一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器，包括有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络、隔直栅极人工传输线、有源吸收负载漏极人工传输线和偏置网络。本发明专利技术核心架构采用非均匀行波式三堆叠放大网络结合有源吸收负载，非均匀行波式三堆叠放大网络由至少三个非均匀的晶体管堆叠结构组成。本发明专利技术考虑了有源吸收负载对于漏极人工传输线中反射功率的吸收作用，提高了电路的工作效率，使得整个功率放大器获得了良好的宽带高效率、高功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高了电路的稳定性与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器
本专利技术属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路
，具体涉及一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器的设计。
技术介绍
随着电子战、软件无线电、超宽带通信等军用、民用通信市场的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有超宽带、高输出功率、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。然而，当采用集成电路工艺设计实现超宽带射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，如最典型的传统分布式放大器，要同时满足各项指标参数的要求十分困难，主要是因为：(1)在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单一场效应晶体管FET采用分布式放大排列的方式实现，由于单一场效应晶体管其功率增益较低、最佳阻抗偏低、隔离度较差、因此也导致反射特性恶化，从而降低了合成效率。(2)改进型分布式堆叠功率放大器虽然可以解决上述问题，但是在漏极人工传输线仍需要采用50欧姆的无源吸收负载来实现宽带阻抗匹配，理论上将有一半的射频功率被耗散掉，这大大降低了电路的效率。(3)此外，传统分布式放大器的栅极人工传输线往往需要给分布式晶体管的栅极提供直流供电，这就必须要采用串联大电阻和小电容的结构来实现射频和直流的馈电，从而恶化了输入可用功率。由此可以看出，基于集成电路工艺的超宽带射频功率放大器设计难点为：超宽带下高功率输出、高功率增益难度较大；传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的分布式放大结构存在很多局限性；现有改进型分布式堆叠放大器的效率有待改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提出一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器，具有超宽带下高功率输出能力、高效率、高功率增益、良好的输入、输出匹配特性，且成本低等优点。本专利技术的技术方案为：一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器，包括有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络、隔直栅极人工传输线、有源吸收负载漏极人工传输线和偏置网络；隔直栅极人工传输线的输入端为整个高效率三堆叠行波功率放大器的输入端，有源吸收负载漏极人工传输线的输出端为整个高效率三堆叠行波功率放大器的输出端；隔直栅极人工传输线分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，有源吸收负载漏极人工传输线分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，偏置网络分别与有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络以及有源吸收负载漏极人工传输线连接。本专利技术的有益效果是：本专利技术考虑了有源吸收负载对于漏极人工传输线中反射功率的吸收作用，提高了电路的工作效率，使得整个功率放大器获得了良好的宽带高效率、高功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高了电路的稳定性与可靠性。