一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路及功率放大电路

技术领域

本发明涉及一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路及功率放大电路，属于毫米波电路技术领域。

背景技术

在仪器仪表不断朝着数字化、智能化、微型化的技术发展过程中，系统工程师总是期望可以使用单个信号链覆盖很宽的频率范围，实现对不同电子设备的测试，从而简化设计、加速上市时间、减少要管理的器件库存，单信号链解决方案的挑战始终绕不开宽带解决方案，宽带放大器是其中必不可少的核心器件。同时，宽带放大器也是应用于相控阵雷达、通信卫星、电子对抗和电子战一体化系统中的关键器件。在毫米波宽带功率放大电路中，宽带匹配电路的设计是一大技术难点，而其中作为实现较大阻抗转换比的级间匹配电路设计是最难也是最具有技术挑战性的。传统的采用多节电感电容（LC）网络的宽带匹配电路结构，由于毫米波频率高，集总元件电感L、电容C本身会产生寄生参数，恶化元件本身的品质因数，从而大幅度恶化匹配电路的频带宽度，此外毫米波频率下的匹配元件值较小，相应元件的版图尺寸较小，进而受工艺波动影响较大。若是采用微带线和电容的匹配电路，为了实现毫米波频段内的宽带阻抗匹配，由于相应微带线的特征阻抗较小，微带线线宽较宽，版图上不适于进行拐弯折叠处理，因此匹配电路往往尺寸较长，大幅增加毫米波电路或者芯片的面积，进而大大增加放大器的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路及功率放大电路，电路结构紧凑、尺寸小、易于实现，采用极少的元件可实现在毫米波较宽的频段范围内实现较好的阻抗匹配，应用于毫米波功率放大电路，可大幅提高放大器的工作带宽，降低生产成本。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路，该电路包括第一微带线、耦合线、第二微带线、有损支路、第一偏置支路、第二偏置支路；所述第一微带线、耦合线和第二微带线依次串联，有损支路连接在耦合线与第一微带线相连接的端子和设定毫米波宽带匹配电路的基准电位的接地之间，第一偏置支路连接在第一微带线的输出端子和第一偏置电压源之间，第二偏置支路连接在耦合线与第二微带线相连接的端子和第二偏置电压源之间。

作为本发明毫米波宽带匹配电路的一种优选方案，所述有损支路包括第三微带线、电阻及第三电容；所述第三微带线的一端与耦合线和第一微带线相连接的端子相连接，另一端依次串联电阻和第三电容后，连接设定毫米波宽带匹配电路的基准电位的接地；或者所述电阻的一端与耦合线和第一微带线相连接的端子相连接，另一端依次串联第三微带线和第三电容后，连接设定毫米波宽带匹配电路的基准电位的接地。

作为本发明毫米波宽带匹配电路的一种优选方案，所述第一偏置支路包括第四微带线和第一电容，所述第四微带线连接在第一微带线的输出端子和第一偏置电压源之间，第一电容连接在第四微带线与第一偏置电压源相连接的端子和设定毫米波宽带匹配电路的基准电位的接地之间。

作为本发明毫米波宽带匹配电路的一种优选方案，所述第二偏置支路包括第五微带线和第二电容，所述第五微带线连接在耦合线与第二微带线相连接的端子和第二偏置电压源之间，第二电容连接在第五微带线与第二偏置电压源相连接的端子和设定毫米波宽带匹配电路的基准电位的接地之间。

作为本发明毫米波宽带匹配电路的一种优选方案，所述第三电容采用金属-绝缘层-金属电容。

一种功率放大电路，包括n-1个如上所述结构紧凑的毫米波宽带匹配电路，该功率放大电路还包括输入匹配电路、n个晶体管以及输出匹配电路，n为大于等于2的正整数，n个晶体管依次串联后，相邻两个晶体管之间再串联一个毫米波宽带匹配电路，且两个晶体管中，后一个晶体管的栅极与毫米波宽带匹配电路中第一微带线和第四微带线的共同连接点相连，前一个晶体管的漏极与第二微带线的输入端子相连，所有晶体管的源极均连接地，第一个晶体管的栅极连接输入匹配电路的输出端子，最后一个晶体管的漏极连接输出匹配电路的输入端子；

相邻两个晶体管之间串联的毫米波宽带匹配电路，其第一偏置支路为后一个晶体管的栅极提供直流电，第二偏置支路为前一个晶体管的漏极提供直流电。

作为本发明功率放大电路的一种优选方案，所述晶体管的物理结构类型为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管或异质结双极晶体管。

作为本发明功率放大电路的一种优选方案，所述功率放大电路的实现形式为单片集成电路或混合集成电路。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明宽带匹配电路所需匹配元件极少，电路结构简单紧凑、尺寸小、易于实现，可以在毫米波较宽的频段范围内实现较好的阻抗匹配，应用于功率放大电路，可大幅提高放大器的工作带宽，降低生产成本。

