一种平衡式功率放大器及提高线性度的方法

技术领域

本发明涉及射频集成电路技术领域，特别地涉及一种平衡式功率放大器及提高线性度的方法。

背景技术

应用于Ka波段的高性能和高线性度单片微波集成电路驱动/功率放大器在商业无线通信（如点对点的数字通信及无线电）以及先进的军用毫米波系统中需求量越来越大。为了满足有源相位雷达、未来蜂窝、本地多点分布业务和卫星通信应用中高效率、高功率、宽带操作和小尺寸的需求，凭借高功率密度和高增益的优势的AlGaAs/InGaAs/GaAs伪晶高电子迁移率晶体管脱颖而出。

功率放大器作为T/R组件中的核心组成部分，主要通过将获得的直流能量用于放大交流输入能量。为了保证经由放大后的信号不发生严重的失真而干扰后续的解码，线性度指标尤为重要。同时稳定性指标直接影响功率放大器在不同场景下的应用，在设计过程中需要考虑晶体管内存在寄生电容会形成正反馈电路从而使电路自激振荡。外界的环境温度的变化、电压的供电变化都有可能影响电路的稳定性。而Ka波段传输的毫米波波长短，导致其在自由空间传播损耗，穿透损耗及绕射损耗下，只能覆盖较小的区域范围且容易被阻隔。因此为了克服毫米波通信的劣势满足系统的传输要求，就需要提升功率放大器的输出性能。本发明主要提出一种综合提升线性度、效率及稳定性的毫米波功率放大器来解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种平衡式功率放大器，包括输入端、功率放大模块和输出端，输入端通过输入Lange耦合器进行功率等分，经由对称的功率放大电路后再由输出Lange耦合器进行功率合成输出。

优选地，对称的功率放大电路包括两个功率放大单元，每个功率放大单元由四级放大电路组成并均处于AB类放大器的工作状态。

优选地，功率放大器的输入信号从输入Lange耦合器的A1端口进入，端口B1和端口C1作为输出端，输出信号幅度相等，相位相差为90度。

优选地，输入Lange耦合器的端口B1和端口C1的输出信号经由两个对称功率放大器后再由输出端的输出Lange耦合器的端口C2和端口B2输入，功率合成后由输出Lange耦合器的端口A2输出放大后的功率信号。

优选地，输入信号经过隔直电容到达晶体管M1的栅端，晶体管M1的漏端输出经过隔直电容到达晶体管M2的栅端，晶体管M2的漏端经过隔直电容后分为两路信号进入晶体管M3的栅端，晶体管M3的漏端经过隔直电容后分为两路进入晶体管M4的栅端，晶体管M4两两合成后再合为一路经过隔直电容输出。

优选地，晶体管M3包括上路晶体管M31和下路晶体管M32，晶体管M4包括第一上路晶体管M41、第二上路晶体管M42、第一下路晶体管M43和第二下路晶体管M44。

优选地，晶体管M3与晶体管M4对应的功率分配及功率合成的微带线长度相等，布局完全对称。

优选地，晶体管M1和晶体管M2的栅端与栅极偏置电路之间均添加RC并联电路以降低低频增益，从而提高电路的整体稳定性；电路采用LC串联谐振技术，在二次谐波下进行匹配，使其对基波呈现的阻抗为容性。

利用平衡式功率放大器提高电路线性度的方法，晶体管M1的尺寸小于晶体管M2、M3和M4，晶体管M1用来提高电路的增益性能并驱动晶体管M2工作；晶体管M2和M3的尺寸较大以保证输出足够大的功率驱动晶体管M4工作，晶体管M4的尺寸由输出功率指标及功率密度来确定，通过负载牵引实现最佳输出；为了保证整体电路的高线性需求，四级管子均工作在线性区，在选取尺寸时需保证各级尺寸对应的资用功率大于指标拆分的输出功率，从而使晶体管不工作在饱和区。

优选地，晶体管M1、M2、M3、M4均独立供电，选取合适的静态工作点，使其工作在不同的状态下，对应的晶体管电流密度不均等，从而单独控制每一级增益特性，使其前后级增益特性相反，从而使相位压缩量减小；使末级电路的增益呈现出高端增加的状态，末级电路与前三级电路增益曲线叠加后，有效提高电路的线性度。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

功率放大器是发射/接收模块和通信系统中最重要的部件之一。功率附加效率（PAE）和输出功率水平被认为是许多应用的关键参数。功放占整个通信系统能耗的60%以上，下一代无线通信系统需要更高的附加效率以及更强的可靠性。功率放大器工作在非线性状态下，其工作效率能达到平时工作效率的1.5倍左右。因此为了满足效率高的需求需要适当调节利用非线性射频功率，但会在原有的输入信号的基础上产生杂波从而使传输信号产生失真，干扰会提高信号的误码率。因此需要各种线性化技术的应用来提升通道质量。功率放大器一般工作在大信号模式下，其中各种元器件的非线性效应产生的寄生电抗容易引起各种振荡，将导致功率放大器失效。为保障设备安全运行需要提高功放在不同应用场景下的电路稳定性。

