本發(fā)明涉及一種分段外匹配式小型化功率放大器。

背景技術(shù)：

目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的寬帶功率放大器一般采用內(nèi)匹配式芯片，由于國(guó)內(nèi)MMIC技術(shù)發(fā)展較晚，設(shè)計(jì)的芯片性能指標(biāo)較國(guó)外還有一定差距，因此使用的內(nèi)匹配式芯片大部分由國(guó)外購買，價(jià)格昂貴，并且很多芯片對(duì)于中國(guó)都是禁運(yùn)產(chǎn)品，增加了寬帶功率放大器設(shè)計(jì)的成本與難度。隨著微波毫米波技術(shù)的發(fā)展，對(duì)功率放大器輸出功率提出了更高要求，要求其具有更寬的工作頻率、更大的輸出功率、更小的體積與更好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，為了提高產(chǎn)品的輸出功率，需增加合成路數(shù)或者提高單片輸出功率。增加合成路數(shù)意味著增大了功率合成的技術(shù)難度與結(jié)構(gòu)體積；提高芯片輸出功率，需要改變國(guó)外大功率芯片對(duì)我國(guó)禁運(yùn)的現(xiàn)狀或者突破MMIC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與制造工藝，目前這兩種方案尚有一定難度。因此選用成本低、輸出功率大的外匹配GaN場(chǎng)效應(yīng)管，是提高輸出功率能力的有效手段。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中給出了一種場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配電路，其工作頻率為0.8GHz-1.2GHz，整個(gè)匹配電路主要包括9部分：場(chǎng)效應(yīng)管101、射頻50Ω輸入端口102、射頻50Ω輸出端口103、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)104、輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)105、柵極電壓偏置線106、漏極電壓偏置線107、偏置電容108、偏置電感109。輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)104主要解決穩(wěn)定性、增益、輸入駐波等問題，輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)105用來完成放大器的輸出端口與負(fù)載之間的匹配，其主要作用是提高輸出功率、改善輸出駐波比和抑制諧波。場(chǎng)效應(yīng)管輸入輸出端的阻抗值較小，通常為幾歐姆量級(jí)，而這種傳統(tǒng)方法通常利用四分之一波長(zhǎng)多級(jí)臺(tái)階漸變形式，將幾歐姆量級(jí)的小阻抗直接匹配到射頻50Ω輸入端口102與射頻50Ω輸出端口103中，由于工作頻率低波長(zhǎng)較長(zhǎng)，這種方法設(shè)計(jì)的匹配電路的結(jié)構(gòu)尺寸較大，且匹配帶寬有很大限制。

同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的整體輸出功率能力，需要在匹配電路外部進(jìn)行功率合成。當(dāng)進(jìn)行功率分配與合成時(shí)，通常采用Wilkinson功分器來實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是在工作頻段加寬時(shí)，功分支路的節(jié)數(shù)將增多，造成通路加長(zhǎng)，損耗增大，作為功率合成電路應(yīng)用時(shí)，高損耗將直接導(dǎo)致功率合成效率降低。在大功率通信系統(tǒng)中，現(xiàn)有平面功率合成器存有體積大、功率小、一致性差、需要反復(fù)裝配調(diào)試等問題，不能滿足系統(tǒng)小型化、高一致性與高可靠性的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種分段外匹配式小型化功率放大器，以滿足寬頻帶、大功率、小尺寸與高可靠性的技術(shù)要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種分段外匹配式小型化功率放大器，包括射頻50Ω輸入端口、功率分配器、功率合成器和射頻50Ω輸出端口；其中：

射頻50Ω輸入端口與功率分配器相連，功率合成器和射頻50Ω輸出端口相連；

在功率分配器與功率合成器之間設(shè)有兩路相同的放大單元；

每路放大單元均包括依次連接的輸入阻抗匹配單元、場(chǎng)效應(yīng)管和輸出阻抗匹配單元；在場(chǎng)效應(yīng)管上配置有柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元；

