本实用新型涉及电子通信领域，具体涉及一种级联型准芯片功率放大器。
背景技术：
功率放大器作为通信、雷达等各类无线电系统中重要的组成部分之一，其性能很大程度上决定了整机性能的好坏。随着有源相控阵技术和无线通讯技术的发展，系统对功率放大器的需求越来越大，同时对其体积、成本、效率和线性度等方面要求也越来越高。
传统功率放大器的实现方式一般分为两种，一种是基于集成电路与分立元件的混合集成电路，优点是设计灵活、成本低，缺点是体积大、调试量大；另外一种是微波芯片集成电路(MMIC)，将所有元器件集成在一个芯片上，优点是一致性好、稳定性好、体积小，缺点是开发成本高、受特定工艺限制多。MMIC具有稳定性好、体积小等优势，被广泛应用于功率放大器的设计和使用中。制作MMIC的主要衬底材料有砷化镓(GaAs)材料和氮化镓(GaN)材料。相对于GaAs材料，GaN功率放大器芯片的主要优势表现在有源GaN功放管：采用GaN制作的功放管饱和电子速率高、击穿电压大、导热率高，这些优势是GaAs功放管所不具备的。但是在GaN功率放大器芯片的设计和使用中，往往无源器件尤其是电感占用面积较多，使得芯片面积较大，而GaN材料由于其介电常数等方面的原因，其匹配电路的面积大于GaAs，加之材料固有成本高于GaAs，使得GaN芯片放大器的成本较高。功率放大器为实现所要求的高功率，往往需要多级功率放大器级联，这就涉及到前级功率放大器和后级之间的连接和匹配。常见的方法是分别设计前后级功率放大器的放大和匹配电路，再将前级功率放大器的输出与后级功率放大器的输入级联。作为后级输出大功率的GaN准芯片功率放大器，其输入匹配和偏置电路依然可以使用GaAs材料制作，再与前级放大器连接。前级功率放大器往往不需要输出很大的功率，GaAs材料制作能够满足要求，采用GaN制作前级功率放大器不能完全发挥GaN的优势，同时造成成本升高。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是克服以往混合集成电路设计的功率放大器不利于小型化以及功率放大器完全采用GaN材料制作成本高的问题。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种准芯片功率放大器，包括输入匹配电路与栅极偏置电路的组合模块、放大器管芯以及输出匹配电路与漏极偏置电路的组合模块，所述输入匹配电路与栅极偏置电路的组合模块连接到所述放大器管芯的栅极，所述放大器管芯的漏极连接到输出匹配电路与漏极偏置电路的组合模块；所述放大器管芯用于对输入信号进行放大；所述输入/输出匹配电路用于放大器管芯输入/输出阻抗与输入/输出端口欧姆阻抗匹配；所述栅极/漏极偏置电路用于对射频信号进行扼流。
进一步地，所述输入匹配电路包括T型匹配结构、至少两路微带匹配结构以及与微带结构同路数的金丝，所述T型匹配结构、至少两路微带匹配结构以及金丝依次连接。
进一步地，所述T型匹配结构由微带TL1、TL2并联电容C2构成。
进一步地，所述栅极偏置电路由电阻和微带串联后并联电容构成，该栅极偏置电路用于抑制射频输入信号从放大器管芯栅极馈电电源端泄漏以及为该放大器管芯提供栅极电压；所述漏极偏置电路由微带并联电容构成，用于抑制输出信号向漏极馈电电源端泄漏，同时为放大器管芯提供漏极电压。
进一步地，所述输入匹配电路与栅极偏置电路的组合模块作为放大器的输入部分，其由金丝或金带连接到放大器管芯的栅极。
进一步地，所述输出匹配电路和漏极偏置电路的组合模块作为放大器的输出部分，其由金丝或金带连接到放大器管芯的漏极。
进一步地，还包括前级功率放大器，所述前级功率放大器与所述输入匹配电路与栅极偏置电路的组合模块的输入端连接。
进一步地，所述前级功率放大器上集成有驱动级砷化镓功率放大管芯，所述砷化镓功率放大管芯的漏极连接有由电容和微带并联组成的馈电电路；栅极连接有前级功率放大器的前级输入匹配电路和偏置电路的组合模块。
