一种新型载片式内匹配功率放大器

技术领域

本发明是一种新型载片式内匹配功率放大器，属于功率放大技术领域。

背景技术

随着第三代半导体GaN器件技术的发展，对GaN微波器件的研制越来越多，并已经开始工程化应用。但传统的功率器件需要进行管壳封装才能进行使用，而封装管壳一般在体积、重量方面都比较大，对于现代电子装备和通讯系统和重量要求比较高的平台，这种管壳封装的功率放大器就比较受限制。

由于功率放大器主要用于相控阵雷达发射机，一部雷达集成了成千上万只功率放大器，而在机载和舰载领域，对功率放大器的重量要求严格, 以一个2048通道的阵面的相控阵阵面为例，装配的功率放大器多大2048只，这对于机载、舰载等重量要求严格的应用平台而言，两千多支管壳封装的功率放大器意味着巨大的体积和质量，而大的质量意味着更高的能耗，大的体积意味着更加不便的运输性和机动性。

发明内容

本发明提出的是一种新型内匹配，其目的在于针对目前存在的问题，克服现有技术在体积、重量等方面的不足，提供了一种小型化微波载片式内匹配功率放大器，将单个或多个微波集成电路芯片、偏置或匹配电路高密度地安装到封装载体，通过金丝进行各元器件的互连，以实现某种独立功能的芯片组产品。该放大器具备成本低、封装尺寸小、重量轻等优点，为进一步实现电子系统的小型化提供有力的技术支撑。

本发明的技术解决方案：一种新型载片式内匹配功率放大器，所述载片式内匹配功率放大器由两路合并输出，其结构包括两个GaN功率管、两组内匹配无源输入电路和两组内匹配无源输出电路，每组内匹配无源输入电路包含阻抗匹配电路、栅极偏置电路、隔离电阻，每组内匹配无源输出电路包含阻抗匹配电路、漏极偏置电路、隔离电阻；所述GaN功率管、内匹配无源输入电路、内匹配无源输出电路均集成在同一块载片上，通过金丝进行各元器件的互连。

所述内匹配无源输入电路一端串联C2电容，通过金丝连接在输入端口，另一端通过金丝并联匹配C6a接地电容、C6b接地电容，同时通过金丝串联接在GaN功率管管芯输入端。

所述内匹配无源输出电路一端串联C5电容，通过金丝连接在输出端口，另一端通过金丝并联匹配C7a接地电容、C7b接地电容，同时通过金丝串联接在在GaN功率管管芯输出端。

所述阻抗匹配电路一端连接电路输入输出端，另一端通过金丝连接GaN功率管；内匹配无源输入电路串联R2隔离电阻，内匹配无源输出电路串联R3隔离电阻，所述R2隔离电阻、R3隔离电阻为薄膜电阻，将上下两个功率管隔离；所述的栅极偏置电路串联薄膜电阻，增加电路的低频稳定，并联接地电容，过滤电源杂波。

所述偏置电路为四分之一波长扼流线，通过金丝与匹配电路相连，同时通过金丝并联C1接地电容、C3接地电容、C4接地电容。

所述C1接地电容、C3接地电容、C4接地电容连接点尽量靠近输入输出端电容。

所述载片为钼铜载片。

所述GaN功率管为GaN HEMT管芯。

所述隔离电阻、阻抗匹配电路、栅极偏置电路均制作在陶瓷基板上，所述陶瓷基板为99.6%氧化铝陶瓷。

GaN功率管为GaN HEMT管芯，两个GaN功率管输入端通过金丝与C6a多电极型单层接地电容、C6b多电极型单层接地电容相连，再从C6a多电极型单层电容器引出金丝与内匹配无源输入电路101连接，内匹配无源输入电路101制作在陶瓷基板上，包括C2电容、带有阻抗变换功能的合成网络和R2隔离电阻，R2隔离电阻是基于陶瓷板上的薄膜电阻；内匹配无源输入电路通过C2电容引出金丝与输入端口连接；同理，GaN HEMT管芯，输出端通过金丝与C7a多电极型单层接地电容、C7b多电极型单层接地电容相连，再引出金丝与内匹配无源输出电路102连接，内匹配无源输出电路102制作在陶瓷基板上，包括C5电容、带有阻抗变换功能的合成网络和R3隔离电阻，R3隔离电阻是基于陶瓷板上的薄膜电阻；外围栅极偏置电路通过串联R1电阻增加电路低频稳定性，将栅极偏置电路一端通过金丝并联C1接地电容后，与栅极电源连接，另一端通过金丝连接在内匹配无源输入电路101上；漏极偏置电路一端并联C3接地电容、C4接地电容后，漏极电源连接，另一端连接在内匹配无源输出电路102上。

本发明的有益效果：

1）由于载片式功率放大器没有封装管壳，所有芯片和元器件均裸露在一块载片上，在电路设计上更加灵活，可以满足不同情形下的需求。

2）载片式功率放大器的尺寸是传统管壳封装尺寸的几十分之一，大大节省了器件装配空间，降低了器件重量。

3）载片采用钼铜，与GaN有相似的热膨胀系数，在高低温环境下，相比无氧铜，芯片更不易断裂，同时保有较高的热导率，加上天然的裸露结构，更有利于器件的散热，保持器件热稳定性，

