一种功放级间匹配网络以及宽带低插损优化方法技术

本发明专利技术提供了一种功放级间匹配网络及其宽带低插损优化方法，该功放级间匹配网络应用于氮化镓毫米波多级功率放大器芯片的级间匹配网络，该匹配网络为一种“π”型功放级间匹配网络，其中第一馈电网络微带线(131)、第一馈电网络电容(C2)同时作为微带线匹配枝节；所述第二偏置网络微带线(132)、第二偏置网络稳定电阻(133)、第二偏置网络电容(C3)同时作为微带线匹配枝节以及稳定电路。本发明专利技术的网络与优化方法能够补偿两级功放前后HEMT管的寄生电容，实现插损和品质因数的优化，提高设计效率，提升毫米波功率放大器的效率与带宽。升毫米波功率放大器的效率与带宽。升毫米波功率放大器的效率与带宽。

【技术实现步骤摘要】
一种功放级间匹配网络以及宽带低插损优化方法


[0001]本专利技术涉及微波毫米波硬件
，尤其涉及一种紧凑的功放级间匹配网络和一种级间匹配网络的插损和品质因数的优化方法。

技术介绍

[0002]毫米波功率放大器是现代无线通信系统中射频前端中的重要组成部分，其理想功能是将输入的射频信号无失真、高效率地放大，达到功率输出的要求。
[0003]毫米波频谱正在吸引诸如5G通信和未来卫星通信等应用的极大兴趣，这些应用在投资和潜在收入方面远远超出了军事和科学用途的传统利益。与射频和微波频段相比，毫米波最吸引人的特点是宽广的频谱，这为通信系统的容量提供了巨大的优势。毫米波系统的其他优点是电路尺寸紧凑，尤其是天线，以及高自由空间衰减而伴随的易空间复用性。但另一方面，极高的工作频率对系统和电路设计提出了重大挑战，尤其是输出功率、效率、线性度和电路损耗等，因此毫米波功率放大器设计比较低频率更具挑战性。
[0004]氮化镓在宽频率范围内提供高功率密度、增益和效率，为系统设计工程师提供了广泛的折中空间，以实现最佳功放性能和经济价值。除了固有的性能优势外，在智能手机需求的推动下，在规模经济效应下，还能满足新兴毫米波应用的需求。
[0005]为了提高功率放大器的效率和带宽，现有的主流方法有：通过多阶LC枝节匹配来拓展带宽，但是多阶LC匹配枝节会增大匹配电路的插损，从而降低功放整体的效率，而且占用面积大；基于任意给定的匹配电路元件值通过仿真软件优化插损与带宽，但是这种方法耗费时间巨大，不利于提高设计的效率。
[0006]现有技术中毫米波功率放大器的常规设计无法高效设计大带宽、高效率、占用面积小的功放芯片。因此，针对目前技术中存在的上述缺陷，有必要研究一种占用面积小的功放拓扑，得出一种分析方法，快速设计出高效率、大带宽的氮化镓毫米波功率放大器。

