CN113328705A - 一种宽带异相mmic功率放大器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽带异相MMIC功率放大器及其设计方法。该功率放大器包括两路功率放大电路、高低通移相功率合成电路；其中每一路功率放大电路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路、隔直电容。通过输入不同频率的等幅异相信号，来使得宽带异相MMIC功率放大器进行工作。本发明在宽带功率放大器需求陡增的背景下，采用高低通移相技术，实现了一种新的宽带异相MMIC功率放大器的设计，具有结构简单紧凑，实用性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波通信领域，提出了一种可以在宽频段范围内工作的异相MMIC功率放大器。
背景技术
近几年，微波、毫米波通信技术是各国激烈竞争的焦点，其应用领域可以辐射至国防安全、军事作战、卫星***、相控阵雷达等诸多方面。当前，低频段的频谱资源已经趋于饱和，逐渐无法满足无线通信发展的需求。因此，新一代通信技术开始转向更高的频段，如Ku、K、Ka等来满足宽频带、高速率、高容量的需求。作为通信***中的关键部件，功率放大器决定着整机***性能优劣。面向新一代移动通信带来的爆发式应用需求，功率放大器趋向于超小型化、高集成、低功耗的方向发展。
为了在有限的频谱带宽内传输尽可能大的数据量，射频微波收发***通常需要采用复杂的调制方式，而这会导致信号产生较高的峰值-平均功率比(简称峰均比)，即信号包络会在幅度上发生剧烈变化。传统的功率放大器形式如A类、AB类虽然能实现高保真放大，但是对于非恒包络信号的放大效率很低，尤其是在大功率回退的时候。因此，针对高峰均比信号，能同时兼顾高效率和高线性度的射频功率放大器成为近年来学术界和工业界的研究热点之一。
异相功率放大器(Outphasing power amplifier,OPA)因能在保持输出信号高线性度的同时实现高效率放大调制信号，从而得到射频微波功率放大器研究人员的广泛重视。异相功率放大器电路包含上下两个子放大器，其工作的时候由信号调制电路预先将基带信号进行上变频和预放大，并且分成两路具有恒定幅度、相位不同的调制信号，然后通过高效率的非线性放大器进行放大。紧接着，通过一个输出端合成器将两路等幅异相的信号进行合并，并重新还原出与输入信号波形保持一致的调制信号，进而达到在高效率放大信号的同时实现高线性度。主流的异相功率合成电路有隔离型和非隔离型两种。隔离型合成电路包括一个阻性元件，在功率回退点效率偏低。为了保证高效率，业界多倾向于采用无隔离输出合成器对两路信号进行高效合并。但是，该种形式的合成器(Chireix合成器)会对两个子功放引入无功虚部。为了消除上述虚部对其效率造成的影响，一个经典的Chireix异相功率放大器需要在输出端为子放大器提供合适的虚部补偿和阻抗匹配,因此电路结构比较复杂。最近，一种基于非等长传输线结构的功率合成器被提出并用于实现异相功率放大器。其原理是利用非等长传输线来消除由非隔离组合网络引起的无功虚部的影响。这种设计方法的好处是省掉了额外的虚部补偿网络，仅仅用非等长传输线就可以实现，大幅度降低了异相放大器的设计复杂度。但是，基于非等长传输线结构的功率合成器在宽频带内会产生额外相移，使阻抗调制的效果急剧恶化，因此不能在宽频带内实现良好的异相放大效果。
然而，随着通信技术的快速发展，各种调制方式相继出现，各运营商能获得的授权频率也各不相同。为了提升通信***对各种制式信号的适应性，亟须研制出能支持宽频带工作的宽带高效率功率放大器。宽带异相功率放大器也理所当然成为了学术界和工业界研究的热点。
另一方面，单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)是基于半导体衬底上通过外延、离子注入、光刻等一系列的工艺技术制作出的半导体器件，并通过错综复杂、高度集成的电路设计，设计产出各种功能模块。常应用于通信***中的MMIC模块有射频功率放大器、低噪声放大器、射频开关等。早期的MMIC多应用于军事，在军用雷达、电子战、作战指挥、武器指导等领域发挥着重大的作用。随着民用市场的发展，MMIC凭借其小型化、稳定、可靠性高、可量产、产品性能一致性良好等特性，开始广泛应用于无线通信、智能移动设备、卫星通信、定位导航***等各个领域。