4）由于大功率放大器的管芯尺寸大，导致输入阻抗较低，通过在输入电路上集成带阻抗变换的合成网络，降低了匹配难度，提高了低频稳定性及带内稳定性。

5）管芯的输入输出端通过金丝与陶瓷薄膜电路互联做电感，再与多电极型单层电容器串联接地，提高了电路的可调性，抑制二次谐波，优化功率放大器输出能力。

附图说明

图1为载片式内匹配功率管电路原理图；

图2为载片式内匹配功率管电路版图。

图中，C1、C2、C3、C4、C5、C6a、C6b、C7a、C7b为电容，101、102为电路，R1、R2、R3为电阻，4为GaN功率管，1为载片。

具体实施方式

载片式内匹配放大电路，通过将功率芯片、阻抗匹配电路、偏置电路等高密度地安装到封装载体，通过金丝进行各元器件的互连，实现小型化。同时利用有限的设计空间，提供一种分离式补偿电容和分离式补偿电感的巧妙结构，使设计方式更加灵活多样，该分离结构减少金丝的长度从而减少金丝的电感量。同时通过金丝灵活调节电容值，提高放大器对二次谐波的短路能力，从而提高放大器的射频效率。

随着现代化电子系统对功率需求的不断增大，固态功率放大器需要不断的提高功率输出能力，通常将两个及以上的GaN功率管并联使用，通过功率合成技术输出功率。本发明将两只大栅宽GaN功率管并联使用，将每个已经预匹配好的单元通过LC电路中的电容用金丝相互连接，与此同时，GaN管芯处也用同样的方法相互连接，两个GaN功率管输出端并联用金丝与预匹配输出电路相连，再由输出端连接合成网络。

结构包括载片，GaN功率管，1、2两组内匹配无源输入电路，1、2两组内匹配无源输出电路，每组内匹配无源输入电路包含阻抗匹配电路、栅极偏置电路、隔离电阻R2。每组内匹配无源输出电路包含阻抗匹配电路、漏极偏置电路、隔离电阻R3。

所述的功率晶体管为GaN HEMT管芯。所述的阻抗匹配电路是一端接输入（输出）端口，另一端通过金丝(BW)连接功率管；所述的电阻 R2和R3是基于陶瓷基板的薄膜电阻，此电阻将上下两个功率管隔离。所述的栅极偏置电路串联薄膜电阻，增加电路的低频稳定；并联电容接地，过滤电源杂波。所述漏极偏置电路并联电容接地，过滤电源杂波。

所述的载片为钼铜；

无源输入电路一端串联电容C2，通过金丝连接在输入端口，另一端通过金丝并联匹配接地电容C6a、C6b，同时通过金丝串联接在管芯输入端；

无源输出电路一端串联电容C5，通过金丝连接在输出端口，另一端通过金丝并联匹配接地电容C7a、C7b，同时通过金丝串联接在管芯输出端；

将芯片、匹配电路、偏置电路均集成在同一块载片上；

偏置电路为四分之一波长扼流线，通过金丝与匹配电路相连。同时通过金丝并联接地电容C1、C3、C4；

所有薄膜电阻，阻抗变换电路，偏置电路均制作在陶瓷基板上，此陶瓷基板为99.6%氧化铝陶瓷。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

放大器原理图如图1所示，本新型载片式内匹配功率放大器由两路合并输出，两个GaN HEMT管芯4输入端通过金丝BW与多电极型单层接地电容C6a、C6b相连，再从多电极型单层电容器C6a引出金丝与输入预匹配电路101连接，输入预匹配电路（101）制作在陶瓷基板上，它由电容C2、带有阻抗变换功能的合成网络和隔离电阻R2组成，电阻R2是基于陶瓷板上的薄膜电阻；输入预匹配电路101通过电容C2引出金丝与输入端口连接。同理，GaN HEMT管芯4输出端通过金丝BW与多电极型单层接地电容C7a、C7b相连，再从多电极型单层电容器C7a、C7b引出金丝与输入预匹配电路102连接，输入预匹配电路102制作在陶瓷基板上，它由电容C5、带有阻抗变换功能的合成网络和隔离电阻R3组成，电阻R3是基于陶瓷板上的薄膜电阻。电阻R2、R3作为隔离电容，提高两只管芯之间的隔离度，防止信号的串扰。外围栅极偏置电路通过串联电阻R1增加电路低频稳定性，将栅极偏置电路一端通过金丝并联接地电容C1后，与栅极电源连接，另一端通过金丝连接在匹配电路101上；漏极偏置电路一端并联接地电容C3、C4后，漏极电源连接，另一端连接在匹配电路102上。电容C1、C3、C4为电源滤波电容，可防止电源杂波对电路造成影响，同时，该漏源偏置线不参与匹配，所以与匹配电路连接的位置没有要求，但连接点尽量靠近输入输出端电容，达到美观对称。

电路板图如图2所示，电容、预匹配电路、管芯均焊接在钼铜载片上，实现良好的散热，同时，钼铜材料合适的热膨胀系数可以与GaN管芯的热膨胀系数相匹配，增加器件的可靠性。输入输出端通过金丝与外部设备连接。内置的供电偏置线为四分之一波长扼流线，这样实现了管芯直流供电的同时不参与匹配，隔离了微波信号传入低频电路。

关于预匹配电路101，因为此电路为大功率管芯，具有毫米级的栅宽，而栅宽与输入端特征阻抗是成反比的，所以管芯的输入特征阻抗很小，不宜直接匹配到50欧姆，所以本发明将管芯的输入阻抗通过电容C6a、C6b与金丝形成LC网络匹配到10欧姆，再通过输入预匹配电路101实现阻抗变换，将10欧姆匹配到50欧姆，做到较好的匹配.同时在输入端放一个大电容C2，隔离低频信号传入信号源。而偏置电路上串联的电阻，可以大大降低管芯在低频不稳定而产生自激震荡的可能。同理，输出预匹配电路102也是如此。

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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。