功率分配器，用于將經(jīng)由射頻50Ω輸入端口進(jìn)入的信號(hào)一路等分配為兩路，然后分別輸入其中一路放大單元中；

輸入阻抗匹配單元，用于將輸入的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；

場(chǎng)效應(yīng)管，用于將經(jīng)過匹配后的信號(hào)進(jìn)行放大處理；

輸出阻抗匹配單元，用于將經(jīng)由場(chǎng)效應(yīng)管放大后輸出的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω；

柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元，用于提供場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)所需的直流電壓；

功率合成器，用于實(shí)現(xiàn)兩路放大后的信號(hào)合成，合成信號(hào)經(jīng)由射頻50Ω輸出端口輸出；

在功率分配和功率合成過程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)25Ω到50Ω的阻抗值轉(zhuǎn)換。

優(yōu)選地，所述功率放大器還包括兩個(gè)50Ω負(fù)載；其中一個(gè)50Ω負(fù)載的一端與功率分配器相連，另一端接地；另一個(gè)50Ω負(fù)載的一端與功率合成器相連，另一端接地。

優(yōu)選地，所述功率分配器和功率合成器結(jié)構(gòu)相同。

優(yōu)選地，所述功率分配器/功率合成器包括中間電路介質(zhì)層；

在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)表面上集成有功率分配/合成電路，該功率分配/合成電路采用寬帶耦合及寬帶阻抗變換的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)由內(nèi)向外分別依次設(shè)有第二介質(zhì)層和底部介質(zhì)層。

優(yōu)選地，所述功率分配/合成電路在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)表面按照曲線方式布置。

優(yōu)選地，所述輸入阻抗匹配單元采用T型漸變枝節(jié)配合曲線漸變的結(jié)構(gòu)形式。

優(yōu)選地，所述輸出阻抗匹配單元采用曲線漸變的結(jié)構(gòu)形式。

優(yōu)選地，所述柵極電壓偏置單元和漏極電壓偏置單元均采用臺(tái)階變換結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在輸出阻抗匹配單元的兩側(cè)分別設(shè)有自激抑制外匹配陣列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明采用的分段匹配式思想，只需將輸入輸出阻抗匹配到25Ω上，匹配過程中采用了曲線漸變的形式，變換平緩，大大降低了匹配單元設(shè)計(jì)難度，利于實(shí)現(xiàn)寬頻帶。

(2)整體電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想，輸入阻抗匹配單元和輸出阻抗匹配單元只需將輸入和輸出阻抗匹配到25Ω上，大大縮短了匹配單元的結(jié)構(gòu)尺寸，而25Ω至50Ω的變換將在功率分配器和功率合成器中實(shí)現(xiàn)，在阻抗變換的同時(shí)巧妙的實(shí)現(xiàn)了功率的分配與合成。

(3)本發(fā)明將輸入阻抗匹配單元、輸出阻抗匹配單元與功率分配器、功率合成器結(jié)合為一體，各個(gè)單元之間連接緊湊，避免傳統(tǒng)硬性間接連接帶來的損耗，同時(shí)整個(gè)信號(hào)的分配和合成以及阻抗變換均在低損耗介質(zhì)內(nèi)完成，提高了功率放大器的輸出功率。

(4)在功率分配器和功率合成器上分別設(shè)有大功率吸收負(fù)載端口，并連接有50Ω負(fù)載，可以保證一路放大單元失配的情況下另一路仍正常工作；同時(shí)在輸出阻抗匹配單元上增加了自激抑制外匹配陣列，可提高電路的穩(wěn)定性，防止自激現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(5)功率分配器和功率合成器采用微波多層電路的技術(shù)方案，在功率分配與合成的過程中實(shí)現(xiàn)了25Ω至50Ω的變換，功率分配/合成電路呈曲線方式排布形式，結(jié)構(gòu)緊湊小巧。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種場(chǎng)效應(yīng)管阻抗匹配電路的原理圖；