进一步地，所述放大器管芯为有源氮化镓芯片。
进一步地，所述输入/输出匹配电路、栅极/漏极偏置电路的制造材料包括GeSi材料、SiC材料、金刚石材料和高阻硅材料。
本实用新型的有益效果是：一方面采用砷化镓材料制作前级功率放大器的输入输出匹配、偏置电路和反馈电路等无源电路，可以在节约成本的同时，将同种材质后级准芯片功率放大器的输入匹配电路集成在前级功率放大器芯片上，突破原有突破混合集成电路分立元件设计方式，更又有利于放大器小型化。另一方面采用氮化镓材料制作有源功率放大器管芯，抗击穿电压大，饱和电子速率高、导热率高，满足功率放大器对材料的高频、大功率和高热导率要求。
附图说明
图1是本实用新型一种准芯片功率放大器实施例一的两路合成电路图；
图2是本实用新型一种准芯片功率放大器实施例一的四路合成电路图；
图3是本实用新型一种准芯片功率放大器实施例一的八路合成电路图；
图4是本实用新型一种准芯片功率放大器实施例二的两路合成电路图；
图5是本实用新型一种准芯片功率放大器实施例二的四路合成电路图；
图6是本实用新型一种准芯片功率放大器实施例二的八路合成电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步详细介绍，但本实用新型的实施方式不限于此。
本实用新型实施例一如图1-3所示，提供一种准芯片功率放大器，包括输入匹配电路与栅极偏置电路的组合模块、放大器管芯以及输出匹配电路与漏极偏置电路的组合模块，所述输入匹配电路与栅极偏置电路的组合模块作为放大器的输入部分，其由金丝或金带连接到放大器管芯的栅极；所述输出匹配电路和漏极偏置电路的组合模块作为放大器的输出部分，其由金丝或金带连接到放大器管芯的漏极；所述放大器管芯用于对输入信号进行放大；所述输入/输出匹配电路用于放大器管芯输入/输出阻抗与输入/输出端口欧姆阻抗匹配；所述栅极/漏极偏置电路用于对射频信号进行扼流。
更优选地，输入匹配电路包括T型匹配结构、至少两路微带匹配结构以及与微带结构同路数的金丝，所述T型匹配结构、至少两路微带匹配结构以及金丝依次连接。其中所述T型匹配结构由微带TL1、TL2并联电容C2构成。
更优选地，栅极偏置电路由电阻和微带串联后并联电容构成，该栅极偏置电路用于抑制射频输入信号从放大器管芯栅极馈电电源端泄漏以及为该放大器管芯提供栅极电压；漏极偏置电路由微带并联电容构成，用于抑制输出信号向漏极馈电电源端泄漏，同时为放大器管芯提供漏极电压。
本实用新型还提供另一种实施例如图4-6所示，与实施例一不同的是前级电路不再是单一的输入匹配偏置电路，而是由砷化镓功率放大器和氮化镓功率放大器管芯的输入匹配电路组合形成前级功率放大器，所述前级功率放大器上集成有驱动级砷化镓功率放大管芯，所述砷化镓功率放大管芯的漏极连接有由电容和微带并联组成的馈电电路；栅极连接有前级功率放大器的前级输入匹配电路和偏置电路的组合模块。其中该放大器再通过金丝或金带互连实现前级电路与氮化镓功率放大器管芯的连接。
更优选地，放大器管芯为有源GaN(氮化镓)芯片。采用氮化镓材料制作有源功率放大器管芯，满足功率放大器对材料的高频、大功率和高热导率要求；采用砷化镓材料制作输入输出匹配、偏置电路和反馈电路等无源电路，降低芯片成本。可替代方式包括将前后级电路芯片采用GeSi材料(硅基异质结构材料)、SiC材料(碳化硅材料)、金刚石材料和高阻硅材料来实现。
