内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块的制作方法

本发明涉及微波功率器件领域，特别涉及一种功率放大模块。

背景技术：

微波功率器件近年来已经从硅双极型晶体管、场效应管以及在移动通信领域被广泛应用的ldmos管向以碳化硅(sic)、氮化镓(gan)为代表的宽禁带功率管过渡。gan功率管因其高击穿电压、高线性性能、高效率等优势，已经在无线通信基站、广播电视、电台、干扰机、大功率雷达、电子对抗、卫星通信等领域有着广泛的应用和良好的使用前景。在系统应用中对功率管提出了宽带、小型化、低成本、通用器件、模块化设计等诸多应用需求。为了提高器件的可使用性，目前微波功率器件厂家一般提供的是匹配好的功率晶体管，这种功率管大多在特定频率下使用，通用性较差。而未匹配的宽带功率芯片具有价格低、频带宽、适用性广等优点，可以满足当下核心器件通用化、系列化及开发周期短平快的应用要求,具有较大的发展空间。随着对功率管功率的提升引起总栅宽增大，造成管芯阻抗实部变小，q值增高，馈电信号的幅度和相位不平衡问题越发严重，封装器件的s参数在smith圆图上转地太快，造成直接利用外电路进行一定带宽的匹配非常困难，现有gan单片微波集成电路(mmic)尽管有体积小、带宽宽、一致性高等优势，但其研制成本相对高，生产周期较长。

综上所述，现有技术的缺点如下，研制成本高，生产周期长，管壳外的匹配方法无法得到大的功率输出。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有管壳外的匹配方法无法得到大功率输出的问题，提出一种内匹配氮化嫁多芯片集成功率放大模块。

本发明解决上述技术问题，采用的技术方案是：

内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块，包括输入微带线、氮化镓管芯芯片一、功率分配微带线、氮化镓管芯芯片二、氮化镓管芯芯片三、输出微带线、直流偏置电路、阻抗补偿电路和底板；输入微带线的一端连通输入信号，输入微带线的另一端通过金丝键合连接氮化镓管芯芯片一的输入管脚，氮化镓管芯芯片一的输出管脚通过金丝键合经功率分配微带线分别连通氮化镓管芯芯片二的输入管脚和氮化镓管芯芯片三的输入管脚，氮化镓管芯芯片二的输出管脚和氮化镓管芯芯片三的输出管脚均通过金丝键合连接输出微带线的一端，输出微带线的另一端作为输出；所述氮化镓管芯芯片一、氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三的电源管脚均通过直流偏置电路连接外部电源，所述输入微带线与输出微带线相连通的线路上设置有阻抗补偿电路；所述氮化镓管芯芯片一、氮化镓管芯芯片二、氮化镓管芯芯片三、输入微带线、功率分配微带线和输出微带线均设置在底板上。

优选的，所述氮化镓管芯芯片一通过金丝键合在法兰一上，所述法兰一设置在铜载板一上，所述铜载板一设置在底板上。

优选的，所述氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三通过金丝键合在法兰二上，所述法兰二设置在铜载板二上，所述铜载板二设置在底板上。

优选的，所述底板为介电常数为9.9的al2o3陶瓷板。

优选的，所述阻抗补偿电路包括电容一、电容二和电容三，电容一的一端用于连通输入信号，电容一的另一端连接输入微带线，电容二的一端连通氮化镓管芯芯片一的输出管脚，电容二的另一端连通氮化镓管芯芯片二的输入管脚和氮化镓管芯芯片三的输入管脚，电容三的一端用于输出信号，电容三的另一端连接输出微带线。

优选的，所述直流偏置电路包括电阻一和电阻二，电阻一的一端连通氮化镓管芯芯片一的供电管脚，电阻一的另一端连接外部电源，所述电阻二的一端连通氮化镓管芯芯片二的供电管脚和氮化镓管芯芯片三的供电管脚，电阻二的另一端连接外部电源。

优选的，所述氮化镓管芯芯片一作为驱动级，其采用型号为gdah2p4a的管芯芯片；

和/或，所述氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三均作为放大级且都采用型号为gdah004a的管芯芯片。

