專利名稱：寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基新型材料微波單片集成電路，尤其是一種寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器。
背景技術(shù)：
CREE 公司的產(chǎn)品 CMPA0060002F 和 CMPA0060025F 的工作頻率為 20MHz_6GHz，芯片面積為 3. 5*3. 7 mm2 和 4. 2*3. 7 mm2，飽和輸出功率分別為 37dBm 和 44dBm，CMPA2560025F 的工作頻率為2. 5GHz-6GHz，飽和輸出功率分別為44dBm，芯片面積為4*3. 7 mm2 ；三款單片放大器均采用氮化鎵基材料作為基片。2000年第二屆國際微波毫米波南京電子器件研究所報道的2-6GHz GaAs功率 MMIC飽和輸出功率32dBm，芯片面積2. 6*2. 7mm2 ；2008年M/A-C0M公司的hder J. Bahl 報道了 2-8 GHzGaAs功率MMIC飽和輸出功率39dBm，芯片面積5*6. 3mm2 ；2_6GHz GaAs的產(chǎn)品MAAPGM0078-DIE的飽和輸出功率41dBm，芯片面積5*6. 3mm2。三款單片放大器均采用采用砷化鎵基材料作為基片。其中，CMPA0060002F的單位面積輸出功率0. 39ff/mm2 ；CMPA0060025F的單位面積輸出功率2. 05ff/mm2 ；CMPA2560025F的單位面積輸出功率2. 16ff/mm2 ；2_6GHz GaAs功率MMIC的單位面積輸出功率0. 23ff/mm2 ；2 - 8 GHzGaAs功率MMIC的單位面積輸出功率 0. 25ff/mm2 ；2_6GHz GaAs 的產(chǎn)品 MAAPGM0078-DIE 的單位面積輸出功率 0. 38W/mm2。以上產(chǎn)品的單位面積輸出功率偏小，導(dǎo)致要么帶寬太寬，為50MHz-6GHz，要么太窄，為2. 5 GHz-6GHz，作為一個2GHz-6GHz的標準頻段而言，都是不合適的。若帶寬不夠，滿足不了工程應(yīng)用要求；若帶寬太寬，則容易帶外信息錯誤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種增大單位面積輸出功率的寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是
一種寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器，其特征在于其包括第一級功率放大電路、第二級功率放大電路和匹配電路；所述第一級功率放大電路的輸出端經(jīng)匹配電路接第二級功率放大電路的輸入端；
所述第一級功率放大電路由場效應(yīng)管T1-T2、電感L11-L16、電容C1-C2組成；所述電感 Lll的一端為信號輸入端Pin，其另一端經(jīng)所述電容Cl分別接所述場效應(yīng)管Tl和T2的柵極； 所述電感Lll與所述電容Cl的節(jié)點經(jīng)所述電感L12接地；所述場效應(yīng)管Tl的柵極經(jīng)所述電感L15接電源Vg ；所述電容C2接在電源Vg與地之間；所述場效應(yīng)管Tl和T2的漏極分別經(jīng)所述電感L13和電感L14接所述第一級功率放大電路的輸出端A點，其源極分別接地； 所述匹配電路由電容C3、電感L17-L23組成；所述電感L17的一端與經(jīng)所述電容C3接 A點，其另一端一路依次經(jīng)所述電感L18、L19接所述第二級功率放大電路的輸入端B點，另一路經(jīng)所述電感L21、L22接所述第二級功率放大電路的輸入端C點；所述電感L20接在所述電感L18和L19的節(jié)點與地之間；所述電感L23接在所述電感L21和L22的節(jié)點與地之間；
所述第二級功率放大電路由場效應(yīng)管T3-T6、電感L24-L33、電容C4-C10組成；所述場效應(yīng)管T3和T4的柵極分別經(jīng)接所述所述電容C5和C6接所述B點，其源極接地；所述場效應(yīng)管T3的漏極依次經(jīng)所述電感L25、L30、L31、電容Cll接信號輸出端P。ut ；所述電感LM — 端接所述場效應(yīng)管T3、T4、T5、T6的柵極，其另一端接電源Vg ；所述電感U6 —端接所述場效應(yīng)管Τ4的漏極，其另一端接和所述電感L25和L30的節(jié)點；所述電感U9接在所述電感 L25和L30的節(jié)點與電源Vd之間；所述電容C9接在所述電感L30和L31的節(jié)點與地之間； 所述場效應(yīng)管Τ5和Τ6的柵極分別經(jīng)接所述所述電容C7和C8接所述C點，其源極接地；所述場效應(yīng)管Τ5的漏極依次經(jīng)所述電感L27、L32、L33接所述電感L31與電容Cll的節(jié)點； 所述電感U8 —端接所述場效應(yīng)管Τ6的漏極，其另一端接所述電感L27和L28的節(jié)點；所述電容ClO接在所述電感L32和L33的節(jié)點與地之間。所述寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器集成在單片晶圓上。所述寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器的晶圓采用氮化鎵基材料作為基片。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于