本发明提供的一种平衡式功率放大器及提高电路线性度的方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

本发明通过利用毫米波功放电路匹配技术，减小IMD交调分量提升功放线性度。通过选择合适的静态工作点使功放的前级和后级增益压缩特性相反，减小相位的压缩量提高线性度。同时采用谐波匹配技术，利用二次谐波的串联谐振匹配技术从而提高抑制度及效率。并通过采用射频路RC匹配结构来降低低频增益提高稳定性，引入电臂增加阻性匹配来提升高频稳定性。本发明实物加工采用毫米波封装技术，表面厚铜及铜互联孔可以提升热导率；熟瓷基板光刻图形可以在提升精度的同时保证散射，控制功放的最高芯片温度在正常范围内来保持长期应用的稳定性，保证电路高频应用及可靠性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了本发明的功率放大器结构示意图；

图2显示了本发明的功率单元电路图；

图3显示了本发明的RC并联稳定网络电路图；

图4显示了本发明的末级电路增益曲线图；

图5显示了本发明的S参数实测图；

图6显示了本发明的饱和功率及效率实测图；

图7显示了本发明的OIP3实测图；

实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种平衡式功率放大器，包括输入端、功率放大模块和输出端，输入端通过输入Lange耦合器进行功率等分，经由对称的功率放大电路后再由输出Lange耦合器进行功率合成输出。

在一个实施例中，对称的功率放大电路包括两个功率放大单元，每个功率放大单元由四级放大电路组成并均处于AB类放大器的工作状态。

在一个实施例中，功率放大器的输入信号从输入Lange耦合器的A1端口进入，端口B1和端口C1作为输出端，输出信号幅度相等，相位相差为90度。

在一个实施例中，输入Lange耦合器的端口B1和端口C1的输出信号经由两个对称功率放大器后再由输出端的输出Lange耦合器的端口C2和端口B2输入，功率合成后由输出Lange耦合器的端口A2输出放大后的功率信号。

在一个实施例中，输入信号经过隔直电容到达晶体管M1的栅端，晶体管M1的漏端输出经过隔直电容到达晶体管M2的栅端，晶体管M2的漏端经过隔直电容后分为两路信号进入晶体管M3的栅端，晶体管M3的漏端经过隔直电容后分为两路进入晶体管M4的栅端，晶体管M4两两合成后再合为一路经过隔直电容输出。

在一个实施例中，晶体管M3包括上路晶体管M31和下路晶体管M32，晶体管M4包括第一上路晶体管M41、第二上路晶体管M42、第一下路晶体管M43和第二下路晶体管M44。

在一个实施例中，晶体管M3与晶体管M4对应的功率分配及功率合成的微带线长度相等，布局完全对称。

在一个实施例中，晶体管M1和晶体管M2的栅端与栅极偏置电路之间均添加RC并联电路以降低低频增益，从而提高电路的整体稳定性；电路采用LC串联谐振技术，在二次谐波下进行匹配，使其对基波呈现的阻抗为容性。

利用平衡式功率放大器提高电路线性度的方法，晶体管M1的尺寸小于晶体管M2、M3和M4，晶体管M1用来提高电路的增益性能并驱动晶体管M2工作；晶体管M2和M3的尺寸较大以保证输出足够大的功率驱动晶体管M4工作，晶体管M4的尺寸由输出功率指标及功率密度来确定，通过负载牵引实现最佳输出；为了保证整体电路的高线性需求，四级管子均工作在线性区，在选取尺寸时需保证各级尺寸对应的资用功率大于指标拆分的输出功率，从而使晶体管不工作在饱和区。

在一个实施例中，晶体管M1、M2、M3、M4均独立供电，选取合适的静态工作点，使其工作在不同的状态下，对应的晶体管电流密度不均等，从而单独控制每一级增益特性，使其前后级增益特性相反，从而使相位压缩量减小；使末级电路的增益呈现出高端增加的状态，末级电路与前三级电路增益曲线叠加后，有效提高电路的线性度。

本发明的毫米波功率放大器，其能够一定程度上提升其线性度、效率及稳定性的性能指标。如图1所示，该MMIC射频功率放大器为平衡式放大器，由输入Lange耦合器、放大器芯片单元、输出Lange耦合器组成。其中放大器芯片单元又包括输入阻抗匹配网络、栅极直流偏置网络、功率放大晶体管、漏极直流偏置网络和输出阻抗匹配网络。输入阻抗匹配网络主要由微带线、隔直电容、接地电容及电阻电容并联电路结构组成；栅极直流偏置网络主要由微带线、电阻、滤波电容结构用于提供晶体管的栅极偏置电压；漏极直流偏置网络主要由微带线，滤波电容结构用于提供晶体管的漏极偏置电压；输出阻抗匹配网络主要由微带线、隔直电容及接地电容结构组成。

在一个实施例中，本发明的放大器芯片单元采用平衡式放大器的结构，输入端通过Lange耦合器进行功率等分，经由对称的两个功率放大电路后再由Lange耦合器进行功率合成输出。每个功率单元由四级放大电路组成并均处于AB类放大器的工作状态。