圖2為本發(fā)明中一種分段外匹配式小型化功率放大器的原理圖；

圖3為本發(fā)明中功率分配/合成器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中單路放大單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，101-場(chǎng)效應(yīng)管，102-射頻50Ω輸入端口，103-射頻50Ω輸出端口，104-輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，105-輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，106-柵極電壓偏置線，107-漏極電壓偏置線，108-偏置電容，109-偏置電感；201-場(chǎng)效應(yīng)管，202-射頻50Ω輸入端口，203-射頻50Ω輸出端口，204-功率分配器，205-輸入阻抗匹配單元，206-柵極電壓偏置單元，207-漏極電壓偏置單元，208-輸出阻抗匹配單元，209-功率合成器，210-50Ω負(fù)載，211-50Ω負(fù)載；301-中間電路介質(zhì)層，302-第二介質(zhì)層，303-底部介質(zhì)層，304-功率分配/合成電路；401-場(chǎng)效應(yīng)管，402-射頻25Ω輸入端口，403-射頻25Ω輸出端口，404-輸入阻抗匹配單元，405-輸出阻抗匹配單元，406-自激抑制外匹配陣列，407-柵極電壓偏置單元，408-漏極電壓偏置單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖2所示，一種分段外匹配式小型化功率放大器，包括射頻50Ω輸入端口202、功率分配器204、功率合成器209和射頻50Ω輸出端口203。

在功率分配器204與功率合成器209之間設(shè)有兩路相同的放大單元。

射頻50Ω輸入端口202與功率分配器204相連，用于將經(jīng)由射頻50Ω輸入端口202進(jìn)入的信號(hào)一路等分配為兩路，然后分別輸入一路放大單元中。

每路放大單元均包括輸入阻抗匹配單元205、場(chǎng)效應(yīng)管201和輸出阻抗匹配單元208。其中，輸入阻抗匹配單元205、場(chǎng)效應(yīng)管201和輸出阻抗匹配單元208依次連接。

輸入阻抗匹配單元205，用于將輸入的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω。

場(chǎng)效應(yīng)管201，用于將經(jīng)過匹配后的信號(hào)進(jìn)行放大處理。

輸出阻抗匹配單元208，用于將經(jīng)由場(chǎng)效應(yīng)管放大后輸出的信號(hào)阻抗值匹配到25Ω。

在場(chǎng)效應(yīng)管201上配置有柵極電壓偏置單元206和漏極電壓偏置單元207，用于提供場(chǎng)效應(yīng)管201工作時(shí)所需的直流電壓。

功率合成器209，用于實(shí)現(xiàn)兩路放大后的信號(hào)合成。

功率合成器209和射頻50Ω輸出端口203相連，經(jīng)過功率合成器209合成后的信號(hào)經(jīng)由射頻50Ω輸出端口輸出。

在功率分配和功率合成過程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)25Ω到50Ω的阻抗值轉(zhuǎn)換。

在場(chǎng)效應(yīng)管201的阻抗匹配過程中，只是將輸入輸出端的小阻抗值匹配至25Ω，而25Ω至50Ω的變換在功率分配器204與功率合成器209中實(shí)現(xiàn)，在阻抗變換的同時(shí)即完成了功率的分配與合成，這種分段外匹配式的設(shè)計(jì)思想，將大大縮小整個(gè)功率放大器的體積。

此外，場(chǎng)效應(yīng)管201的輸入輸出端口的小阻抗值只匹配至25Ω時(shí)，將大大降低設(shè)計(jì)難度與匹配鏈路的長(zhǎng)度，而25Ω至50Ω變換在功率分配器204與功率合成器209中實(shí)現(xiàn)，阻抗變換電路完全屬于無源匹配，其設(shè)計(jì)難度會(huì)相對(duì)降低。另外，縮短了場(chǎng)效應(yīng)管匹配鏈路的長(zhǎng)度，可以避免由于長(zhǎng)匹配電路并行帶來的寄生參數(shù)的影響，有效提高了功率放大器的穩(wěn)定性。

信號(hào)在本發(fā)明中功率放大器的內(nèi)部走向?yàn)椋?/p>

工作時(shí)，信號(hào)由射頻50Ω輸入端口202進(jìn)入，經(jīng)由功率分配器204將一路信號(hào)等分配為兩路，然后每一路信號(hào)經(jīng)由輸入阻抗匹配單元205進(jìn)入到場(chǎng)效應(yīng)管201，在場(chǎng)效應(yīng)管201中放大后的信號(hào)進(jìn)入輸出阻抗匹配單元208，每一路放大后的信號(hào)經(jīng)過功率合成器209完成兩路信號(hào)的合成，最后由射頻50Ω輸出端口203輸出。