技术实现思路

[0007]技术问题：本专利技术提供了一种功放级间匹配网络以及宽带低插损优化方法，应用于氮化镓毫米波多级功率放大器芯片的级间匹配网络设计，用以解决现有技术方案下的毫米波功率放大器占用面积大，设计过程缓慢，功放效率不高，带宽窄的缺陷。
[0008]技术方案：本专利技术的一种功放级间匹配网络为一种“π”型功放级间匹配网络，其中，第一馈电网络第一微带线的一端与第一HEMT管的漏极连接，另一端与第一馈电网络微带线和第一馈电网络第二微带线的一端连接；第一馈电网络微带线的另一端与一端接地的第一馈电网络电容和第一HEMT管的漏极电压源连接，第一馈电网络第二微带线的另一端与级间匹配网络电容连接；级间匹配网络电容的另一端与第二偏置网络第三微带线连接，第二偏置网络第三微带线与第二偏置网络第四微带线的一端以及第二偏置网络稳定电阻的一端连接，第二偏置网络稳定电阻的另一端与第二偏置网络微带线的一端相连，第二偏置网络微带线的另一端与一端接地的第二偏置网络电容和第二HEMT管的栅极电压源连接，第
二偏置网络第四微带线的另一端与第二HEMT管的栅极连接；
[0009]所述第一馈电网络微带线、第一馈电网络电容同时作为微带线匹配枝节；所述第二偏置网络微带线、第二偏置网络稳定电阻、第二偏置网络电容同时作为微带线匹配枝节以及稳定电路。
[0010]所述第一馈电网络第一微带线、第一馈电网络第二微带线、第二偏置网络第三微带线、第二偏置网络第四微带线用于实现第一HEMT管的漏极和第二HEMT管栅极之间的复阻抗级间匹配。第一馈电网络微带线用于给第一HEMT管的漏极馈电；第二偏置网络微带线用于给第二HEMT管栅极偏置。
[0011]所述级间匹配网络电容用于隔离给第一HEMT管的漏极和给第二HEMT管栅极的直流电，也有级间匹配的作用；所述第一馈电网络电容用于第一HEMT管的漏极馈电，同时也能使第一馈电网络微带线在工作频段近似射频接地；第二偏置网络电容用于给第二HEMT管栅极偏置去耦，同时也能使第二偏置网络微带线在工作频段近似射频接地；另外第一馈电网络电容与第二偏置网络电容都能防止电源噪声引起的自激。
[0012]所述第一HEMT管和第二HEMT管采用0.15um GaN
‑
on
‑
SiC工艺。
[0013]所述第二偏置网络稳定电阻用于提高功放的稳定性。
[0014]本专利技术的功放级间匹配网络的宽带低插损优化方法，其特征在于该方法包括：
[0015]步骤一：级间匹配电路拓扑简化与等效
[0016]忽略仅起连接与微调作用的所述第一馈电网络第一微带线、第一馈电网络第二微带线、第二偏置网络第三微带线、第二偏置网络第四微带线以及第二偏置网络稳定电阻；通过对所述第一馈电网络电容、第二偏置网络电容的恰当选值，使微带线在工作频段内近似等效为接地；简化后的级间匹配网络作为“π”型匹配电路，仅考虑所述第一馈电网络微带线、第二HEMT管的第二偏置网络微带线、级间匹配网络电容；
[0017]因接地微带线长度小于四分之一波长时可以等效为电感，所述接地的第一馈电网络微带线、第二偏置网络微带线分别等效为第一馈电网络电感、第二偏置网络电感；所述第一馈电网络电感是第一馈电网络补偿电感与第一馈电网络匹配电感的并联，所述第二偏置网络电感是第二偏置网络补偿电感与第二偏置网络匹配电感的并联；
[0018]步骤二：补偿电感求取
[0019]所述第一馈电网络补偿电感的感抗X
1c
与第二偏置网络补偿电感的感抗X
2c
由以下方式确定：对所述第二HEMT管、第一HEMT管分别进行源牵引、负载牵引得到的复阻抗的共轭值Z，进行串并联转换：
[0020]串联形式下的阻抗Z为：
[0021][0022]其中为虚数，定义为R
s
为阻抗串联形式下的串联电阻，X
cs
为阻抗串联形式下的串联电抗，
[0023]并联形式下的阻抗Z为：
[0024][0025]其中R
p
为阻抗并联形式下的并联电阻，X
cp
为阻抗并联形式下的并联电抗，公式(1)
等价于公式(2)，联立公式(1)、(2)可得到并联形式下的并联电阻R
p
，并联电抗X
cp
：
[0026][0027][0028]因此得到并联形式下的并联电抗X
cp
，从而确定补偿所需的并联感抗值为
‑
X
cp
；
[0029]步骤三：目标函数
‑
级间匹配网络的品质因数与插损函数：
[0030]当R
source
>R
Load
时，“π”型匹配电路第一馈电网络匹配电感的电抗X1、第二偏置网络匹配电感的电抗X2以及级间匹配网络电容的电抗X
C
由以下公式确定：
[0031][0032][0033][0034]其中R
source