图中只给出了驱动级仅为一级放大器的电路，亦可以采用多级放大形式。实施例一的两路合成准功率放大器如图1所示，两路合成准功率放大器主要是针对单个GaN功率放大器管芯功率能力不足，而采用两个相同管芯进行功率合成。射频输入端由输入匹配网络和栅极偏置电路构成，电容C1、微带线TL1、TL2和C2，微带线TL3、TL4、TL5、TL6及金丝(带)阻抗匹配网络，实现GaN放大器管芯栅极阻抗共轭至输入阻抗50欧姆匹配功能(例如放大器管芯栅极最佳阻抗为R1+j*X1,则匹配网络实现阻抗R1-j*X1变换至50欧姆)，同时完成输入激励信号功率均分，由输入TL5、TL6和TL3、TL4两条路径分别馈入放大器管芯栅极输入端。栅极偏置电路由串联电阻TL7、R1、微带线TL7、并联电容C4构成，对射频信号进行扼流，抑制射频输入信号至栅极馈电电源端泄漏，并为GaN放大器管芯提供栅极电压。匹配电路和栅极偏置电路共同构成放大器的输入部分，由金丝或金带接入功率放大器芯片栅极(金丝或金带的影响需融入匹配网络)。GaN放大器管芯源极接地，漏极通过金丝或金带连接到后端输出匹配电路和漏极偏置电路的组合模块。后级电路结构与前级类似，由微带线TL8、TL9、TL10、TL11、TL12、C5构成匹配网络，实现GaN放大器管芯漏极最佳共轭阻抗至输出端口50欧姆阻抗变换功能(例如放大器管芯栅极最佳阻抗为R2+j*X2,则匹配网络实现阻抗R2-j*X2变换至50欧姆)，同时完成两路输出信号功率合成(由TL8、TL9与TL10、TL10两路输出)。微带线TL12、C5构成GaN放大器管芯漏极偏置电路，抑制输出信号向漏极馈电电源端泄漏，同时为放大器管芯提供漏极电压和电流。
实施例一的四路合成准功率放大器所设计原理图如图2，四路合成准功率放大器主要是针对两个GaN功率放大器管芯合成功率能力仍不足，而采用四个相同管芯进行功率合成。图2中四个管芯级联形式未全部画出，如图1形式级联结构，射频输入端由输入匹配网络和栅极偏置网络构成。射频输入端隔直电容C1后连接TL1、TL2和C2组成的T型匹配结构，之后并联分别由TL3、TL4、C4和TL18、TL19和C8组成的两路T型功分结构，同时实现阻抗变换，TL3、TL4、C4之后再并联TL6、TL7和TL8、TL9两组串联微带线，组成两路功分器结构，同时TL21、TL22和TL23、TL24两组串联微带线并联接入TL18、TL19和C8，组成另外两路功分器。四路功分分别由金丝或金带与GaN功率放大器管芯栅极相连。输入偏置网络主要功能包含阻抗变换和对输入激励信号进行功率分配。栅极偏置电路由串联TL5和R1、并联C6构成(另一路由串联TL20和R2、并联C9构成)，对射频信号扼流并为GaN放大器管芯提供栅极电压。GaN功率放大器管芯源极直接接地，漏极分别由金丝或金带并联连接TL10、TL11，TL12、TL13，TL25、TL26，TL27、TL28四组串联微带线网络，TL10、TL11，TL12、TL13之后串接TL14构成功率合成，同时完成50欧姆阻抗变换的功能，TL25、TL26，TL27、TL28之后则串接TL29构成另一路功率合成，TL14和TL19两路合成之后接入TL16、TL17和C12构成的匹配网络结构，实现功率合成和阻抗匹配，最终通过隔直电容C13输出。GaN功率放大器管芯漏极偏置电路由TL15和C10构成，另一路由TL30和C11构成，起到扼流馈电的效果。
实施例一的八路合成准功率放大器原理图如图3，八路合成准功率放大器主要是针对四个GaN功率放大器管芯合成功率能力仍不足，而采用八个相同管芯进行功率合成。图3中八个管子级联形式未全部画出，如图1形式级联结构，后图同理。射频输入端隔直电容C1后连接TL1、TL2和C2组成的T型匹配结构，之后并联分别由TL3、TL4、C4和TL19、TL20和C15组成的两路T型功分结构，同时实现50欧姆阻抗变换。TL3、TL4、C4之后并联两路分别由TL6、TL7、C7和TL8、TL9和C9组成的两路T型结构。TL6、TL7、C7再并联两路TL11、TL12和TL13、TL14功分结构，完成阻抗匹配和功率分配。TL8、TL9和C9组成的T型结构之后并联两路TL15、TL16和TL17、TL18功分结构。而TL19、TL20、C15之后并联两路分别由TL22、TL23、C13和TL24、TL25和C17组成的两路T型结构。