进一步地，偏置网络包括栅压偏置电路和漏压偏置电路；栅压偏置电路包括电感Lg、电容Cgc和接地电阻Rgc，电感Lg的一端分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，其另一端分别与电容Cgc的一端以及栅压偏置电源Vg连接，电容Cgc的另一端与接地电阻Rgc连接；漏压偏置电路包括电感Ld、接地电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3、接地电阻Rdc以及电容Cdc，电感Ld的一端分别与有源吸收负载以及有源吸收负载漏极人工传输线连接，其另一端分别与电阻Rd3的一端、电容Cdc的一端以及漏压偏置电源Vd连接，电容Cdc的另一端与接地电阻Rdc连接，电阻Rd3的另一端分别与电阻Rd2的一端、有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，电阻Rd2的另一端分别与接地电阻Rd1、有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接。上述进一步方案的有益效果是：偏置网络能够对有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络中的各晶体管起到良好的栅极供电及偏置作用。进一步地，有源吸收负载为三堆叠有源吸收放大器，其包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管MuL、中间层晶体管MmL以及底层晶体管MdL；底层晶体管MdL的源极接地，其栅极通过电容CgL与隔直栅极人工传输线连接，同时，其栅极还通过馈电电阻RgL与电感Lg连接；中间层晶体管MmL的栅极通过馈电电阻RgbL与电阻Rd2连接，同时，其栅极还与中间层栅极补偿电路连接，中间层栅极补偿电路包括串联的栅极补偿电阻RggL和接地补偿电容CggL；顶层晶体管MuL的栅极通过馈电电阻RggbL与电阻Rd3连接，同时，其栅极还与顶层栅极补偿电路连接，顶层栅极补偿电路包括串联的栅极补偿电阻RgggL和接地补偿电容CgggL；顶层晶体管MuL的漏极与电感LdL的一端连接，电感LdL的另一端与电感Ld连接。上述进一步方案的有益效果是：本专利技术采用有源吸收负载，可以在有源吸收负载的三堆叠有源吸收放大器的漏极实现有效的波形整形，将反射功率加以运用，从而提高整个放大器的效率，同时可以保证整个放大器漏极输出端保持良好的宽带阻抗匹配。进一步地，非均匀行波式三堆叠放大网络包括k个非均匀的三堆叠放大器，k≥3；每个三堆叠放大器均包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管、中间层晶体管以及底层晶体管；每个三堆叠放大器中，其底层晶体管的源极接地，底层晶体管的栅极通过输入耦合电容与隔直栅极人工传输线连接，同时，底层晶体管的栅极还通过馈电电阻与电感Lg连接；每个三堆叠放大器中，其中间层晶体管的栅极通过馈电电阻与电阻Rd2连接，同时，中间层晶体管的栅极还与中间层栅极补偿电路连接；每个三堆叠放大器中，其顶层晶体管的栅极通过馈电电阻与电阻Rd3连接，同时，顶层晶体管的栅极还与顶层栅极补偿电路连接；顶层晶体管的漏极与有源吸收负载漏极人工传输线连接；中间层栅极补偿电路和顶层栅极补偿电路均包括串联的栅极补偿电阻和接地补偿电容。上述进一步方案的有益效果是：本专利技术采用的非均匀行波式三堆叠放大网络与现有常规分布式三堆叠放大网络的不同之处在于采用了非均匀分布的结构，可以利用非均匀分布结构中的大尺寸晶体管实现低端大功率输出能力，采用逐渐缩小的晶体管分布式结构可以补偿大尺寸晶体管在高频的输出功率恶化现象。进一步地，隔直栅极人工传输线包括依次串联的栅极隔直电容Cg、k+2个栅极传输线等效电感、电容Cgload以及接地电阻Rgload；栅极隔直电容Cg未连接栅极传输线等效电感的一端为隔直栅极人工传输线的输入端；第1个栅极传输线等效电感和第2个栅极传输线等效电感的连接节点还与电容CgL连接，第a个栅极传输线等效电感和第a+1个栅极传输线等效电感的连接节点还与第a-1个三堆叠放大器底层晶体管的输入耦合电容连接，a＝2,3,...,k,k+1。上述进一步方案的有益效果是：本专利技术采用的隔直栅极人工传输线采用大电阻独立供电的方式，使得栅极人工传输线只需要采用串联电容就可以实现射频信号的耦合和输入阻抗匹配，从而改善了最大输入可用功率。进一步地，有源吸收负载漏极人工传输线依次串联的k个漏极传输线等效电感和漏极隔直电容Cd；漏极隔直电容Cd未连接漏极传输线等效电感的一端为有源吸收负载漏极人工传输线的输出端；第1个漏极传输线等效电感未连接第2个漏极传输线等效电感的一端分别与电感Ld以及第1个三堆叠放大器顶层晶体管的漏极连接；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器，其特征在于，包括有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络、隔直栅极人工传输线、有源吸收负载漏极人工传输线和偏置网络；所述隔直栅极人工传输线的输入端为整个所述高效率三堆叠行波功率放大器的输入端，所述有源吸收负载漏极人工传输线的输出端为整个所述高效率三堆叠行波功率放大器的输出端；所述隔直栅极人工传输线分