1、匹配電路結(jié)構(gòu)引入級間反射波復(fù)用結(jié)構(gòu)，使信號重復(fù)利用。2、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)通常采用一個串聯(lián)電容進行隔直，對工作電壓小的GaAs是合適的，但對工作電壓高的GaN器件而言，容易造成擊穿；而本發(fā)明中C3分別和C5、C6、C7、C8在信號通路上構(gòu)成兩個串聯(lián)的隔直電容，每個電容承受的電壓減半，提高了耐受電壓。由于抗高電壓能力增加，所以可以工作在更高電壓，從而可以輸出更大功率。本發(fā)明的飽和輸出功率為 43dBm。3、GaN基材料是非常昂貴的材料，充分利用材料的面積是非常必要的。本發(fā)明的匹配電路結(jié)構(gòu)采用了兩個串聯(lián)電容和一個并聯(lián)電感，只需較小的串聯(lián)電感就可實現(xiàn)需要的匹配特性，縮小了串聯(lián)電感的占用面積。由于面積減小，同樣的晶圓上，有效單元的數(shù)量增加，使得同等芯片面積下的輸出輸出功率大大增加，或者使芯片單位芯片面積下的功率密度增加。本發(fā)明開發(fā)的產(chǎn)品的帶寬為2GHz-6GHz，芯片面積3. 5*2. 5mm2，單位面積輸出功率 2J9W/mm2。和同樣襯底的放大器相比，擁有更高的單位面積功率輸出效率。在系統(tǒng)面積資源緊張以及供能系統(tǒng)簡約的大趨勢下，面積的縮小可以使系統(tǒng)簡化。同時可以使芯片的起伏性減小，提高成品率。4、本發(fā)明的匹配電路結(jié)構(gòu)的偏置電路采用多組管體管一個偏置LC網(wǎng)絡(luò)的加電結(jié)構(gòu)，保持不自激；由于不容易自激，所以減小了偏置網(wǎng)絡(luò)帶來的不均勻性，成品率進一步提


圖1是本發(fā)明的電路圖； 圖2是本發(fā)明的性能曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。一種寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器，其特征在于其包括第一級功率放大電路、第二級功率放大電路和匹配電路；所述第一級功率放大電路的輸出端經(jīng)匹配電路接第二級功率放大電路的輸入端；
所述第一級功率放大電路由場效應(yīng)管T1-T2、電感L11-L16、電容C1-C2組成；所述電感 Lll的一端為信號輸入端Pin，其另一端經(jīng)所述電容Cl分別接所述場效應(yīng)管Tl和T2的柵極； 所述電感Lll與所述電容Cl的節(jié)點經(jīng)所述電感L12接地；所述場效應(yīng)管Tl的柵極經(jīng)所述電感L15接電源Vg ；所述電容C2接在電源Vg與地之間；所述場效應(yīng)管Tl和T2的漏極分別經(jīng)所述電感L13和電感L14接所述第一級功率放大電路的輸出端A點，其源極分別接地； 所述匹配電路由電容C3、電感L17-L23組成；所述電感L17的一端與經(jīng)所述電容C3接 A點，其另一端一路依次經(jīng)所述電感L18、L19接所述第二級功率放大電路的輸入端B點，另一路經(jīng)所述電感L21、L22接所述第二級功率放大電路的輸入端C點；所述電感L20接在所述電感L18和L19的節(jié)點與地之間；所述電感L23接在所述電感L21和L22的節(jié)點與地之間；
所述第二級功率放大電路由場效應(yīng)管T3-T6、電感L24-L33、電容C4-C10組成；所述場效應(yīng)管T3和T4的柵極分別經(jīng)接所述所述電容C5和C6接所述B點，其源極接地；所述場效應(yīng)管T3的漏極依次經(jīng)所述電感L25、L30、L31、電容Cll接信號輸出端P。ut ；所述電感LM — 端接所述場效應(yīng)管T3、T4、T5、T6的柵極，其另一端接電源Vg ；所述電感U6 —端接所述場效應(yīng)管Τ4的漏極，其另一端接和所述電感L25和L30的節(jié)點；所述電感U9接在所述電感 L25和L30的節(jié)點與電源Vd之間；所述電容C9接在所述電感L30和L31的節(jié)點與地之間； 所述場效應(yīng)管Τ5和Τ6的柵極分別經(jīng)接所述所述電容C7和C8接所述C點，其源極接地；所述場效應(yīng)管Τ5的漏極依次經(jīng)所述電感L27、L32、L33接所述電感L31與電容Cll的節(jié)點； 所述電感U8 —端接所述場效應(yīng)管Τ6的漏極，其另一端接所述電感L27和L28的節(jié)點；所述電容ClO接在所述電感L32和L33的節(jié)點與地之間。所述寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器集成在單片晶圓上。所述寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器的晶圓采用氮化鎵基材料作為基片。電路中，電感L15、L16、L24、U9是扼流電感，防止射頻信號泄漏到電源；L12、 L20、L23實現(xiàn)射頻信號的二次反射；其余電感實現(xiàn)匹配。