本发明的有益效果是：

1)将氮化镓管芯芯片一作为驱动级管芯，将氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三作为放大级管芯，可通过合理选择氮化镓管芯芯片一、氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三实现带宽和功率要求。

2)通过合理设计直流偏置电路、阻抗补偿电路、各微带线和底座，实现阻抗变换、功率分配和电性能隔离。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的等效电路示意图；

其中，1为输入微带线，2为氮化镓管芯芯片一，3为功率分配微带线，4为氮化镓管芯芯片二，5为氮化镓管芯芯片三，6为输出微带线，7为底座，8为法兰一，9为铜载板一，10为法兰二，11为铜载板二，12为电容一，13为电容二，14为电容三，15为电阻一，16为电阻二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及如下实施例对本发明进行进一步详细说明。

内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块，包括输入微带线、氮化镓管芯芯片一、功率分配微带线、氮化镓管芯芯片二、氮化镓管芯芯片三、输出微带线、直流偏置电路、阻抗补偿电路和底板；输入微带线的一端连通输入信号，输入微带线的另一端通过金丝键合连接氮化镓管芯芯片一的输入管脚，氮化镓管芯芯片一的输出管脚通过金丝键合经功率分配微带线分别连通氮化镓管芯芯片二的输入管脚和氮化镓管芯芯片三的输入管脚，氮化镓管芯芯片二的输出管脚和氮化镓管芯芯片三的输出管脚均通过金丝键合连接输出微带线的一端，输出微带线的另一端作为输出；氮化镓管芯芯片一、氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三的电源管脚均通过直流偏置电路连接外部电源，输入微带线与输出微带线相连通的线路上设置有阻抗补偿电路；氮化镓管芯芯片一、氮化镓管芯芯片二、氮化镓管芯芯片三、输入微带线、功率分配微带线和输出微带线均设置在底板上。

其中，氮化镓管芯芯片一作为驱动级管芯，将氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三作为放大级管芯；直流偏置电路起限流作用，阻抗补偿电路用于调节电路的阻抗；输入微带线用于连通驱动级管芯的输入信号和输入电源，功率分配微带线主要用于将驱动级管芯的输出分配给两个放大级管芯，输出微带线用于连通输出信号；可通过合理选择氮化镓管芯芯片一、氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三实现带宽和功率要求；可利用大信号非线性模型，结合基波和二次谐波的负债牵引和源牵引放置，合理设计并优化各微带线的形状、设计阻抗补偿电路、直流偏置电路和底座，实现阻抗变换、功率分配和电性能隔离，使得本多芯片集成功率放大模块在信号幅度和相位上获得平衡，提升管芯输入和输出的阻抗的实部至50欧姆。本多芯片集成功率放大模块结构简单，易于产品工程化。

为了使得氮化镓管芯芯片一的安装更加稳定可靠，氮化镓管芯芯片一可通过金丝键合在法兰一上，法兰一可设置在铜载板一上，铜载板一设置在底板上。

为了使得氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三的安装更加稳定可靠，上述氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三可通过金丝键合在法兰二上，法兰二可设置在铜载板二上，铜载板二设置在底板上。

作为上述底板的优选，底板为介电常数为9.9的al2o3陶瓷板。

作为上述阻抗补偿电路的优选，阻抗补偿电路包括电容一、电容二和电容三，电容一的一端用于连通输入信号，电容一的另一端连接输入微带线，电容二的一端连通氮化镓管芯芯片一的输出管脚，电容二的另一端连通氮化镓管芯芯片二的输入管脚和氮化镓管芯芯片三的输入管脚，电容三的一端用于输出信号，电容三的另一端连接输出微带线。

作为上述直流偏置电路的优选，直流偏置电路包括电阻一和电阻二，电阻一的一端连通氮化镓管芯芯片一的供电管脚，电阻一的另一端连接外部电源，电阻二的一端连通氮化镓管芯芯片二的供电管脚和氮化镓管芯芯片三的供电管脚，电阻二的另一端连接外部电源。

