[發(fā)明專利]一種基于晶體管堆疊技術(shù)的強(qiáng)抗失配高效功率放大器

在審

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• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107743021A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄔海峰;滑育楠;王測天;陳依軍;廖學(xué)介;呂繼平;胡柳林;童偉;吳曦;楊云婷
• 申請（專利權(quán)）人: 成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司
• 主分類號: H03F3/213
• 分類號: H03F3/213;H03F1/56;H03F1/02
• 代理公司: 成都正華專利代理事務(wù)所(普通合伙)51229
• 代理人: 李林合

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于場效應(yīng)晶體管微波毫米波功率放大器和集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于晶體管堆疊技術(shù)的強(qiáng)抗失配高效功率放大器的設(shè)計。

背景技術(shù)

隨著3G、4G-LTE等民用通信市場的快速發(fā)展，以及5G通信的前期布局，微波毫米波前端發(fā)射器也向微波毫米波頻段高性能、高集成、高效率的方向發(fā)展；此外，由于MIMO技術(shù)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)對末端功率放大器的抗失配特性提出了嚴(yán)峻的考驗，因此市場迫切的需求針對微波毫米波頻段的強(qiáng)抗失配、高效率功率放大器芯片。

然而，在微波毫米波功率放大器芯片設(shè)計中，一直存在一些設(shè)計難題，具體體現(xiàn)為：

(1)傳統(tǒng)平衡型放大器中強(qiáng)抗失配特性與高效率指標(biāo)相互制約：由于微波毫米波前端發(fā)射器中的功率放大器的輸出端需要連接一個駐波特性較差的天線，該天線對于微波毫米波功率放大器的抗失配特性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；現(xiàn)有基于蘭格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)90°相移的平衡型功率放大器在增強(qiáng)抗失配特性的同時，往往在輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)引入較大的的帶內(nèi)插損，從而降低功率放大器的效率。因此，傳統(tǒng)平衡型放大器中強(qiáng)抗失配特性與高效率指標(biāo)相互制約。

(2)微波毫米波頻段傳統(tǒng)平衡型放大器高功率、高增益指標(biāo)設(shè)計難度較大：由于未來5G市場的驅(qū)使，微波毫米波前端發(fā)射機(jī)迫切需要高增益、高功率、高效率、強(qiáng)抗失配功率放大器，但是現(xiàn)有的毫米波頻段的應(yīng)用電路必須采用柵長較小的半導(dǎo)體工藝晶體管，受到其低擊穿電壓的影響，功率放大器的電壓擺幅將受到較大的限制，因此也就限制了功率晶體管的功率容量。

最典型的強(qiáng)抗失配特性的放大器是采用90°相移蘭格結(jié)構(gòu)的平衡功率放大器，但是，在微波毫米波頻段，傳統(tǒng)蘭格平衡放大器仍然存在一些設(shè)計不足，主要體現(xiàn)在：

(1)強(qiáng)抗失配特性與高效率指標(biāo)設(shè)計難度較大。

為了提高電路的抗失配特性，設(shè)計者往往需要利用蘭格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩路平衡結(jié)構(gòu)信號的90°的相移，還要盡可能的降低引入的帶內(nèi)損耗，同時保證兩路平衡信號具有近似相同的帶內(nèi)損耗，此外，還需要配合其他匹配結(jié)構(gòu)實現(xiàn)晶體管的輸入與輸入端口的阻抗匹配，這大大增加了電路的設(shè)計復(fù)雜度和難度。設(shè)計者為了折中各個設(shè)計指標(biāo)，往往需要通過引入一定的帶內(nèi)損耗來實現(xiàn)90°的相移和阻抗匹配，這就大大降低了功率放大器的效率指標(biāo)。

(2)毫米波段高功率晶體管阻抗匹配難度較大。

由于放大器工作在毫米波段，單個晶體管的功率容量有限，設(shè)計者為了獲得較高的功率容量，往往需要2n倍的功率合成結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致輸出網(wǎng)絡(luò)具有很低的最佳負(fù)載阻抗，這種低負(fù)載阻抗又將導(dǎo)致微波毫米波段平衡型放大器的阻抗匹配難度加大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于晶體管堆疊技術(shù)的強(qiáng)抗失配高效功率放大器，利用三晶體管堆疊技術(shù)和與之對應(yīng)的±45°移相輸入與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)微波毫米波頻段高增益、高效率、強(qiáng)抗失配等指標(biāo)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于晶體管堆疊技術(shù)的強(qiáng)抗失配高效功率放大器，包括-45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、+45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、雙路平衡型三堆疊功率放大網(wǎng)絡(luò)、+45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、-45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、第一供電偏置網(wǎng)絡(luò)以及第二供電偏置網(wǎng)絡(luò)。

-45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端與+45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端相連作為整個功率放大器的輸入端；+45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端與-45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端相連作為整個功率放大器的輸出端。功率放大器的輸入端還連接有隔直電容C₁，功率放大器的輸出端還連接有隔直電容C₉。

雙路平衡型三堆疊功率放大網(wǎng)絡(luò)的第一輸入端與-45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端連接，其第二輸入端與+45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端連接，其第一輸出端與+45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接，其第二輸出端與-45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接。

第一供電偏置網(wǎng)絡(luò)分別與-45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、雙路平衡型三堆疊功率放大網(wǎng)絡(luò)以及+45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接；第二供電偏置網(wǎng)絡(luò)分別與+45°移相輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、雙路平衡型三堆疊功率放大網(wǎng)絡(luò)以及-45°移相輸出匹配網(wǎng)絡(luò)連接。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用三堆疊晶體管放大網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)平衡型放大器的放大功能，提高了平衡型功率放大器的功率增益和功率容量，同時利用三級T型濾波型移相電路實現(xiàn)兩路平衡信號的±45°移相控制以及輸入和輸出阻抗匹配，在保證低插損和高效率的前提下大大提升了放大器的抗失配特性，從而提高了電路的穩(wěn)定性與可靠性。