随着电路工作频率的提升，特别是在毫米波段，Si基工艺凸显出损耗较大、射频性能较差等问题。这就使Si基毫米波无线通信***无法在军事和民用领域中得到广泛应用。在毫米波频段内，与传统的硅器件相比，砷化镓(GaAs)器件以其低噪声、高电子迁移率等特性，非常适合毫米波段集成电路设计与制造。随着成本的大幅下降，目前，GaAs成为毫米波集成电路制造中应用最为广泛的半导体材料，在Ku～Ka波段的放大器中得到了非常广泛的应用。
针对目前现有需求，有必要进行研究以提供一种关于MMIC宽带异相功率放大器的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，基于非等长传输线的异相功率放大器理论和高低通滤波器移相原理，提供一种可以在宽频带内工作的异相MMIC功率放大器，通过输入不同频率的等幅异相信号，来使得宽带异相MMIC功率放大器进行工作。本发明是一种全新的宽带功率合成器，采用高低通移相技术，实现了一种全新的紧凑型宽带异向MMIC功率放大器的设计，具有结构简单紧凑，实用性强，便于推广的优点。
本发明一种宽带异相MMIC功率放大器，包括两路功率放大电路、高低通移相功率合成电路；其中每一路功率放大电路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路、隔直电容；每路宽带输入匹配电路的输出端与RC稳定电路的输入端连接，RC稳定电路的输出端与晶体管栅极连接；栅极偏置电路的输入端接直流电源，输出端接RC稳定电路的输入端；集成晶体管寄生补充的漏极偏置电路的输入端接直流电源，输出端与晶体管的漏极连接后同时与隔直电容的输入端连接，隔直电容的输出端作为其中一路功率放大电路的输出端。
所述两个隔直电容的输出端分别接高低通移相功率合成电路的两个输入端。
所述高低通移相功率合成电路由上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器构成；低通相位滞后滤波器的输入端接其中一个隔直电容的输出端，高通相位超前滤波器的输入端接另一个隔直电容的输出端，低通相位滞后滤波器的输出端和高通相位超前滤波器的输出端连接后作为宽带异相MMIC功率放大器的输出端。在工作频带内，上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器的等效传输线电长度近似满足
和
的关系，
表示等效传输线电长度。
所述宽带输入匹配电路采用低Q值宽带匹配的设计方法进行设计，从两路宽带输入匹配电路的输入端分别输入不同频率的等幅异相信号。
所述RC稳定电路由并联RC电路组成，用于提高放大器的稳定性。
所述集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，用于抵消晶体管寄生电容的同时为给晶体管提供漏极偏置电压。
作为优选，低通相位滞后滤波器和高通相位超前滤波器均采用π型结构；
所述高低通移相功率合成电路等效
非等长传输线电长度；上路低通相位滞后滤波器的等效电长度随归一化频率
的变化关系为：
其中Δf表示偏移频率、f0表示中心频率；
下路高通相位超前滤波器的等效电长度随归一化频率的变化关系为：
由上两式发现，所提出的功率合成器结构在宽频带范围内上下两路的相位会始终保持关于0°对称的关系，因此上下两路生产的等效阻抗会是一个近似共轭的关系，不需要重构电路来实现异相放大器的调制阻抗。
电长度的传输线可以用高通滤波器使相位超前的原理等效。同理，
电长度的传输线可以用低通滤波器使相位滞后的原理等效。用π型电容电感结构的高低通滤波器等效
非等长传输线电长度，可以在一个宽频带范围内保证宽带组合器上下两路的等效电长度在各个频点下保持关于0°对称的关系。
本发明的另一个目的是提供一种宽带异相MMIC功率放大器的设计方法，其特征在于通过如下步骤实现：
步骤一：设计RC稳定电路，不断调整电阻和电容的值使得稳定参数在全频带大于1；
步骤二：确定晶体管的输入输出阻抗，以便后续匹配。同时调试集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，在工作频段范围内选取一个兼顾各个频点的补偿电抗值，并通过选取合适的微带线来进行实现；
步骤三：利用步骤二得到的最优输入阻抗，做宽带输入匹配电路；
