50Ω負(fù)載；其中一個(gè)50Ω負(fù)載的一端與功率分配器相連，另一端接地；另一個(gè)50Ω負(fù)載的一端與功率合成器相連，另一端接地。優(yōu)選地，所述功率分配器和功率合成器結(jié)構(gòu)相同。優(yōu)選地，所述功率分配器/功率合成器包括中間電路介質(zhì)層；在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)表面上集成有功率分配/合成電路，該功率分配/合成電路采用寬帶耦合及寬帶阻抗變換的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)由內(nèi)向外分別依次設(shè)有第二介質(zhì)層和底部介質(zhì)層。優(yōu)選地，所述功率分配/合成電路在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)表面按照曲線方式布置。優(yōu)選地，所述輸入阻抗匹配單元采用T型漸變枝節(jié)配合曲線漸變的結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)選地，所述輸出阻抗匹配單元采用曲線漸變的結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)選地，所述柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元均采用臺(tái)階變換結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在輸出阻抗匹配單元的兩側(cè)分別設(shè)有自激抑制外匹配陣列。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)本專利技術(shù)采用的分段匹配式思想，只需將輸入輸出阻抗匹配到25Ω上，匹配過(guò)程中采用了曲線漸變的形式，變換平緩，大大降低了匹配單元設(shè)計(jì)難度，利于實(shí)現(xiàn)寬頻帶。(2)整體電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想，輸入阻抗匹配單元和輸出阻抗匹配單元只需將輸入和輸出阻抗匹配到25Ω上，大大縮短了匹配單元的結(jié)構(gòu)尺寸，而25Ω至50Ω的變換將在功率分配器和功率合成器中實(shí)現(xiàn)，在阻抗變換的同時(shí)巧妙的實(shí)現(xiàn)了功率的分配與合成。(3)本專利技術(shù)將輸入阻抗匹配單元、輸出阻抗匹配單元與功率分配器、功率合成器結(jié)合為一體，各個(gè)單元之間連接緊湊，避免傳統(tǒng)硬性間接連接帶來(lái)的損耗，同時(shí)整個(gè)信號(hào)的分配和合成以及阻抗變換均在低損耗介質(zhì)內(nèi)完成，提高了功率放大器的輸出功率。(4)在功率分配器和功率合成器上分別設(shè)有大功率吸收負(fù)載端口，并連接有50Ω負(fù)載，可以保證一路放大單元失配的情況下另一路仍正常工作；同時(shí)在輸出阻抗匹配單元上增加了自激抑制外匹配陣列，可提高電路的穩(wěn)定性，防止自激現(xiàn)象的產(chǎn)生。(5)功率分配器和功率合成器采用微波多層電路的技術(shù)方案，在功率分配與合成的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了25Ω至50Ω的變換，功率分配/合成電路呈曲線方式排布形式，結(jié)構(gòu)緊湊小巧。附圖說(shuō)明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配電路的原理圖；圖2為本專利技術(shù)中一種分段外匹配式小型化功率放大器的原理圖；圖3為本專利技術(shù)中功率分配/合成器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專利技術(shù)中單路放大單元的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，101-場(chǎng)效應(yīng)管，102-射頻50Ω輸入端口，103-射頻50Ω輸出端口，104-輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，105-輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，106-柵極電壓偏置線，107-漏極電壓偏置線，108-偏置電容，109-偏置電感；201-場(chǎng)效應(yīng)管，202-射頻50Ω輸入端口，203-射頻50Ω輸出端口，204-功率分配器，205-輸入阻抗匹配單元，206-柵極電壓偏置單元，207-漏極電壓偏置單元，208-輸出阻抗匹配單元，209-功率合成器，210-50Ω負(fù)載，211-50Ω負(fù)載；301-中間電路介質(zhì)層，302-第二介質(zhì)層，303-底部介質(zhì)層，304-功率分配/合成電路；401-場(chǎng)效應(yīng)管，402-射頻25Ω輸入端口，403-射頻25Ω輸出端口，404-輸入阻抗匹配單元，405-輸出阻抗匹配單元，406-自激抑制外匹配陣列，407-柵極電壓偏置單元，408-漏極電壓偏置單元。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：如圖2所示，一種分段外匹配式小型化功率放大器，包括射頻50Ω輸入端口202、功率分配器204、功率合成器209和射頻50Ω輸出端口203。在功率分配器204與功率合成器209之間設(shè)有兩路相本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種分段外匹配式小型化功率放大器，其特征在于，包括射頻50Ω輸入端口、功率分配器、功率合成器和射頻50Ω輸出端口；其中：射頻50Ω輸入端口與功率分配器相連，功率合成器和射頻50Ω輸出端口相連；在功率分配器與功率合成器之間設(shè)有兩路相同的放大單元；每路放大單元均包括依次連接的輸入阻抗匹配單元、場(chǎng)效應(yīng)管和輸出阻抗匹配單元；在場(chǎng)效應(yīng)管上配置有柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元；功率分配器，用于將經(jīng)由射頻50Ω輸入端口進(jìn)入的信號(hào)一路等分配為兩路，然后分別輸入其中一路放大單元中；輸入阻抗匹配單元，用于將輸入的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；場(chǎng)效應(yīng)管，用于將經(jīng)過(guò)匹配后的信號(hào)進(jìn)行放大處理；輸出阻抗匹配單元，用于將經(jīng)由場(chǎng)效應(yīng)管放大后輸出的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元，用于提供場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)所需的直流電壓；功率合成器，用于實(shí)現(xiàn)兩路放大后的信號(hào)合成，合成信號(hào)經(jīng)由射頻50Ω輸出端口輸出；在功率分配和功率合成過(guò)程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)25Ω到50Ω的阻抗值轉(zhuǎn)換。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種分段外匹配式小型化功率放大器，其特征在于，包括射頻50Ω輸入端口、功率分配器、功率合成器和射頻50Ω輸出端口；其中：射頻50Ω輸入端口與功率分配器相連，功率合成器和射頻50Ω輸出端口相連；在功率分配器與功率合成器之間設(shè)有兩路相同的放大單元；每路放大單元均包括依次連接的輸入阻抗匹配單元、場(chǎng)效應(yīng)管和輸出阻抗匹配單元；在場(chǎng)效應(yīng)管上配置有柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元；功率分配器，用于將經(jīng)由射頻50Ω輸入端口進(jìn)入的信號(hào)一路等分配為兩路，然后分別輸入其中一路放大單元中；輸入阻抗匹配單元，用于將輸入的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；場(chǎng)效應(yīng)管，用于將經(jīng)過(guò)匹配后的信號(hào)進(jìn)行放大處理；輸出阻抗匹配單元，用于將經(jīng)由場(chǎng)效應(yīng)管放大后輸出的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元，用于提供場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)所需的直流電壓；功率合成器，用于實(shí)現(xiàn)兩路放大后的信號(hào)合成，合成信號(hào)經(jīng)由射頻50Ω輸出端口輸出；在功率分配和功率合成過(guò)程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)25Ω到50Ω的阻抗值轉(zhuǎn)換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分段外匹配式小型化功率放大器，其特征在于，所述功率放大器還包括兩個(gè)50Ω負(fù)載；其中一個(gè)50Ω負(fù)載的一端與功率分配器相連，另一端接地；另一個(gè)50Ω負(fù)載的一端與功率合成器相連，另...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張文強(qiáng)，寧曰民，劉金現(xiàn)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37