为第一HEMT管负载牵引得到的最优阻抗的实部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功放级间匹配网络，其特征在于：该匹配网络为一种“π”型功放级间匹配网络，其中，第一馈电网络第一微带线(111)的一端与第一HEMT管(106)的漏极连接，另一端与第一馈电网络微带线(131)和第一馈电网络第二微带线(112)的一端连接；第一馈电网络微带线(131)的另一端与一端接地的第一馈电网络电容(C2)和第一HEMT管(106)的漏极电压源(Vds1)连接，第一馈电网络第二微带线(112)的另一端与级间匹配网络电容(C1)连接；级间匹配网络电容(C1)的另一端与第二偏置网络第三微带线(113)连接，第二偏置网络第三微带线(113)与第二偏置网络第四微带线(114)的一端以及第二偏置网络稳定电阻(133)的一端连接，第二偏置网络稳定电阻(133)的另一端与第二偏置网络微带线(132)的一端相连，第二偏置网络微带线(132)的另一端与一端接地的第二偏置网络电容(C3)和第二HEMT管(107)的栅极电压源(Vgs2)连接，第二偏置网络第四微带线(114)的另一端与第二HEMT管(107)的栅极连接；所述第一馈电网络微带线(131)、第一馈电网络电容(C2)同时作为微带线匹配枝节；所述第二偏置网络微带线(132)、第二偏置网络稳定电阻(133)、第二偏置网络电容(C3)同时作为微带线匹配枝节以及稳定电路。2.根据权利要求1所述的功放级间匹配网络，其特征在于：所述第一馈电网络第一微带线(111)、第一馈电网络第二微带线(112)、第二偏置网络第三微带线(113)、第二偏置网络第四微带线(114)用于实现第一HEMT管(106)的漏极和第二HEMT管(107)栅极之间的复阻抗级间匹配。第一馈电网络微带线(131)用于给第一HEMT管(106)的漏极馈电；第二偏置网络微带线(132)用于给第二HEMT管(107)栅极偏置。3.根据权利要求1所述的功放级间匹配网络，其特征在于：所述级间匹配网络电容(C1)用于隔离给第一HEMT管(106)的漏极和给第二HEMT管(107)栅极的直流电，也有级间匹配的作用；所述第一馈电网络电容(C2)用于第一HEMT管(106)的漏极馈电，同时也能使第一馈电网络微带线(131)在工作频段近似射频接地；第二偏置网络电容(C3)用于给第二HEMT管(107)栅极偏置去耦，同时也能使第二偏置网络微带线(132)在工作频段近似射频接地；另外第一馈电网络电容(C2)与第二偏置网络电容(C3)都能防止电源噪声引起的自激。4.根据权利要求1所述的功放级间匹配网络，其特征在于：所述第一HEMT管(106)和第二HEMT管(107)采用0.15um GaN
‑
on
‑
SiC工艺。5.根据权利要求1所述的功放级间匹配网络，其特征在于：所述第二偏置网络稳定电阻(133)用于提高功放的稳定性。6.一种如权利要求1所述的功放级间匹配网络的宽带低插损优化方法，其特征在于该方法包括：步骤一：级间匹配电路拓扑简化与等效忽略仅起连接与微调作用的所述第一馈电网络第一微带线(111)、第一馈电网络第二微带线(112)、第二偏置网络第三微带线(113)、第二偏置网络第四微带线(114)以及第二偏置网络稳定电阻(133)；通过对所述第一馈电网络电容(C2)、第二偏置网络电容(C3)的恰当选值，使微带线在工作频段内近似等效为接地；简化后的级间匹配网络作为“π”型匹配电路，仅考虑所述第一馈电网络微带线(131)、第二HEMT管(107)的第二偏置网络微带线(132)、级间匹配网络电容(C1)；因接地微带线长度小于四分之一波长时可以等效为电感，所述接地的第一馈电网络微
带线(131)、第二偏置网络微带线(132)分别等效为第一馈电网络电感(L
1all
)、第二偏置网络电感(L
2all
)；所述第一馈电网络电感(L
1all
)是第一馈电网络补偿电感(L
1c
)与第一馈电网络匹配电感(L1)的并联，所述第二偏置网络电感(L
2all
)是第二偏置网络补偿电感(L
2c
)与第二偏置网络匹配电感(L2)的并联；步骤二：补偿电感求取所述第一馈电网络补偿电感(L
1c
)的感抗X
1c
与第二偏置网络补偿电感(L
2c
)的感抗X
2c
由以下方式确定：对所述第二HEMT管(107)、第一HEMT管(106)分别进行源牵引、负载牵引得到的复阻抗的共轭值Z，进行串并联转换：串联形式下的阻抗Z为：其中为虚数，定义为R
s
为阻抗串联形式下的串联电阻，X
cs
为阻抗串联形式下的串联电抗，并联形式下的阻抗Z为：其中R
p
为阻抗并联形式下的并联电阻，X
cp
为阻抗并联形式下的并联电抗，公式(1)等价于公式(2)，联立公式(1)、(2)可得到并联形式下的并联电阻R
p
，并联电抗X
cp
：：因此...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓维，董勤，张雷，刘睿佳，赵子明，曹阳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：