步骤四：设计高低通移相功率合成电路；所述高低通移相功率合成电路由上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器构成；在工作频带内，上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器的等效传输线电长度近似满足
和
的关系，
表示等效传输线电长度；
步骤五：将调试好的宽带输入匹配电路，RC稳定电路，栅极偏置电路，晶体管，集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，高低通移相功率合成电路组合并调试。
本发明的有益效果是：采用高低通滤波器产生正负移相值，用于替换两条非等长传输线。π型结构的高低通滤波器可以在一个宽频带范围内保证宽带组合器上下两路的等效传输线电长度在频带内各个频点下保持关于0°对称的关系，实现一个稳定的阻抗调制关系。同时，采用集总元件的功率合成电路结构紧凑，可大幅减小芯片尺寸，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明中的一种宽带异相MMIC功率放大器的结构示意图。
图2是一种基于
非等长传输线的异相功率放大器功率合成器示意图。
图3是利用仿真软件模拟本发明中等效
非等长传输线电长度功率合成器理论示意图。
图4是利用高低通滤波器实现
非等长传输线电长度功率合成器示意图。
图5是利用仿真软件模拟本发明在宽频带(15GHz-17GHz)范围内的结果示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
图1所示为本发明中的一种宽带异相MMIC功率放大器的结构示意图，该功率放大器包括两路功率放大电路、高低通移相功率合成电路；其中每路功率放大电路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路、隔直电容。
所述宽带输入匹配电路采用低Q值切比雪夫阶跃式宽带匹配方法构建，即使用集总元件的串联电感以及并联电容交替的低通滤波器结构，但为了使结构适用于高频场合需要将集总元件转换为微带线，串联电感相当于串联低阻抗微带线，最终形成高低阻抗交替的电容-微带线结构。该电路用于保证信号低损耗传输，并且尺寸较小，简化了电路结构，实现了设计目的。具体包括顺序连接的第一串联微带线，第一串联隔直电容，第一并联匹配电容，第二串联微带线，第二并联匹配电容，第三串联微带线；第一串联微带线的一端与信号输入单元连接，另一端连接第一串联隔直电容的一端。第一串联隔直电容的另一端与第二串联微带线的一端、第一并联匹配电容的一端连接。第一并联匹配电容的另一端接地。第二串联微带线的另一端与第三串联微带线的一端、第二并联匹配电容的一端连接。第二并联匹配电容的另一端接地。第三串联微带线的另一端作为宽带输入匹配电路的输出端。
所述RC稳定电路由并联电阻和电容组成，在晶体管输入端增加有耗元器件，提高了放大器的稳定性。
所述栅极偏置电路将晶体管偏置到AB类，包括一条输入端电容接地的并联微带线，用来提供栅极偏置电压。
所述集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路在抵消晶体管寄生电容的同时用来给晶体管提供漏极偏置电压，包括一条输入端电容接地的并联微带线。
所述高低通移相功率合成电路采用高低通滤波器产生的相位超前或滞后来保证宽带组合器上下两路的等效电长度在频带内各个频点下对称的关系,最终将两路信号高效率的合成输出。由上下两路组成，每一路均采用π型结构。两路π型结构分别为低通相位滞后π型滤波器和高通相位超前π型滤波器。低通相位滞后π型滤波器由第三并联电容的一端与第一串联电感的一端连接，第三并联电容的另一端接地，第四并联电容的一端与第一串联电感的另一端连接，第四并联电容的另一端接地构成。第三并联电容和第四并联电容容值相等。高通相位超前π型滤波器由第二并联电感的一端与第五串联电容的一端连接，第二并联电感的另一端接地，第三并联电感的一端与第五串联电容的另一端连接，第三并联电感的另一端接地构成。第二并联电感和第三并联电感感值相等。在放大器工作频带内，上下两路的等效传输线电长度近似满足
和
的关系。
设计所述宽带异相MMIC功率放大器主要工作在15GHz～17GHz。显然的，所述设计方案可以扩展至其他频率。
上述一种宽带异相MMIC功率放大器的设计方法，通过如下步骤实现：
