4.0-5.0GHz 8W GaN单片功率放大器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种4.0‑5.0GHz 8W GaN单片功率放大器及设计方法，放大器包括输入匹配网络、级间匹配网络、输出匹配网络及pHEMT集体管。输入匹配网络的通过一支pHEMT晶体管与级间匹配网络相连，级间匹配网络的通过四支pHEMT晶体管与输出匹配网络相连，栅极偏置电源分别与输入匹配网络和级间匹配网络相连，级间匹配栅偏置电源分别与级间匹配网络和输出匹配网络相连，简化了模块电路的设计难度，相比传统混合集成电路尺寸明显减小，确定了管芯的最佳负载阻抗和最佳源阻抗，并且设计了输入、输出和级间匹配网络的电路原理图，优化了稳定系数、输入输出驻波系统、增益、功率、效率、谐波抑制等指标，设计了单片微波功率放大器的版图。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利涉及微电子技术、微波技术、半导体单片集成技术、先进材料技术和微波功率放大技术，特别是小型化、高效率、高功率密度单片微波集成功率放大技术,尤其涉及一种4.0-5.0 GHz 8W GaN单片功率放大器及设计方法。
技术介绍
单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）已成为当前发展各种高科技武器的重要支柱，已广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、通信系统、陆海空基的各种先进的相控阵雷达（特别是机载和星载雷达），在民用商业的移动电话、无线通信、个人卫星通信网、全球定位系统、直播卫星接收和毫米波自动防撞系统等方面已形成正在飞速发展的巨大市场。由于GaN材料所具有的独特优势，如噪声系数优良、最大电流高、击穿电压高、振荡频率高、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点，为军事、宇航和国防、汽车领域以及工业、太阳能、发电和风力等高功率领域的多种应用提供了独特的选择。应用领域的扩展和军事需求的增加是驱动GaN半导体器件市场增长的主要力量。需求量的增加主要是由于GaN器件所能带来的在器件重量和尺寸方面的显著改进。另外，GaN器件击穿电压的提升有望推动GaN在电动车辆中的使用量。HEMT（High Electron Mobility Transistor），高电子迁移率晶体管。这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管 (SDHT)等。HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。高迁移率的二维电子气（2-DEG）存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”，则HEMT有很好的低温性能, 可用于低温研究工作 (如分数量子Hall效应) 中。实际上, 对很短沟道的HEMT, 往往是高得多的瞬态漂移速度起着决定作用，从而有更高的饱和电流和饱和跨导。pHEMT是对HEMT的一种改进结构，也称为赝调制掺杂异质结场效应晶体管（pMODFET）。采用WIN Foundry的NP25-00 GaN工艺的放大器考虑到GaN器件增益压缩较缓慢，一般在8-10dB增益压缩点达到最大功率或效率点，因此GaN功率放大器的线性度较差，故谐波抑制度也较差。小信号增益约为29-31dB，需要两级放大；又考虑到较高的小信号增益将导致稳定性能下降，放大器容易发生自激震荡，因此需要非常小心的设计各级匹配和电源偏置网络，控制放大器增益的和稳定系数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，公开了一种4.0-5.0 GHz 8W GaN单片功率放大器及设计方法。4.0-5.0 GHz 8W GaN单片功率放大器，包括输入匹配网络、级间匹配网络网络、输出匹配网络、栅极偏置电源、漏极偏置电源、pHEMT晶体管S1、S2、S3、S4、S5。所述的输入匹配网络的端口1与信号源连接，输入匹配网络的端口2通过电感L1分别与栅极偏置电源的正极和级间匹配网络的端口7相连，栅极偏置电源的负极接地，输入匹配网络的端口3与pHEMT晶体管S1的栅极相连，pHEMT晶体管S1的源极接地，pHEMT晶体管S1的漏极与级间匹配网络的端口1相连，级间匹配网络的端口6分别与漏极偏置电源的正极和输出匹配网络的端口7相连，级间匹配网络的端口7与栅极偏置电源的正极相连，级间匹配网络的端口8通过级间匹配网络的端口7与栅极偏置电源的正极相连，级间匹配网络的端口2与pHEMT晶体管S2的栅极相连，级间匹配网络的端口3与pHEMT晶体管S3的栅极相连，级间匹配网络的端口4与pHEMT晶体管S4的栅极相连,级间匹配网络的端口5与pHEMT晶体管S5的栅极相连，输出管芯S2、S3、S4，S5的源极均接地，pHEMT晶体管S2的漏极与输出匹配网络的端口2相连，pHEMT晶体管S3的漏极与输出匹配网络的端口3相连，pHEMT晶体管S4的漏极与输出匹配网络的端口4相连，pHEMT晶体管S5的漏极与输出匹配网络的端口5相连，输出匹配网络的端口1与负载相连，输出匹配网络的端口7的一端与端口6相连，另