另外，功率放大器還包括兩個(gè)50Ω負(fù)載，一個(gè)50Ω負(fù)載210的一端與功率分配器204相連，另一端接地；另一個(gè)50Ω負(fù)載211的一端與功率合成器209相連，另一端接地。

在功率分配器204和功率合成器209上分別設(shè)有與之對(duì)應(yīng)的大功率吸收負(fù)載端口。

通過上述50Ω負(fù)載設(shè)計(jì)，使得兩路信號(hào)工作時(shí)，其中一路出現(xiàn)失配的情況下，其反射信號(hào)將會(huì)被50Ω負(fù)載所吸收，從而保證整個(gè)放大器仍可以正常工作。

本發(fā)明中的功率分配器204和功率合成器209結(jié)構(gòu)相同。

如圖3所示，功率分配器204/功率合成器209包括中間電路介質(zhì)層301。

在中間電路介質(zhì)層301的上、下兩側(cè)表面上集成有功率分配/合成電路304，該功率分配/合成電路304采用寬帶耦合及寬帶阻抗變換的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

在功率分配與合成的過程中利于實(shí)現(xiàn)阻抗值由25Ω至50Ω的變換。

優(yōu)選地，功率分配/合成電路304在中間電路介質(zhì)層的上、下兩側(cè)表面按照曲線方式布置，以縮短了功率分配/合成電路304的結(jié)構(gòu)尺寸，并具有工作頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)。

在中間電路介質(zhì)層301的上側(cè)由內(nèi)向外依次設(shè)有第二介質(zhì)層302和底部介質(zhì)層303。同理，在中間電路介質(zhì)層301的下側(cè)由內(nèi)向外依次設(shè)有第二介質(zhì)層302和底部介質(zhì)層303。

由于本發(fā)明中功率分配器204和功率合成器209均采用了微波多層電路的技術(shù)形式，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊小巧，安裝方便，生產(chǎn)一致性高。

下面以其中一路放大單元為例作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖4所示，放大單元包括場(chǎng)效應(yīng)管401、射頻25Ω輸入端口402、射頻25Ω輸出端口403、輸入阻抗匹配單元404、輸出阻抗匹配單元405、自激抑制外匹配陣列406、柵極電壓偏置單元407、漏極電壓偏置單元408。

其中，輸入阻抗匹配單元404主要解決增益及其平坦度問題。

該輸入阻抗匹配單元404采用T型漸變枝節(jié)配合曲線漸變的結(jié)構(gòu)形式，將輸入端的歐姆量級(jí)的阻抗值匹配到25Ω，在很小的匹配尺寸下即完成了寬頻帶的阻抗匹配。

輸出阻抗匹配單元405的作用在于獲得最大的功率輸出。

該輸出阻抗匹配單元405采用曲線漸變的結(jié)構(gòu)形式，將輸出端的歐姆量級(jí)的阻抗值匹配到25Ω，漸變平緩且大大縮短了輸出阻抗匹配單元405的尺寸。

柵極電壓偏置單元407和漏極電壓偏置單元408均采用臺(tái)階變換結(jié)構(gòu)。偏置單元作為阻抗匹配的一部分一起進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，并對(duì)偏置單元中旁路電容的位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在柵極電壓偏置單元407中串聯(lián)了一個(gè)電阻，增加了匹配電路的穩(wěn)定性。

實(shí)際應(yīng)用過程中為了防止自激現(xiàn)象的產(chǎn)生，在輸出阻抗匹配單元405的兩側(cè)分別設(shè)置上述自激抑制外匹配陣列406，通過配合電容或者濾波器，可有效提高電路的穩(wěn)定性。

本發(fā)明中的功率放大器具有設(shè)計(jì)難度降低、結(jié)構(gòu)尺寸縮小等優(yōu)點(diǎn)，可滿足寬頻帶、大功率、小尺寸與高可靠性的技術(shù)要求，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

當(dāng)然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護(hù)。