步骤一：设计RC稳定电路，不断调整电阻和电容的值使得稳定参数在全频带大于1。具体的，可以采用电路仿真软件对添加RC稳定电路前后的放大器稳定性进行分析比较，本实例中选择12欧姆电阻和2pF电容并联作为稳定电路的最终形式。
步骤二：要确定晶体管的输入输出阻抗，以便后续匹配。同时调试集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，在工作频段范围内选取一个兼顾各个频点的补偿电抗值，并通过选取合适的微带线来进行实现；具体方法为：利用代工厂公司提供的GaAs_pHEMT工艺中的可扩展性晶体管模型和之前设计的稳定电路带入到具体电路仿真软件的负载牵引和源牵引的模板中，得到输入阻抗、输出阻抗、功率回退时的输出阻抗的最优范围。并且在负载牵引的模板电路中调整漏极偏置的微带线尺寸，使输出阻抗、功率回退时的输出阻抗的最优范围尽可能落到史密斯圆图的横轴上。此时的漏极偏置的微带线既可以连接直流电源为晶体管提供漏极偏置电压，同时可以补偿晶体管寄生电容。
步骤三：利用步骤二得到的最优输入阻抗，做宽带输入匹配电路。输入匹配电路利用高低阻抗形成的阶跃式宽带匹配电路来实现宽带的匹配，具体的方法是利用切比雪夫等公知性匹配技术来实现。
步骤四：设计高低通移相功率合成电路。
图2所示为一种现有基于非等长传输线的功率组合器结构示意图。基于
非等长传输线的单频带功率合成电路的理论，对于组合器的上路，其实际的电长度随归一化频率的变化关系为：
对于组合器的下路，其实际的电长度随归一化频率的变化关系为：
从以上两式看出，当频率变化后，上下两条传输线的相位不再保持
的关系，因此阻抗的调制效果会发生恶化，主要是存在90°·Δf/f0项的影响。若没有此项，上下两路的相位就会关于90°对称，在多个频点下，组合器上下两路的等效阻抗会是一个近似共轭的关系，就可以用来作为异相放大器的调制阻抗。为了消去90°·Δf/f0项，可以使用可重构的方法在带内逐个频点去消除此项对组合器带宽的影响。
图3所示为本发明功率合成电路采用了等效
非等长传输线，其工作机制与图2中所述利用
非等长传输线来消除由非隔离组合网络引起的无功虚部的作用相似。但是上路实际的等效电长度随归一化频率的变化关系为：
对于下路，其实际的等效电长度随归一化频率的变化关系为：
观察上两式发现，所提出的合成器结构在宽频带范围内上下两路的相位会始终保持关于0°对称的关系，因此上下两路生产的等效阻抗会是一个近似共轭的关系，不需要重构电路来实现异相放大器的调制阻抗。
图4所示为等效
非等长传输线功率合成器的实现。
所述宽带异相MMIC功率放大器设计的步骤四设计功率合成器具体如下：
步骤4-1：用电路仿真软件先在中心频率f0点对上下两路的理想
非等长传输线组合器进行选择设计，选择合适的
相位和Z阻抗实现一个性能良好的功率合成器，并且此功率合成器也可以使异相功率放大器性能最优。
步骤4-2：
电长度的传输线可以用高通滤波电路使相位超前的原理等效。同理，
电长度的传输线可以用低通滤波电路使相位滞后的原理等效。两理想传输线特征阻抗均为Z。
对于低通滤波器，其归一化ABCD矩阵为：
对于电长度为
特征阻抗为Z的传输线，其ABCD矩阵可表示为：
两者等效得方程组：
因此，在
和Z已知的情形下可以求得b,x。
由电容和电感的导纳和阻抗关系得：
同理，对于高通滤波器，其归一化ABCD矩阵为：
对于电长度为
特征阻抗为Z的传输线，其ABCD矩阵可表示为：
两者等效得方程组：
因此，在
和Z已知的情形下可以求得b,x。
由电容和电感的导纳和阻抗关系得：
步骤五：将调试好的宽带输入匹配电路，RC稳定电路，集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，高低通移相功率合成电路组合起来实现宽带异相MMIC功率放大器，并再次将整体调试到一个最优的效果。
图5所示为本发明设计在电路仿真软件中得到的仿真结果图，由仿真结果可知，在15GHz-17GHz的频段范围内，饱和输出功率大于32dBm，饱和输出效率大于60％，6dB回退效率大于50％。上述结果说明实现了一种宽带异相功率MMIC放大器的功能。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于包括两路功率放大电路、高低通移相功率合成电路；其中每一路功率放大电路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路、隔直电容；每路宽带输入匹配电路的输出端与RC稳定电路的输入端连接，RC稳定电路的输出端与晶体管栅极连接；栅极偏置电路的输入端接直流电源，输出端接RC稳定电路的输入端；集成晶体管寄生补充的漏极偏置电路的输入端接直流电源，输出端与晶体管的漏极连接后同时与隔直电容的输入端连接，隔直电容的输出端作为其中一路功率放大电路的输出端；