一端分别与间匹配网络的端口6和漏极偏置电源的正极相连，漏极偏置电源的负极接地；各匹配级网络具体设计如下：所述的输入匹配网络包括与输入匹配网络的端口3连接的接地电容C1，电容C1的另一端与焊盘PAD1的一端相连，焊盘PAD1的另一端分别与电容C2的一端和微带线TL1的一端相连，电容C2的另一端与背孔BVIA1的一端的相连，背孔BVIA1的另一端接地，微带线TL1的另一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与十字形节点Cros1的1端相连；输入匹配网络的端口1与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与微带线TL3的一端相连，微带线TL3的另一端分别与微带线TL2的一端和电容C4的一端相连，电容C4的另一端与背孔BVIA2的一端相连，背孔BVIA2的另一端接地，微带线TL2的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与十字形节点Cros1的4端相连，十字形节点Cros1的2端与微带线TL4的一端相连，微带线TL4的另一端与电感L3的一端相连，电感L3的另一端分别与电阻R2的一端和电容C5的一端相连，电阻R2的另一端和电容C5的另一端相连并都与输入匹配网络的端口2相连；所述的级间匹配网络包括与级间匹配网络的端口1相连的信号源和微带线TL5，信号源的另一端接地，微带线TL5的另一端与电感L4的一段相连，电感L4的另一端与十字形节点Cros2的4端相连，级间匹配网络的端口6分别与接地电容C6和焊盘PAD2的一端连接，焊盘PAD2的另一端分别与电容C7的一端和微带线TL6的一端连接，电容C7的另一端与背孔BVIA3的一端连接，背孔BVIA3的另一端接地，微带线TL6的另一端与电感L5的一端相连，电感L5的另一端与十字形节点Cros2的1端相连，十字形节点Cros2的2端与十字形节点Cros3的4端通过电容C8相连，十字形节点Cros3的2端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与背孔BVIA4的一端相连，背孔BVIA4的另一端接地，十字形节点Cros3的1端与微带线TL7的一端相连，微带线TL7的一端通过弧形节点Cruve1与微带线TL8的一端相连，微带线TL8的另一端与十字形节点Cros4的4端相连，级间匹配网络的端口7分别与接地电容C10和焊盘PAD3的一端连接，焊盘PAD3的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端通过微带线TL9与十字形节点Cros4的1端相连，十字形节点Cros4的2端通过微带线TL10与电感L6的一端相连，电感L6的另一端与十字形节点Cros5的4端相连，十字形节点Cros5的2端通过电容C11与背孔BVIA5的一端相连背孔BVIA5的另一端接地,十字形节点Cros5的1端通过微带线TL11与弧形节点Cruve3的一端相连，弧形节点Cruve3的另一端通过微带线TL12与微带线TL13的一端相连，微带线TL13的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与级间匹配网络的端口2相连，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种4.0‑5.0 GHz 8W GaN单片功率放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、级间匹配网络网络、输出匹配网络、栅极偏置电源、漏极偏置电源、pHEMT晶体管S1、S2、S3、S4、S5；所述的输入匹配网络的端口1与信号源连接，输入匹配网络的端口2通过电感L1分别与栅极偏置电源的正极和级间匹配网络的端口7相连，栅极偏置电源的负极接地，输入匹配网络的端口3与pHEMT晶体管S1的栅极相连，pHEMT晶体管S1的源极接地，pHEMT晶体管S1的漏极与级间匹配网络的端口1相连，级间匹配网络的端口6分别与漏极偏置电源的正极和输出匹配网络的端口7相连，级间匹配网络的端口7与栅极偏置电源的正极相连，级间匹配网络的端口8通过级间匹配网络的端口7与栅极偏置电源的正极相连，级间匹配网络的端口2与pHEMT晶体管S2的栅极相连，级间匹配网络的端口3与pHEMT晶体管S3的栅极相连，级间匹配网络的端口4与pHEMT晶体管S4的栅极相连,级间匹配网络的端口5与pHEMT晶体管S5的栅极相连，输出管芯S2、S3、S4，S5的源极均接地，pHEMT晶体管S2的漏极与输出匹配网络的端口2相连，pHEMT晶体管S3的漏极与输出匹配网络的端口3相连，pHEMT晶体管S4的漏极与输出匹配网络的端口4相连，pHEMT晶体管S5的漏极与输出匹配网络的端口5相连，输出匹配网络的端口1与负载相连，输出匹配网络的端口7的一端与端口6相连，另一端分别与间匹配网络的端口6和漏极偏置电源的正极相连，漏极偏置电源的负极接地；所述的输入匹配网络包括与输入匹配网络的端口3连接的接地电容C1，电容C1的另一端与焊盘PAD1的一端相连，焊盘PAD1的另一端分别与电容C2的一端和微带线TL1的一端相连，电容C2的另一端与背孔BVIA1的一端的相连，背孔BVIA1的另一端接地，微带线TL1的另