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，所述有源吸收负载漏极人工传输线分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，所述偏置网络分别与有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络以及有源吸收负载漏极人工传输线连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于有源吸收负载的高效率三堆叠行波功率放大器，其特征在于，包括有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络、隔直栅极人工传输线、有源吸收负载漏极人工传输线和偏置网络；所述隔直栅极人工传输线的输入端为整个所述高效率三堆叠行波功率放大器的输入端，所述有源吸收负载漏极人工传输线的输出端为整个所述高效率三堆叠行波功率放大器的输出端；所述隔直栅极人工传输线分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，所述有源吸收负载漏极人工传输线分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，所述偏置网络分别与有源吸收负载、非均匀行波式三堆叠放大网络以及有源吸收负载漏极人工传输线连接。2.根据权利要求1所述的高效率三堆叠行波功率放大器，其特征在于，所述偏置网络包括栅压偏置电路和漏压偏置电路；所述栅压偏置电路包括电感Lg、电容Cgc和接地电阻Rgc，所述电感Lg的一端分别与有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，其另一端分别与电容Cgc的一端以及栅压偏置电源Vg连接，所述电容Cgc的另一端与接地电阻Rgc连接；所述漏压偏置电路包括电感Ld、接地电阻Rd1、电阻Rd2、电阻Rd3、接地电阻Rdc以及电容Cdc，所述电感Ld的一端分别与有源吸收负载以及有源吸收负载漏极人工传输线连接，其另一端分别与电阻Rd3的一端、电容Cdc的一端以及漏压偏置电源Vd连接，所述电容Cdc的另一端与接地电阻Rdc连接，所述电阻Rd3的另一端分别与电阻Rd2的一端、有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接，所述电阻Rd2的另一端分别与接地电阻Rd1、有源吸收负载以及非均匀行波式三堆叠放大网络连接。3.根据权利要求2所述的高效率三堆叠行波功率放大器，其特征在于，所述有源吸收负载为三堆叠有源吸收放大器，其包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管MuL、中间层晶体管MmL以及底层晶体管MdL；所述底层晶体管MdL的源极接地，其栅极通过电容CgL与隔直栅极人工传输线连接，同时，其栅极还通过馈电电阻RgL与电感Lg连接；所述中间层晶体管MmL的栅极通过馈电电阻RgbL与电阻Rd2连接，同时，其栅极还与中间层栅极补偿电路连接，所述中间层栅极补偿电路包括串联的栅极补偿电阻RggL和接地补偿电容CggL；所述顶层晶体管MuL的栅极通过馈电电阻RggbL与电阻Rd3连接，同时，其栅极还与顶层栅极补偿电路连接，所述顶层栅极补偿电路包括串联的栅极补偿电阻RgggL和接地补偿电容CgggL；所述顶层晶体管MuL的漏极与电感LdL的一端连接，所述电感LdL的另一端与电感Ld连接。4.根据权利要求3所述的高效率三堆叠行波功率放大器，其特征在于，所述非均匀行波式三堆叠放大网络包括k个非均匀的三堆叠放大器，k≥3；每个三堆叠放大器均包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管、中间层晶体管以及底层晶体管；每个所述三堆叠放大器中，其底层晶体管的源极接地，底层晶体管的栅极通过输入耦合电容与隔直栅极人工传输线连接，同时，底层晶体管的栅极还通过馈电电阻与电感Lg连接；每个所述三堆叠放大器中，其中间层晶体管的栅极通过馈电电阻与电阻Rd2连接，同时，中间层晶体管的栅极还与中间层栅极补偿电路连接；每个所述三堆叠放大器中，其顶层晶体管的栅极通过馈电电阻与电阻Rd3连接，同时，顶层晶体管的栅极还与顶层栅极补偿电路连接；顶层晶体管的漏极与有源吸收负载漏极人工传输线连接；所述中间层栅极补偿电路和顶层栅极补偿电路均包括串联的栅极补偿电阻和接地补偿电容。5.根据权利要求4所述的高效率三堆叠行波功率放大器，其特征在于，所述隔直栅极人工传输线包括依次串联的栅极隔直电容Cg、k+2个栅极传输线等效电感、电容Cgload以及接地电阻Rg...

【专利技术属性】
技术研发人员：邬海峰，滑育楠，陈依军，胡柳林，吕继平，童伟，王测天，
申请(专利权)人：成都嘉纳海威科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51