在一个实施例中，放大器芯片单元的前三级晶体管放大电路称为驱动级放大电路，驱动级放大电路的增益曲线高端呈现衰减的趋势。通过对输出阻抗匹配网络进行设计可以使末级放大电路的增益曲线呈现扩张的趋势如图4所示，最终驱动级与末级叠加后增益较为平坦，实现减小相位压缩量从而提高毫米波功率放大器的线性度。

在一个实施例中，输出阻抗匹配网络采用二次谐波的串联谐振匹配技术，在基波呈容性状态下参与输出匹配，从而提高输出功率效率以及二次谐波抑制度。

在一个实施例中，为了满足电路在不同应用场景下的稳定性，在前两级晶体管M1、M2的输入端与栅极直流偏置网络之间串接RC并联结构，如图3所示，在不影响射频性能的情况下提高电路的稳定性。

在一个实施例中，本发明实物加工采用毫米波封装技术，表面厚铜及铜互联孔可以提升热导率；熟瓷基板光刻图形可以在提升精度的同时保证散射，控制功放的最高芯片温度在正常范围内来保持长期应用的稳定性。

在一个实施例中，采用平衡式放大器的结构，选取相位误差小、耦合紧、方向性高、驻波比低、插损低且体积小的Lange耦合器进行设计。功率放大器的输入信号从输入Lange耦合器的A1端口进入，端口B1和端口C1作为输出端，输出信号幅度相等，相位相差为90度。正常情况下，端口D1为隔离端没有功率输出。输入Lange耦合器的端口B1和端口C1的输出信号经由两个对称功率放大单元后再由输出端的输出Lange耦合器的端口C2和端口B2输入，功率合成后由输出Lange耦合器的端口A2输出放大后的功率信号,通过合理的设计实现使其全频段损耗<0.45dB。

在一个实施例中，各级晶体管均通过输入阻抗匹配电路、栅极直流偏置电路、漏极直流偏置电路及输出阻抗匹配电路构建完整的功率放大电路。放大器芯片单元主要由两个对称功率放大单元构成，其中，每个单元的结构如图2所示，输入信号经过隔直电容到达晶体管M1的栅端，晶体管M1的漏端输出经过隔直电容到达晶体管M2的栅端，晶体管M2的漏端经过隔直电容后分为两路信号进入晶体管M3的栅端，晶体管M3的漏端经过隔直电容后分为两路进入晶体管M4的栅端，晶体管M4两两合成后，再合为一路，经过隔直电容输出。其中，为了保证信号的一致性，晶体管M3与晶体管M4对应的功率分配及功率合成的微带线长度相等，布局完全对称。晶体管M1和晶体管M2的栅端与栅极偏置电路之间，均添加图3所示的RC并联电路，以降低低频增益，从而提高电路的整体稳定性。电路采用LC串联谐振技术，在二次谐波下进行匹配，使其对基波呈现的阻抗为容性，从而抑制二次谐波提高电路的附加效率。其中单个功率单元的末级功率损耗仅为0.2dB。

在一个实施例中，输入级即晶体管M1主要用来提高电路的增益性能并驱动晶体管M2工作，较小的尺寸可以实现较高的增益，通过源牵引优化折中选取其尺寸以获得目标输出功率及效率。晶体管M2和M3的尺寸应选取较大的值以保证输出足够大的功率驱动晶体管M4工作，但应避免过大的尺寸造成电力浪费及效率降低。晶体管M4的尺寸主要由输出功率指标及功率密度来确定，通过负载牵引可以实现最佳输出。为了保证整体电路的高线性需求，四级管子均工作在线性区，在选取尺寸时需保证各级尺寸对应的资用功率大于指标拆分的输出功率从而使管子不工作在饱和区。

在一个实施例中，随着频率增高电路的增益会有所下降，为了提高输出功率及线性度，晶体管M1、M2、M3、M4均独立供电选取合适的静态工作点使其工作在不同的状态下，对应的管子电流密度也不均等，从而单独控制每一级增益特性，使其前后级增益特性相反从而使相位压缩量减小。通过设计使末级电路的增益呈现出高端增加的状态如图4所示，其与前三级电路增益曲线叠加后可以有效提高电路的线性度。

在一个实施例中，采用 7mm*7mm 表贴无引线陶瓷管壳，可实现水密等级封装，其引脚焊盘表面采用镀 镍金工艺处理，适用于回流焊安装工艺。表面厚铜及铜互联孔以提升热导率、熟瓷基板光刻图形提升精度，同时保证散热，控制功放最高芯片温度在正常范围内来保证电路的高频应用及可靠性。

在一个实施例中，如图5所示，为本发明提出的毫米波功率放大器S参数测试结果。在连续波，+6V工作电压下，该毫米波功率放大器在频率37GHz-40GHz的频率范围内，实物测试其输入反射系数和输出反射系数<-14dB，小信号增益约为25dB。输出功率及效率如图6所示，其饱和输出功率为34dBm，对应的功率附加效率为25%-28%。由图7可以看出本例实物的输出三阶交调截断点在40dBm左右。总而言之实物器件的测试性能较好，可以综合提升功率放大器的线性度、效率及稳定性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。