一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与十字形节点Cros1的1端相连；输入匹配网络的端口1与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与微带线TL3的一端相连，微带线TL3的另一端分别与微带线TL2的一端和电容C4的一端相连，电容C4的另一端与背孔BVIA2的一端相连，背孔BVIA2的另一端接地，微带线TL2的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与十字形节点Cros1的4端相连，十字形节点Cros1的2端与微带线TL4的一端相连，微带线TL4的另一端与电感L3的一端相连，电感L3的另一端分别与电阻R2的一端和电容C5的一端相连，电阻R2的另一端和电容C5的另一端相连并都与输入匹配网络的端口2相连；所述的级间匹配网络包括与级间匹配网络的端口1相连的信号源和微带线TL5，信号源的另一端接地，微带线TL5的另一端与电感L4的一段相连，电感L4的另一端与十字形节点Cros2的4端相连，级间匹配网络的端口6分别与接地电容C6和焊盘PAD2的一端连接，焊盘PAD2的另一端分别与电容C7的一端和微带线TL6的一端连接，电容C7的另一端与背孔BVIA3的一端连接，背孔BVIA3的另一端接地，微带线TL6的另一端与电感L5的一端相连，电感L5的另一端与十字形节点Cros2的1端相连，十字形节点Cros2的2端与十字形节点Cros3的4端通过电容C8相连，十字形节点Cros3的2端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与背孔BVIA4的一端相连，背孔BVIA4的另一端接地，十字形节点Cros3的1端与微带线TL7的一端相连，微带线TL7的一端通过弧形节点Cruve1与微带线TL8的一端相连，微带线TL8的另一端与十字形节点Cros4的4端相连，级间匹配网络的端口7分别与接地电容C10和焊盘PAD3的一端连接，焊盘PAD3的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端通过微带线TL9与十字形节点Cros4的1端相连，十字形节点Cros4的2端通过微带线TL10与电感L6的一端相连，电感L6的另一端与十字形节点Cros5的4端相连，十字形节点Cros5的2端通过电容C11与背孔BVIA5的一端相连背孔BVIA5的另一端接地,十字形节点Cros5的1端通过微带线TL11与弧形节点Cruve3的一端相连，弧形节点Cruve3的另一端通过微带线TL12与微带线TL13的一端相连，微带线TL13的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与级间匹配网络的端口2相连，电容C12与电阻R5并联，十字形节点Cros5的3端通过微带线TL16与弧形节点Cruve4的一端相连，弧形节点Cruve4的另一端通过微带线TL17与微带线TL18的一端相连，微带线TL18的另一端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与级间匹配网络的端口3相连，电容C13与电阻R6并联，级间匹配网络的端口3通过微带线TL15与电阻R9的一端相连，电阻R9的...

【技术特征摘要】
1.一种4.0-5.0 GHz 8W GaN单片功率放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、级间匹配网络网络、输出匹配网络、栅极偏置电源、漏极偏置电源、pHEMT晶体管S1、S2、S3、S4、S5；所述的输入匹配网络的端口1与信号源连接，输入匹配网络的端口2通过电感L1分别与栅极偏置电源的正极和级间匹配网络的端口7相连，栅极偏置电源的负极接地，输入匹配网络的端口3与pHEMT晶体管S1的栅极相连，pHEMT晶体管S1的源极接地，pHEMT晶体管S1的漏极与级间匹配网络的端口1相连，级间匹配网络的端口6分别与漏极偏置电源的正极和输出匹配网络的端口7相连，级间匹配网络的端口7与栅极偏置电源的正极相连，级间匹配网络的端口8通过级间匹配网络的端口7与栅极偏置电源的正极相连，级间匹配网络的端口2与pHEMT晶体管S2的栅极相连，级间匹配网络的端口3与pHEMT晶体管S3的栅极相连，级间匹配网络的端口4与pHEMT晶体管S4的栅极相连,级间匹配网络的端口5与pHEMT晶体管S5的栅极相连，输出管芯S2、S3、S4，S5的源极均接地，pHEMT晶体管S2的漏极与输出匹配网络的端口2相连，pHEMT晶体管S3的漏极与输出匹配网络的端口3相连，pHEMT晶体管S4的漏极与输出匹配网络的端口4相连，pHEMT晶体管S5的漏极与输出匹配网络的端口5相连，输出匹配网络的端口1与负载相连，输出匹配网络的端口7的一端与端口6相连，另一端分别与间匹配网络的端口6和漏极偏置电源的正极相连，漏极偏置电源的负极接地；所述的输入匹配网络包括与输入匹配网络的端口3连接的接地电容C1，电容C1的另一端与焊盘PAD1的一端相连，焊盘PAD1的另一端分别与电容C2的一端和微带线TL1的一端相连，电容C2的另一端与背孔BVIA1的一端的相连，背孔BVIA1的另一端接地，微带线TL1的另一端