TL22、TL23、C13之后并联两路TL27、TL28和TL29、TL30功分结构，完成阻抗匹配和功率分配。TL24、TL25和C17组成的T型结构之后并联两路TL31、TL32和TL33、TL34功分结构。栅极偏置电路四组相同的结构，分别由串联TL5和R1、并联C5；串联TL10和R2、并联C11；串联TL21和R3、并联C12和串联TL26和R4、并联C19构成，对射频信号扼流并为GaN放大器管芯提供栅极电压。八路功分结构分别由金丝或金带连接到GaN功率放大器管芯栅极。GaN功率放大器管芯源极直接接地。漏极分别由金丝或金带连接TL36、TL37，TL38、TL39，TL40、TL41，TL42、TL43，TL44、TL45，TL46、TL47，TL48、TL49，TL50、TL51八组微带线网络，构成GaN功率放大器管芯的输出。TL36、TL37和TL38、TL39之后串接TL52，TL40、TL41和TL42、TL43之后串接TL53，实现功率合成和阻抗变换。TL52和TL53再与TL59、TL60和C21组成的T型网络共同组成功率合成结构，同时完成阻抗变换。TL44、TL45和TL46、TL47之后串接TL56，TL48、TL49和TL50、TL51之后串接TL57，实现功率合成和阻抗变换。TL56和TL57再与TL61、TL62和C24组成的T型网络共同组成功率合成结构，同时完成阻抗变换。TL59、TL60和C21组成的T型网络与TL61、TL62和C24组成的T型网络之后接入TL63、TL64和C26组成的T型网络，实现阻抗变换和最终的功率合成之后，通过隔直电容C27输出。GaN功率放大器管芯漏极偏置电路由TL35和C20构成(另三路分别由TL54和C22、TL55和C23、TL58和C25构成)，起到扼流馈电的效果。
实施例二的两路合成如图4所示，前级芯片由前级GaAs功率放大器和GaN管芯输入匹配和偏置电路两部分构成。其中前级GaAs功率放大器由输入匹配(TL1、TL2和C2组成)、输出匹配(TL3、TL4、C5和C4组成)，所述前级输出匹配也可以是后级的输入匹配、偏置电路(串联TL5和R1、并联C3构成)和馈电电路(串联TL6和并联C6构成)；GaN管芯输入匹配结构由两路TL7串联TL8和TL9串联TL10构成，起到功率分配和阻抗变换的功能；GaN管芯偏置电路由串联TL11和并联C8构成，通过金丝或金带接入GaN管芯栅极为管芯提供偏置电压。GaN管芯源极直接接地，漏极通过金丝或金带并联连接由TL12、TL13和TL14、TL15构成的两路输出结构，之后串接TL17、TL18和并联C9，共同完成输出阻抗匹配和功率合成，最终通过隔直电容C10输出。
实施例二的四路合成如图5所示，前级芯片由前级GaAs功率放大器和GaN管芯输入匹配和栅极偏置电路两部分构成。其中前级GaAs功率放大器由输入匹配(TL1、TL2和C2组成)、输出匹配(TL3、TL4、C5和C4组成)、偏置电路(串联TL5和R1、并联C3构成)和馈电电路(串联TL6和并联C6构成)；GaN放大器管芯输入匹配由并联的TL7、TL8、C7和TL14、TL15和C8组成的两路T型功分结构构成，实现50欧姆阻抗变换，TL7、TL8、C7之后再并联TL10、TL11和TL12、TL13两组串联微带线，组成两路功分器结构，同时TL17、TL18和TL19、TL20两组串联微带线并联接入TL14、TL15和C8，组成另外两路功分器。四路功分分别由金丝或金带与GaN功率放大器管芯栅极相连。偏置电路由串联TL9和R3、并联C16构成(另一路由串联TL16和R2、并联C9构成)，对射频信号扼流并为GaN放大器管芯提供栅极电压。GaN功率放大器管芯源极直接接地，漏极分别由金丝或金带并联连接TL22、TL23，TL24、TL25，TL26、TL27和TL28、TL29四组串联微带线网络，TL26、TL27和TL28、TL29之后串接TL31构成功率合成，同时完成50欧姆阻抗变换的功能，TL25、TL26和TL27、TL28之后则串接TL32构成另一路功率合成，TL31和TL32两路合成之后接入TL33、TL34和C14构成的匹配网络结构，实现功率合成和阻抗匹配，最终通过隔直电容C15输出。GaN功率放大器管芯漏极馈电网络由TL21和C12构成(另一路由TL30和C13构成)，起到扼流馈电的效果。
