CN105634416B - 一种内匹配功率管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内匹配功率管，包括输入匹配电路、管芯和输出匹配电路，所述输入匹配电路为集成在GaAs基片上的单片集成电路，所述输出匹配电路为制作在陶瓷基片上的内匹配电路。本发明结合了单片集成电路和内匹配电路的优点，制作的内匹配功率管具有带宽宽、稳定、高效、体积小、功率附加效率高、大功率的优势，同时扩展了内匹配功率管的使用范畴，降低了装配难度，提高了产品一致性。

Description

一种内匹配功率管
技术领域
本发明涉及一种微波功率器件，尤其涉及一种融合单片集成设计技术与内匹配电路设计技术优点的内匹配功率管。
背景技术
大功率固态微波器件是现代电子装备和通讯***的核心器件，其性能直接决定了固态雷达、电子战和通讯整机***的核心性能指标，在国防和通讯等领域具有至关重要的意义。电子装备和通讯***等领域的发展要求通信频带越来越宽，体积越来越小，同时要求有较高的可靠性。功放作为其中的重要模块之一，实现高频、宽带、小型化、高效率、更大功率对整个***至关重要。
器件功率的不断提升要求管芯的总栅宽越来越大，从几毫米至30毫米以上，国内研制的已有大于6毫米的管芯。由于芯片的输入阻抗随着栅宽的增大而降低，器件的无载Q值变的很高，馈送电信号的幅度不平衡和相位不平衡的问题越来越严重，直接利用外电路进行一定带宽内的匹配非常困难，因此需要在管壳内进行匹配。内匹配技术是微波功率晶体管实现大功率的必由途径，它在器件的输入和输出端分别设计匹配网络，对其端口阻抗进行变换，使得管芯之间，管芯各部分之间在信号幅度和相位上获得平衡，提升管芯输入和输出阻抗的实部，对参与内匹配的管芯进行功率分配和功率合成。
第二代半导体材料GaAs具有良好的高频特性，电子迁移率高，禁带宽度大，注入效率较高，具有高可靠性和成熟的工艺，在微波毫米波有着广泛的应用，但是由于GaAs材料在电性能和热性能上的局限，已经越来越不能满足未来***的需求。GaN基Ⅲ族氮化物材料作为第三代宽禁带半导体的典型代表，在高温、高频、大功率微波器件的研制方面极具发展前途，AlGaN/GaN异质结构击穿电压高，而且能够产生高浓度的二维电子气（2DEG），并且具有很高的电子迁移率，因此能够得到很高的功率输出密度，同时AlGaN/GaN异质结器件能够承受很高的结温，在微波功率应用方面得到了很大的关注，但是制约其发展的是价格过高。AlGaN/GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）器件的阻抗比较大，易于在较宽的频率范围内实现匹配，减小了器件的复杂性。
微波功率器件的主要形式有功率MMIC（单片微波集成电路）、内匹配功率管和功率放大模块三种。功率MMIC具有体积小、带宽宽、一致性高等优势，但研制成本相对较高，更重要的是由于装配对芯片面积的限制、电路的输出匹配损耗大、芯片厚度的减薄有限等原因致使其输出功率受到限制。内匹配功率放大器由于匹配电路制作在陶瓷基片或者砷化镓基片上，相对于功率MMIC而言，功率损耗大大降低，有利于提高器件的功率附加效率，提高输出功率，然而内匹配功率放大器的带宽很难做宽，特别是在高频X、Ku波段，由于寄生效应，带宽只能做的更窄。因此需要发明一种方法，结合单片微波集成电路和内匹配电路的优势，实现更高性能的微波功率器件。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中单片微波集成电路和内匹配功率管存在的不足，本发明提供一种内匹配功率管，融合单片微波集成电路和内匹配技术的优势，减小功率管的体积，加宽功率管的带宽，提高其一致性，减小功率损耗，提高功率管的功率附加效率，提高输出功率。
技术方案：本发明所述的一种内匹配功率管，包括输入匹配电路、管芯和输出匹配电路，所述输入匹配电路为集成在GaAs基片上的单片集成电路，所述输出匹配电路为制作在陶瓷基片上的内匹配电路。
有益效果：本发明相比现有技术，由于所述输入匹配电路采用单片集成电路技术，相对于制作在陶瓷基片上的内匹配电路技术，其面积大大减小，并且具有更宽的带宽，更高的工作频率和较小的寄生参数影响；由于输出匹配电路采用内匹配电路设计技术，相对于单片集成电路技术，其输出功率损耗大大降低，提高了器件的功率附加效率，并且研制成本更低。本发明结合了单片集成电路设计技术与内匹配电路设计技术的优点，提升了内匹配功率管的整体性能，使得内匹配功率管具有更宽的带宽、更高的效率、更高的工作频率、较小的面积、较低的成本，扩展了内匹配功率管的使用范畴，降低装配难度，提高了产品的一致性。
附图说明：
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的版图；
图3为本发明的功率输出特性测试结果。
具体实施方式：
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，该内匹配功率管由输入匹配电路、管芯和输出匹配电路构成。输入匹配网络负责将管芯的输入阻抗匹配至50Ω，输出匹配网络负责将管芯的输出阻抗匹配至50Ω。该内匹配功率管，结合单片集成技术和内匹配电路技术的优点，提升了功率管的整体性能，其中输入匹配电路采用单片集成技术，将匹配元件集成在GaAs基片上，从而减小了功率管的体积，提升了功率管的带宽和一致性，输出匹配电路采用内匹配电路设计技术，将匹配电路制作在陶瓷基片上，提高了器件的功率附加效率，实现大功率输出。