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与十字形节点Cros1的1端相连；输入匹配网络的端口1与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与微带线TL3的一端相连，微带线TL3的另一端分别与微带线TL2的一端和电容C4的一端相连，电容C4的另一端与背孔BVIA2的一端相连，背孔BVIA2的另一端接地，微带线TL2的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与十字形节点Cros1的4端相连，十字形节点Cros1的2端与微带线TL4的一端相连，微带线TL4的另一端与电感L3的一端相连，电感L3的另一端分别与电阻R2的一端和电容C5的一端相连，电阻R2的另一端和电容C5的另一端相连并都与输入匹配网络的端口2相连；所述的级间匹配网络包括与级间匹配网络的端口1相连的信号源和微带线TL5，信号源的另一端接地，微带线TL5的另一端与电感L4的一段相连，电感L4的另一端与十字形节点Cros2的4端相连，级间匹配网络的端口6分别与接地电容C6和焊盘PAD2的一端连接，焊盘PAD2的另一端分别与电容C7的一端和微带线TL6的一端连接，电容C7的另一端与背孔BVIA3的一端连接，背孔BVIA3的另一端接地，微带线TL6的另一端与电感L5的一端相连，电感L5的另一端与十字形节点Cros2的1端相连，十字形节点Cros2的2端与十字形节点Cros3的4端通过电容C8相连，十字形节点Cros3的2端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与背孔BVIA4的一端相连，背孔BVIA4的另一端接地，十字形节点Cros3的1端与微带线TL7的一端相连，微带线TL7的一端通过弧形节点Cruve1与微带线TL8的一端相连，微带线TL8的另一端与十字形节点Cros4的4端相连，级间匹配网络的端口7分别与接地电容C10和焊盘PAD3的一端连接，焊盘PAD3的另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端通过微带线TL9与十字形节点Cros4的1端相连，十字形节点Cros4的2端通过微带线TL10与电感L6的一端相连，电感L6的另一端与十字形节点Cros5的4端相连，十字形节点Cros5的2端通过电容C11与背孔BVIA5的一端相连背孔BVIA5的另一端接地,十字形节点Cros5的1端通过微带线TL11与弧形节点Cruve3的一端相连，弧形节点Cruve3的另一端通过微带线TL12与微带线TL13的一端相连，微带线TL13的另一端与电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与级间匹配网络的端口2相连，电容C12与电阻R5并联，十字形节点Cros5的3端通过微带线TL16与弧形节点Cruve4的一端相连，弧形节点Cruve4的另一端通过微带线TL17与微带线TL18的一端相连，微带线TL18的另一端与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与级间匹配网络的端口3相连，电容C13与电阻R6并联，级间匹配网络的端口3通过微带线TL15与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端通过微带线TL14与级间匹配网络的端口2相连,十字形节点Cros3的3端通过微带线TL21与弧形节点Cruve2的一端相连，弧形节点Cruve2的另一端通过微带线TL22与十字形节点Cros6的4端相连，级间匹配网络的端口8分别与接地电容C14和焊盘PAD4的一端连接，焊盘PAD4的另一端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端通过微带线TL23与十字形节点Cros6的3端相连，十字形节点Cros6的2端通过微带线TL24与电感L7的一端相连，电感L7的另一端与十字形节点Cros7的4端相连，十字形节点Cros7的2端通过电容C15与背孔BVIA7的一端相连，背孔BVIA7的另一端接地，十字形节点Cros7的1端通过微带线TL25和弧形节点Cruve5的一端相连，弧形节点Cruve5的另一端通过微带线TL26与微带线TL27的一端相连，微带线TL27的另一端与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与级间匹配网络的端口4相连，电容C16与电阻R7并联，级间匹配网络的端口4通过微带线TL20与电阻R10的一端相连，电阻R10的另一端通过微带线TL19与级间匹配网络的端口3相连,十字形节点Cros7的3端通过微带线TL30和弧形节点Cruve6的一端相连，弧形节点Cruve6的另一端通过微带线TL31与微带线TL32的一端相连，微带线TL32的另一端与电阻R3的一端相连，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许欢，
申请(专利权)人：成都泰格微电子研究所有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51