一种宽带高增益平坦度的功率放大器制造技术

本发明专利技术属于射频微波集成电路设计领域，具体为一种宽带高增益平坦度的功率放大器。该功率放大器主要包括：一个由高耦合因子变压器和电容电阻组成的输入匹配网络；一个带中和电容的差分共源驱动放大器；一个高耦合因子变压器组成的级间匹配网络；一个用于功率放大的带中和电容的差分共源功率放大器；一个由高耦合因子变压器和负载电容组成的输出匹配网络。该功率放大器在三级匹配网络中均采用高耦合因子变压器，通过三级匹配增益波动相互补偿的方式来减小宽带的带内增益波动，有效解决了传统宽带功率放大器由于级间匹配带内波动较大导致的增益平坦度较差的问题，同时也提高了增益。相比已有的技术，本发明专利技术可以在实现高增益的同时显著提高宽带功率放大器的增益平坦度。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带高增益平坦度的功率放大器
本专利技术属于射频微波集成电路
，具体涉及一种应用于射频相控阵多功能收发组件的宽带高增益平坦度功率放大器，可用于无线通讯、雷达探测等相控阵系统中。
技术介绍
近年来，随着CMOS工艺的不断进步，采用CMOS工艺实现功率放大器以其低成本、高集成度等优点吸引越来越多研究者的注意。高速数据通信、相控阵雷达以及软件无线电等系统中，对功率放大器的带宽和带内增益平坦度提出了很高的要求。但由于CMOS工艺电源电压低、输入输出阻抗随频率的变化很大，因此在超大带宽下实现高的增益平坦度充满了挑战。为解决以上问题，国内外学者都针对宽带功率放大器中如何提高增益平坦度展开了研究。现今宽带功率放大器主要包括分布式功率放大器、采用高阶电感电容网络匹配的功率放大器以及基于变压器匹配的功率放大器。其中分布式功率放大器采用传输线来进行输入输出匹配，实现超大带宽的同时消耗大量面积与功耗；电感电容高阶网络匹配的功率放大器则消耗大量面积，而且单端输入输出也难以实现大功率输出；而采用变压器匹配的宽带功率放大器以其较小的面积、可以实现单端与差分转换以及无需级间隔值电容等优点被广泛采用。但是目前采用变压器设计宽带功率放大器时仅仅局限在各个匹配网络进行单独设计，因此多个匹配网络增益带内波动的叠加往往会带来较差的增益平坦度，如何实现宽带功率放大器较好的增益平坦度也是当前研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超大带宽下具有高增益平坦度的宽带功率放大器。本专利技术提出的宽带功率放大器，采用基于变压器的匹配网络，在输入、级间以及输出匹配网路中都采用变压器、电容和电阻的匹配网络，在每一级实现良好匹配的同时，通过输出与输入匹配网络去补偿级间匹配带来的较大带内波动，从而使得整个宽带功率放大器具有良好的增益平坦度。本专利技术提出的宽带高增益平坦度功率放大器，其电路结构如图1所示，其包括：（1）一个由高耦合因子变压器和电容电阻组成的输入匹配网络；所述输入匹配网络，采用变压器耦合的方式，包括用高耦合因子的变压器TF1来拓展带宽，用电容C1来调谐匹配点，以及在共源放大器输入端并联的适当阻值电阻用来降低RC并联网络的品质因子，从而实现好的输入匹配；（2）一个带中和电容的差分共源驱动放大器；所述驱动放大器，由驱动共源放大管CD1、CD2和中和电容CN1组成，其中中和电容CN1用来增加驱动放大器的增益与方向隔离，提高功率放大器的稳定性；（3）一个高耦合因子变压器组成的级间匹配网络；所述级间匹配电路，由变压比为2：1的高耦合因子变压器TF2和电容C2组成；匹配电路右边的高品质因子网络，使得级间匹配较大的带宽的同时带来较大的带内波动；（4）一个用于功率放大的带中和电容的差分共源功率放大器；所述差分共源功率放大器由共源放大管MP1、MP2和中和电容CN2组成，其原理与驱动放大器相同，放大管尺寸为驱动放大器的2倍，中和电容值也是驱动放大器的两倍，从而在提供较高功率输出的同时提高功率放大器的稳定性；（5）一个由高耦合因子变压器和负载电容组成的输出匹配网络；由高耦合因子的变压器TF3和电容C2组成的匹配网络，使得输出网络损耗最小，并且中间频带损耗小于两边，从而可以补偿级间匹配较大的带内波动，并且在整个频带提供较大功率的输出。本专利技术中，带中和电容的差分共源放大电路决定了功率放大器的增益以及输出功率，同时还保证了该功率放大器的稳定性。以变压器为基础的输入、级间、输出匹配网络在每一级实现较好匹配的同时，将多级匹配网络的设计有机结合成一个整体，通过匹配网络的设计使得级间匹配较大的带内波动可以被输入匹配和输出匹配所补偿，从而可以使得整个宽带功率放大器在超大带宽下实现良好的增益平坦度。本专利技术的技术特点及有益效果：（1）差分电路充分利用变压器可以单双转换的特点，提高了功率放大器的输出功率；（2）交叉中和电容的使用大幅度提高功率放大器的反向隔离，提高了功率放大器的稳定性；（3）以变压器为基础的匹配网络减小了匹配网络的面积，同时多级匹配网络增益相互补偿的提出大大提高了功率放大器的增益平坦度；（4）相比于传统的将多级匹配网络分开设计的方法，该功率放大器在7.5-18.5GHz之间实现了22dB的增益和1dB的增益波动，该增益平坦度远好于传统的3dB带宽。