2、本发明中的毫米波宽带分布式电抗匹配电路适用于宽频带毫米波的应用场合，对放大器没有特殊要求，该放大器可以使功率放大器、低噪声放大器或者倍频器等。

附图说明

图1是本发明一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路的结构图。

图2是本发明实施例采用结构紧凑的毫米波宽带匹配电路的两级毫米波功率放大电路。

图3是图2实施例中级间阻抗转换smith圆图。

图4是图2实施例中功率放大电路增益曲线的仿真结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，是本发明一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路的结构图。包括第一微带线1、耦合线3、第二微带线2、有损支路、第一偏置支路、第二偏置支路；第一微带线1、耦合线3、第二微带线2采用串联方式连接；有损支路由第三微带线4、电阻R7及第三电容C8构成，该支路连接在耦合线3与第一微带线1相连接的端子和设定毫米波电路的基准电位的接地11之间；第一偏置支路由第四微带线5及第一电容C9构成，该支路连接在第一微带线1的输出端子和第一偏置电压源12之间；第二偏置支路由第五微带线6及第二电容C10构成，该支路连接在耦合线3与第二微带线2相连接的端子和第二偏置电压源13之间。

有损支路中第三微带线4、电阻R7及第三电容C8采用串联的方式连接，第三微带线4与电阻R7的连接顺序可互换。有损支路中第三电容C8采用金属-绝缘层-金属（MIM）电容，且其中的一个金属极板连接到基准电位地，是在匹配电路的工作频率范围内视作为短路的电抗。

第一偏置支路中第一电容C9连接在第四微带线5与第一偏置电压源12相连接的端子和设定毫米波电路的基准电位的接地11之间，是在匹配电路的工作频率范围内视作为短路的电抗。

第二偏置支路中第二电容C10连接在第五微带线6与第二偏置电压源13相连接的端子和设定毫米波电路的基准电位的接地11之间，是在匹配电路的工作频率范围内视作为短路的电抗。

一种功率放大电路，应用前述的一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路，包括依次连接的输入匹配电路、前级晶体管、级间匹配电路、末级晶体管和输出匹配电路；也包括多个中间级晶体管和级间匹配电路构成的多级级联结构；级间匹配电路即结构紧凑的毫米波宽带匹配电路。功率放大电路通过毫米波宽带匹配电路中第一偏置支路、第二偏置支路分别为与级间匹配电路相连的晶体管提供直流加电。

前级晶体管、中间级晶体管、末级晶体管的物理结构类型均可以为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管、异质结双极晶体管或其他类型晶体管。

功率放大电路实现形式为单片集成电路或混合集成电路。

实施例

如图2所示，为采用结构紧凑的毫米波宽带匹配电路的两级毫米波功率放大电路，其频率范围为50-120GHz，包括晶体管一Q1、晶体管二Q2、输入匹配电路、级间匹配电路和输出匹配电路，级间匹配电路即为一种结构紧凑的毫米波宽带匹配电路，晶体管一Q1的栅极与毫米波宽带匹配电路第一微带线（1）与偏置支路第四微带线（5）的共同连接点相连，晶体管二Q2的漏极与级间匹配电路中微带线（2）相连，由第四微带线（5）、第一电容（C9）构成的第一偏置支路为晶体管一Q1的栅极提供直流电，由第五微带线（6）、第二电容（C10）构成的第二偏置支路为晶体管二Q2的漏极提供直流电。

图3是图2中功率放大电路晶体管一Q1的有源极输入阻抗通过级间宽带匹配网络的阻抗转换至晶体管二Q2的负载输入阻抗随频率变化曲线。由于功率放大器的输出采用最大输出功率阻抗匹配方法，故输出阻抗由有源晶体管负载牵引得到的阻抗进行匹配，即根据有源晶体管负载牵引方法不断调节输出端阻抗，找到使有源晶体管输出功率最大的输出阻抗。从图3中的smith圆图可以看出负载输入阻抗与有源晶体管二Q2的有源极输出阻抗在较宽的毫米波频率范围内形成了较好的匹配。

图4给出了实施例中功率放大电路增益曲线的仿真结果。从图中可以看出，应用本发明的毫米波宽带匹配电路的功率放大电路在60-110GHz频率范围内获得较为平坦的增益，对应工作带宽达到50GHz，大幅提高了放大器的工作带宽，且由于匹配电路中沿信号传输方向的匹配元件极少，结构简单，该方向电路尺寸可大大缩小，而垂直于传输方向的支路由于微带线的线宽较小，可通过弯折缩小空间，因而整个电路面积可控制在较小的尺寸内，同时由于电路大量采用微带线，工艺易于实现，因而大大降低了生产成本。本发明中的毫米波宽带分布式电抗匹配电路适用于宽频带毫米波的应用场合，对放大器没有特殊要求，该放大器可以使功率放大器、低噪声放大器或者倍频器等。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。