实施例二的八路合成如图6所示，前级芯片由前级GaAs功率放大器和GaN管芯输入匹配和偏置电路两部分构成。其中前级GaAs功率放大器由输入匹配(TL1、TL2和C2组成)、输出匹配(TL3、TL4、C5和C4组成)、偏置电路(串联TL5和R1、并联C3构成)和馈电电路(串联TL6和并联C6构成)；GaN放大器管芯输入匹配由并联的两路TL7、TL8、C7和TL23、TL24和C14组成的T型功分结构，同时实现50欧姆阻抗变换。TL7、TL8、C7之后并联两路分别由TL9、TL10、C9和TL11、TL12和C10组成的两路T型结构。TL11、TL12和C10则并联两路TL19、TL20和TL21、TL22功分结构，完成阻抗匹配和功率分配。TL9、TL10、C9组成的T型结构之后并联两路TL15、TL16和TL17、TL18串联功分结构。而TL23、TL24、C14之后并联两路分别由TL25、TL26、C13和TL27、TL28和C16组成的两路T型结构。TL25、TL26、C13之后并联两路TL31、TL32和TL33、TL34串联功分结构，完成阻抗匹配和功率分配。TL27、TL28和C16组成的T型结构之后并联两路TL35、TL36和TL37、TL38串联功分结构。八路功分结构分别由金丝或金带连接到GaN功率放大器管芯栅极。偏置电路为四组相同的结构，分别由串联TL13和R2、并联C8；串联TL14和R3、并联C11；串联TL29和R4、并联C12和串联TL30和R5、并联C17构成，对射频信号扼流并为GaN放大器管芯提供栅极电压。GaN功率放大器管芯源极直接接地。漏极分别由金丝或金带并联连接TL40、TL41，TL42、TL43，TL44、TL45，TL46、TL47，TL48、TL49，TL50、TL51，TL52、TL53，TL54、TL55八组串联微带线网络，构成GaN功率放大器管芯的输出。TL40、TL41和TL42、TL43之后串接TL57，TL45、TL44和TL46、TL47之后串接TL58，实现功率合成和阻抗变换。TL57和TL58再与TL65、TL66和C24组成的T型网络共同组成功率合成结构，同时完成阻抗变换。TL48、TL49和TL50、TL51之后串接TL60，TL52、TL53和TL54、TL55之后串接TL61，实现功率合成和阻抗变换。TL60和TL61再与TL63、TL64和C23组成的T型网络共同组成功率合成结构，同时完成阻抗变换。TL65、TL66和C24组成的T型网络与TL63、TL64和C23组成的T型网络之后接入TL67、TL68和C25组成的T型网络，实现阻抗变换和最终的功率合成之后，通过隔直电容C27输出。GaN功率放大器管芯漏极馈电网络由TL39和C19构成(另三路分别由TL59和C20、TL69和C21、TL62和C22构成)，起到扼流馈电的效果。
本实用新型虽以较佳实施例揭露，如上述两路、四路、八路合成准功率放大器，然其并非用以限定本实用新型的范围，亦可由其他路数来实现。本实用新型所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可做各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视之前的权利要求书所界定者为准。