電容C2、C4實現(xiàn)濾波，濾除電源中的紋波；C1、C3、C5-C8、C11實現(xiàn)直流信號的隔離，防止直流信號進入信號端口。放大器的信號流向是單向的，從Pin到P。ut。放大器本身的工作原理非常簡單，通過 Vg、Vd將場效應(yīng)晶體管固定在可以放大的狀態(tài)，信號經(jīng)過兩級功率放大電路實現(xiàn)放大。信號到達第一級功率放大電路輸入端時，大部分信號進入到場效應(yīng)晶體管實現(xiàn)放大后輸出， 小部分信號被反射，反射信號被L12再次反射后進入場效應(yīng)晶體管T1、T2，實現(xiàn)信號的二次利用；第一級功率放大電路輸出信號經(jīng)匹配電路到達第二級功率放大電路輸入端時，大部分信號進入場效應(yīng)晶體管Τ3-Τ6實現(xiàn)放大后輸出，小部分信號被反射，反射信號被L20、L23 再次反射后進入場效應(yīng)晶體管T3-T6的輸入端，實現(xiàn)信號的二次利用，也就是提高了效率。
權(quán)利要求
1.一種寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器，其特征在于其包括第一級功率放大電路、第二級功率放大電路和匹配電路；所述第一級功率放大電路的輸出端經(jīng)匹配電路接第二級功率放大電路的輸入端；所述第一級功率放大電路由場效應(yīng)管T1-T2、電感L11-L16、電容C1-C2組成；所述電感 Lll的一端為信號輸入端Pin，其另一端經(jīng)所述電容Cl分別接所述場效應(yīng)管Tl和T2的柵極； 所述電感Lll與所述電容Cl的節(jié)點經(jīng)所述電感L12接地；所述場效應(yīng)管Tl的柵極經(jīng)所述電感L15接電源Vg ；所述電容C2接在電源Vg與地之間；所述場效應(yīng)管Tl和T2的漏極分別經(jīng)所述電感L13和電感L14接所述第一級功率放大電路的輸出端A點，其源極分別接地；所述匹配電路由電容C3、電感L17-L23組成；所述電感L17的一端與經(jīng)所述電容C3接 A點，其另一端一路依次經(jīng)所述電感L18、L19接所述第二級功率放大電路的輸入端B點，另一路經(jīng)所述電感L21、L22接所述第二級功率放大電路的輸入端C點；所述電感L20接在所述電感L18和L19的節(jié)點與地之間；所述電感L23接在所述電感L21和L22的節(jié)點與地之間；所述第二級功率放大電路由場效應(yīng)管T3-T6、電感L24-L33、電容C4-C10組成；所述場效應(yīng)管T3和T4的柵極分別經(jīng)接所述所述電容C5和C6接所述B點，其源極接地；所述場效應(yīng)管T3的漏極依次經(jīng)所述電感L25、L30、L31、電容Cll接信號輸出端P。ut ；所述電感LM — 端接所述場效應(yīng)管T3、T4、T5、T6的柵極，其另一端接電源Vg ；所述電感U6 —端接所述場效應(yīng)管Τ4的漏極，其另一端接和所述電感L25和L30的節(jié)點；所述電感U9接在所述電感 L25和L30的節(jié)點與電源Vd之間；所述電容C9接在所述電感L30和L31的節(jié)點與地之間； 所述場效應(yīng)管Τ5和Τ6的柵極分別經(jīng)接所述所述電容C7和C8接所述C點，其源極接地；所述場效應(yīng)管Τ5的漏極依次經(jīng)所述電感L27、L32、L33接所述電感L31與電容Cll的節(jié)點； 所述電感U8 —端接所述場效應(yīng)管Τ6的漏極，其另一端接所述電感L27和L28的節(jié)點；所述電容ClO接在所述電感L32和L33的節(jié)點與地之間。
2.基于權(quán)利要求1所述的寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器，其特征在于所述電路集成在單片晶圓上。
3.基于權(quán)利要求1所述的寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器，其特征在于所述晶圓采用氮化鎵基材料作為基片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶氮化鎵基微波大功率單片集成功率放大器，其特征在于其包括第一級功率放大電路、第二級功率放大電路和匹配電路；所述第一級功率放大電路經(jīng)匹配電路接第二級功率放大電路。本發(fā)明開發(fā)的產(chǎn)品的帶寬為2GHz-6GHz，芯片面積3.5*2.5mm2，飽和輸出功率43dBm，單位面積輸出功率為2.29W/mm2。和同樣襯底的放大器相比，擁有更高的單位面積功率輸出效率。在系統(tǒng)面積資源緊張以及供能系統(tǒng)簡約的大趨勢下，面積的縮小可以使系統(tǒng)簡化；同時可以使芯片的性能起伏性減小，提高成品率。
文檔編號H03F3/21GK102347737SQ201110169480
公開日2012年2月8日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者付興昌, 崔玉興, 李亮, 王會智 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所