所述两个隔直电容的输出端分别接高低通移相功率合成电路的两个输入端；
所述高低通移相功率合成电路由上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器构成；低通相位滞后滤波器的输入端接其中一个隔直电容的输出端，高通相位超前滤波器的输入端接另一个隔直电容的输出端，低通相位滞后滤波器的输出端和高通相位超前滤波器的输出端连接后作为宽带异相MMIC功率放大器的输出端；在工作频带内，上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器的等效传输线电长度近似满足
和
的关系，
表示等效传输线电长度。
2.根据权利要求1所述的一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于所述宽带输入匹配电路采用低Q值宽带匹配的设计方法。
3.根据权利要求1所述的一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于所述RC稳定电路由并联RC电路组成，用于提高放大器的稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于所述栅极偏置电路将晶体管偏置到AB类。
5.根据权利要求1所述的一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于所述集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，用于抵消晶体管寄生电容的同时为给晶体管提供漏极偏置电压。
6.根据权利要求1所述的一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于低通相位滞后滤波器和高通相位超前滤波器均采用π型结构。
7.根据权利要求1所述的一种宽带异相MMIC功率放大器，其特征在于所述高低通移相功率合成电路等效
非等长传输线电长度；上路低通相位滞后滤波器的等效电长度随归一化频率
的变化关系为：
其中Δf表示偏移频率、f0表示中心频率；
下路高通相位超前滤波器的等效电长度随归一化频率的变化关系为：
8.如权利要求1-7任一所述的一种宽带异相MMIC功率放大器的设计方法，其特征在于通过如下步骤实现：
步骤一：设计RC稳定电路，不断调整电阻和电容的值使得稳定参数在全频带大于1；
步骤二：确定晶体管的输入输出阻抗，以便后续匹配；同时调试集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，在工作频段范围内选取一个兼顾各个频点的补偿电抗值，并通过选取合适的微带线来进行实现；
步骤三：利用步骤二得到的最优输入阻抗，做宽带输入匹配电路；
步骤四：设计高低通移相功率合成电路；所述高低通移相功率合成电路由上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器构成；在工作频带内，上路低通相位滞后滤波器和下路高通相位超前滤波器的等效传输线电长度近似满足
和
的关系，
表示等效传输线电长度；
步骤五：将调试好的宽带输入匹配电路，RC稳定电路，栅极偏置电路，晶体管，集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路，高低通移相功率合成电路组合并调试。
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| CN202110523505.6A CN113328705A (zh) | 2021-05-13 | 2021-05-13 | 一种宽带异相mmic功率放大器及其设计方法 |
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