为保证本内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块的带宽达到2700-6500mhz，输出功率达到20w，氮化镓管芯芯片一作为驱动级，其采用型号为gdah2p4a的管芯芯片；氮化镓管芯芯片二和氮化镓管芯芯片三均作为放大级且都采用型号为gdah004a的管芯芯片。

实施例

如图1所示，内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块，包括输入微带线1、型号为gdah2p4a的氮化镓管芯芯片一2、功率分配微带线3、型号为gdah004a的氮化镓管芯芯片二4、型号为gdah004a的氮化镓管芯芯片三5、输出微带线6、直流偏置电路、阻抗补偿电路和底板7；输入微带线1的一端连通输入信号，输入微带线1的另一端通过金丝键合连接氮化镓管芯芯片一2的输入管脚、氮化镓管芯芯片一2的输出管脚通过金丝键合经功率分配微带线3分别连通氮化镓管芯芯片二4的输入管脚和氮化镓管芯芯片三5的输入管脚，氮化镓管芯芯片二4的输出管脚和氮化镓管芯芯片三5的输出管脚均通过金丝键合连接输出微带线6的一端，输出微带线6的另一端作为输出；氮化镓管芯芯片一2、氮化镓管芯芯片二4和氮化镓管芯芯片三5的电源管脚均通过直流偏置电路连接外部电源，输入微带线1与输出微带线14相连通的线路上设置有阻抗补偿电路；氮化镓管芯芯片一2、氮化镓管芯芯片二4、氮化镓管芯芯片三5、输入微带线1、功率分配微带线3和输出微带线6均设置在底板7上。其中，底板7为介电常数为9.9厚度为20mil的陶瓷板，氮化镓管芯芯片一2通过金丝键合在法兰一8上，法兰一8可设置在铜载板一9上，铜载板一9设置在底板7上，氮化镓管芯芯片二4和氮化镓管芯芯片三5分别通过金丝键合在法兰二10上，法兰二10设置在铜载板二11上，铜载板二11设置在底板7上。

如图2所示为本发明实施例的等效电路示意图，结合图1和图2，阻抗补偿电路包括电容一12、电容二13和电容三14，电容一12的一端用于连通输入信号，电容一12的另一端连接输入微带线1，电容二13的一端连通氮化镓管芯芯片一2的输出管脚，电容二13的另一端连通氮化镓管芯芯片二4的输入管脚和氮化镓管芯芯片三5的输入管脚，电容三14的一端用于输出信号，电容三的另一端连接输出微带线6。直流偏置电路包括电阻一15和电阻二16，电阻一15的一端连通氮化镓管芯芯片一2的供电管脚，电阻一15的另一端连接外部电源，电阻二16的一端连通氮化镓管芯芯片二4的供电管脚和氮化镓管芯芯片三5的供电管脚，电阻二16的另一端连接外部电源。

利用大信号非线性模型、结合基波和二次谐波的负债牵引和源牵引仿真，设计输入微带线、功率放大微带线和输出微带线的形状和布局如图1所示，设计法兰一和法兰二的尺寸为5.5mm×1.5mm×0.5mm模块尺寸，整个内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块的尺寸仅需20mm×17mm×2mm，设计电容一、电容二和电容的容值均为5.6pf，设计电阻一和电阻二的阻值均为20欧姆，通过测试可得本内匹配氮化镓多芯片集成功率放大模块的带宽为2700-6500mhz，漏源饱和电流小于等于4a，输出功率不小于20w，详细测试如下。

设置外部电源为-5v，输入脉冲占空比为80％脉宽为80us电压为30v的脉冲连续波信号进行测试，测试出的电流为150ma，测试出的输出功率如下表1所示。

表1脉冲连续波条件下的输出功率

在上述输入条件下，中间部分频点输出功率为20w时的增益数据如下表2所示。

表2输出功率为20w时的增益数据

外部电源为-5v，输入脉冲占空比为80％脉宽为80us电压为30v的脉冲连续波信号进行测试，测试出的电流为150ma，测试出输出功率为20w时的二次谐波如下表3所示。

表3输入连续波信号输出功率为20w时的二次谐波