附图说明图1本专利技术的宽带高平坦度功率放大器的结构示意图。图2等效输出匹配网络。图3等效级间匹配网络。图4输入、级间、输出匹配网络损耗。图5功率放大器的S参数曲线。图6功率放大器的输出功率与效率。具体实施方式如图1所示为本专利技术的宽带高增益平坦度功率放大器。进入功率放大器的单端信号首先进过输入匹配网络转化为差分双端信号，两路信号的幅值相等，相位相差180度，同时输入匹配高阶网络设计为两个极点角频率重合，使得中间损耗比两侧小，从而补偿级间匹配较大的带内波动，图4（a）即为输入匹配损耗。然后这两路差分信号被送到驱动放大器中被共源放大管MD1和MD2放大，从而使得其输出功率通过级间匹配网络的损耗之后可以推动后端功率放大器，同时提升该总宽带功率放大器的增益。之后被驱动放大器放大的两路差分信号通过级间匹配网络传输到功率放大器，极间匹配网络等效电路模型如图2所示。Ro,d与Co,d的并联网络为驱动放大器的输出阻抗，Rs,p与Cp的串联网络为功率放大器的输入阻抗，TF2为级间匹配所用的变压器，该匹配网络可等效为通过变压器耦合的RC并联网络，并且第二级RC并联网络的Q值较高，因此该高阶匹配网络的两个极点角频率为：（1）其中，k为变压器的耦合因子，为单边LC谐振网络的谐振角频率。从式（1）可知，采用高耦合因子的变压器可以实现较大的带宽，同时引入较大的带内波动，如图4（b）为级间匹配网络的损耗。接下来两路差分信号被送到功率放大器中被大尺寸共源放大管MP1和MP2放大，从而使得功率放大器的输出功率在经过输出网络之后可以满足系统对输出功率的要求。最后，两路差分信号通过输出匹配网络由双端信号转化为单端信号，从而通过后端50欧姆天线输出。图3所示为输出匹配网络的等效电路图，其中Ropt与Copt的并联网络为通过负载迁移得到的最佳功率匹配阻抗，RL为输出50欧姆天线阻抗，CL特意添加的用来优化匹配网络的电容，TF3为用于输出匹配的变压器。由于左右两边RC并联网络的Q值都较低，因此设计时令该高阶匹配网络的两个极点角频率重合，从而使得在整个带宽实现良好输出匹配的同时，输出匹配网络可以用来补偿极间匹配网络的损耗，图4（c）为输出匹配损耗。以上实施例中的宽带高增益平坦度功率放大器的S参数曲线后仿真结果如图5所示。从图5结果来看，相比传统的宽带功率放大器，本专利技术在保证良好的输入输出匹配和反向隔离度的情况下，将宽带功率放大器的增益平坦度优化到仅仅只有1dB的带内波动。功率放大器的输出功率和效率后仿真结果如图6所示。从图6结果来看，本专利技术的宽带高增益平坦度功率放大器也仅仅只有1.5dB。以上实施例验证了本专利技术的正确性和实效性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带高增益平坦度的功率放大器，其特征在于，包括：（1）一个由高耦合因子变压器和电容电阻组成的输入匹配网络；所述输入匹配网络，采用变压器耦合的方式，包括用高耦合因子的变压器TF1来拓展带宽，用电容C1来调谐匹配点，以及在共源放大器输入端并联的适当阻值电阻用来降低RC并联网络的品质因子，从而实现好的输入匹配；（2）一个带中和电容的差分共源驱动放大器；所述驱动放大器，由驱动共源放大管CD1、CD2和中和电容CN1组成，其中中和电容CN1用来增加驱动放大器的增益与方向隔离，提高功率放大器的稳定性；（3）一个高耦合因子变压器组成的级间匹配网络；所述级间匹配电路，由变压比为2：1的高耦合因子变压器TF2和电容C2组成；匹配电路右边的高品质因子网络，使得级间匹配较大的带宽的同时带来较大的带内波动；（4）一个用于功率放大的带中和电容的差分共源功率放大器；所述差分共源功率放大器由共源放大管MP1、MP2和中和电容CN2组成，其原理与驱动放大器相同，放大管尺寸为驱动放大器的2倍，中和电容值也是驱动放大器的两倍，从而在提供较高功率输出的同时提高功率放大器的稳定性；（5）一个由高耦合因子变压器和负载电容组成的输出匹配网络；由高耦合因子的变压器TF3和电容C2组成的匹配网络，使得输出网络损耗最小，并且中间频带损耗小于两边，从而补偿级间匹配较大的带内波动，并且在整个频带提供较大功率的输出。...

【技术特征摘要】
1.一种宽带高增益平坦度的功率放大器，其特征在于，包括：（1）一个由高耦合因子变压器和电容电阻组成的输入匹配网络；所述输入匹配网络，采用变压器耦合的方式，包括用高耦合因子的变压器TF1来拓展带宽，用电容C1来调谐匹配点，以及在共源放大器输入端并联的适当阻值电阻用来降低RC并联网络的品质因子，从而实现好的输入匹配；（2）一个带中和电容的差分共源驱动放大器；所述驱动放大器，由驱动共源放大管CD1、CD2和中和电容CN1组成，其中中和电容CN1用来增加驱动放大器的增益与方向隔离，提高功率放大器的稳定性；（3）一个高耦合因子变压器组成的级间匹配网络；所述级间匹配电路，由变压比为2：1的高耦合因子...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巍，龚杰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31