本实施例中的频率范围需达到2.7GHz~3.5GHz，带宽约为25%，为了达到如此宽的带宽，输入匹配电路采用单片集成技术，将所有输入匹配元件集成在GaAs基片上。输入匹配电路包括两路并联的对称匹配电路，上支路匹配电路和下支路匹配电路，分别将管芯的输入阻抗匹配至100Ω，并联后等效于将管芯的输入阻抗匹配至50Ω。上支路匹配电路包括第零电容C0、第零电感L0、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第四电感L4、第六电容C6、第一电阻R1、第三电阻R3，下支路匹配电路包括第三电容C3、第二电感L2、第三电感L3、第五电容C5、第四电容C4、第五电感L5、第二电阻R2、第四电阻R4、第七电容C7，各元件的连接关系以及与栅偏置电压VG的连接关系如图1所示。其中电容C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7采用集总元件MIM电容，电感L1、L2、L3、L4、L5采用微带结构，为分布式元件，电阻R1、R2、R3、R4采用薄膜电阻。
本实施例中的输出匹配电路采用内匹配电路技术，将匹配电路制作在陶瓷基片上，将管芯的输出阻抗匹配至50Ω。匹配电路包括第八电容C8、第六电感L6、第七电感L7、第九电容C9、第八电感L8、第十电容C10、第十一电容C11、第九电感L9、第十电感L10、第十二电容C12，各元件的连接关系以及与漏偏置电压VD的连接关系如图1所示。电容C10采用陶瓷制作的分布电容，为分布式元件，电容C11采用集总元件MIM电容，电容C8、C9采用集总元件MOS电容。电感L6、L7、L8、L9、L10采用微带结构，为分布式元件。
本实施例中的管芯采用16mm GaN HEMT管芯，制作在SiC衬底上，输出功率密度为4W/mm。整个电路尺寸为：14mm*6.5 mm，结构紧凑。如图3所示为本发明在漏电压VD等于28V的情况下输出功率特性测试结果，从图中可以看出，在2.7GHz~3.5GHz频率范围内输出功率小于50W，功率附加效率大于60%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变通，这些改进和变通也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种内匹配功率管，包括输入匹配电路、管芯和输出匹配电路，其特征在于：所述输入匹配电路为集成在GaAs基片上的单片集成电路，所述输出匹配电路为制作在陶瓷基片上的内匹配电路，所述输出匹配电路包括第八电容C8、第六电感L6、第七电感L7、第九电容C9、第八电感L8、第十电容C10、第十一电容C11、第九电感L9、第十电感L10、第十二电容C12，所述第六电感L6一端接所述管芯的漏极，另一端接第八电容C8和漏偏置电压VD，所述第七电感L7一端接所述管芯的漏极，另一端接第九电容C9和漏偏置电压VD，所述第八电感L8一端接所述管芯的漏极，另一端接第十电容C10和第十一电容C11，所述第十一电容C11的另一端接第九电感L9和第十电感L10， 所述第十电感L10的另一端接第十二电容C12与输出，所述第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第九电感L9、第十二电容C12的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的内匹配功率管，其特征在于：所述管芯为GaN HEMT管芯。
3.根据权利要求1或2所述的内匹配功率管，其特征在于：所述输入匹配电路包括上支路匹配电路和下支路匹配电路，所述上支路匹配电路和所述下支路匹配电路并联且对称，所述上支路匹配电路包括第零电容C0、第零电感L0、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第四电感L4、第六电容C6、第一电阻R1、第三电阻R3，所述下支路匹配电路包括第三电容C3、第二电感L2、第三电感L3、第五电容C5、第四电容C4、第五电感L5、第二电阻R2、第四电阻R4、第七电容C7，所述第零电容C0、第零电感L0、第三电容C3、第二电感L2的一端接输入信号，所述第零电感L0的另一端接第一电感L1和第二电容C2，所述第二电容C2的另一端接第一电容C1和第四电感L4，所述第二电感L2的另一端接第三电感L3和第五电容C5，所述第五电容C5的另一端接第四电容C4和第五电感L5，所述第四电感L4的另一端和第五电感L5的另一端接到所述管芯的栅极，所述第三电阻R3的一端接第一电阻R1和第六电容C6，另一端接栅偏置电压VG，所述第四电阻R4的一端接第二电阻R2和第七电容C7，另一端接偏栅偏置电压VG，所述第一电阻R1的另一端与所述第二电阻R2的另一端均接到所述管芯的栅极，所述第零电容C0、第三电容C3、第一电感L1、第三电感L3、第一电容C1、第四电容C4、第六电容C6、第七电容C7的另一端均接地。
4.根据权利要求3所述的内匹配功率管，其特征在于：所述电容C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7为集总元件MIM电容。
5.根据权利要求3所述的内匹配功率管，其特征在于：所述电感L1、L2、L3、L4、L5为微带结构的分布式元件。
6.根据权利要求3所述的内匹配功率管，其特征在于：所述电阻R1、R2、R3、R4为薄膜电阻。
7.根据权利要求3所述的内匹配功率管，其特征在于：所述电容C10为陶瓷分布式电容，所述电容C11为集总元件MIM电容。
8.根据权利要求1所述的内匹配功率管，其特征在于：所述电容C8、C9为集总元件MOS电容。
9.根据权利要求1所述的内匹配功率管，其特征在于：所述电感L6、L7、L8、L9、L10为微带结构的分布式元件。
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