一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器的制作方法

本实用新型属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器的设计。

背景技术：

随着宽带数字传输、高速卫星通信等需求的卫星通信市场的快速发展，射频前端收发器也要求随之向高集成、低功耗、结构紧凑、价格低廉的方向发展。

射频与微波功率放大器作为发射机的重要模块，是整个发射机中耗能最多的电路，其输出功率要求比较高，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现在以下几方面：

(1)高功率高效率放大能力受限：随着半导体工艺的发展和晶体管尺寸等比例缩小的趋势，晶体管的栅长越来越短，导致了击穿电压的降低和膝点电压的升高，从而限制了晶体管漏极输出电压摆幅，进而限制了单一晶体管的功率容量，同时受到寄生参数的影响，毫米波的晶体管增益也大大受限。

(2)低成本高功率放大能力受限：随着第三代半导体工艺的发展，传统的GaAs工艺保持低成本优势的同时，也需要迫切地提升功率输出能力；而第三代半导体GaN芯片在毫米波的应用越来越广，也需要迫切地降低成本。

目前，常见的宽带高效率、高功率的放大器的电路结构有很多，要想同时满足各项参数的要求十分困难，通常，其高功率指标必然带来效率指标的恶化，同时增加功耗或芯片面积等为代价来获得的。

由此可以看出，基于集成电路工艺的毫米波宽带高效率、高功率放大器的设计难点为：(1)毫米波超宽带高功率输出难度较大；(2)毫米波高功率增益难度较大；(3)毫米波传统方法设计的芯片面积较大。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器，具有高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低等优点。

本实用新型的技术方案为：一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器，包括输入匹配网络、第一栅源反馈堆叠放大网络、第二栅源反馈堆叠放大网络、自偏分压网络和输出匹配网络；输入匹配网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与第一栅源反馈堆叠放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二栅源反馈堆叠放大网络的输入端连接；输出匹配网络的输出端为整个功率放大器的输出端，其第一输入端与第一栅源反馈堆叠放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二栅源反馈堆叠放大网络的输出端连接；自偏分压网络分别与第一栅源反馈堆叠放大网络、第二栅源反馈堆叠放大网络以及输出匹配网络连接。

其中，第一栅源反馈堆叠放大网络和第二栅源反馈堆叠放大网络为有源放大网络，输入匹配网络、输出匹配网络和自偏分压网络为无源网络。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用栅源反馈堆叠放大网络，遏制了传统晶体管堆叠结构放大器在毫米波出现的不稳定现象，使得栅源反馈堆叠放大器可以实现良好的功率和效率匹配，同时还可以兼顾阻抗匹配，此外保留了堆叠结构放大器的优势，如节省芯片面积，实现良好的宽带功率输出能力和功率增益能力，避免了集成电路工艺的低击穿电压特性，提高电路的稳定性与可靠性。

进一步地，输入匹配网络包括依次串联的隔直电容C1、微带线TL1、微带线TL3、第一RC抑制电路以及微带线TL7，隔直电容C1的一端为输入匹配网络的输入端；微带线TL1和微带线TL3的连接节点上还连接有开路微带线TL2；第一RC抑制电路和微带线TL7的连接节点还与微带线TL4的一端连接，微带线TL4的另一端分别与电阻R3的一端以及第二RC抑制电路连接，电阻R3的另一端与低压偏置电源Vg1连接；微带线TL7的另一端分别与微带线TL6的一端以及微带线TL5的一端连接，微带线TL6的另一端为输入匹配网络的第一输出端，微带线TL5的另一端为输入匹配网络的第二输出端；第一RC抑制电路包括并联的电阻R1和电容C2，第二RC抑制电路包括串联的电阻R2和接地电容C3。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输入匹配网络除了能对射频输入信号进行阻抗匹配以及等功率分配以外，还能实现信号自激抑制功能从而提高电路的稳定性，其中第一RC抑制电路主要实现对晶体管的潜在低频不稳定信号进行抑制，第二RC抑制电路主要实现对电源自激不稳定信号进行抑制。

进一步地，第一栅源反馈堆叠放大网络和第二栅源反馈堆叠放大网络结构相同，均包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管、中间层晶体管以及底层晶体管；底层晶体管的源极均接地，其栅极为第一栅源反馈堆叠放大网络或第二栅源反馈堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管的栅极分别与自偏分压网络以及一路栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间通过串联的电容和微带线连接；顶层晶体管的栅极分别与自偏分压网络以及一路栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间通过串联的电容和微带线连接，其漏极为第一栅源反馈堆叠放大网络或第二栅源反馈堆叠放大网络的输出端；底层晶体管的漏极和中间层晶体管的源极之间，以及中间层晶体管的漏极和顶层晶体管的源极之间均连接有L型匹配枝节；栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻和补偿接地电容，L型匹配枝节包括串联在两个相邻晶体管的漏极和源极之间微带线以及并联在该微带线和晶体管漏极之间的开路微带线。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的栅源反馈堆叠放大网络，与常规堆叠放大网络相比，采用了栅源反馈回路，遏制了传统晶体管堆叠结构放大器在毫米波出现的不稳定现象，使得栅源反馈堆叠放大器可以实现良好的功率和效率匹配，同时还可以兼顾阻抗匹配；同时在晶体管堆叠结构的漏极和源极连接中加入了具有一定长度的L型匹配枝节，强化了堆叠结构在毫米波实现堆叠晶体管间的阻抗匹配，而常规堆叠放大网络采用的是较短的微带线连接。

进一步地，输出匹配网络包括依次串联的隔直电容C13、微带线TL32、微带线TL29以及微带线TL26，隔直电容C13的一端为输出匹配网络的输出端；微带线TL32和微带线TL29的连接节点上还连接有开路微带线TL30和开路微带线TL31，微带线TL29和微带线TL26的连接节点上还连接有开路微带线TL27和开路微带线TL28，微带线TL26的另一端分别与微带线TL22的一端、微带线TL23的一端以及自偏分压网络连接；微带线TL22的另一端与微带线TL20的一端连接，微带线TL20的另一端为输出匹配网络的第一输入端，微带线TL22和微带线TL20的连接节点还与微带线TL21的一端连接，微带线TL21的另一端分别与第三RC抑制电路以及第一高压偏置电源Vd1连接；微带线TL23的另一端与微带线TL24的一端连接，微带线TL24的另一端为输出匹配网络的第二输入端，微带线TL23和微带线TL24的连接节点还与微带线TL25的一端连接，微带线TL25的另一端分别与第四RC抑制电路以及第二高压偏置电源Vd2连接；第三RC抑制电路包括串联的电阻R15和接地电容C12，第四RC抑制电路包括串联的电阻R16和接地电容C14。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输出匹配网络对两路放大网络的输出信号进行等功率合成，并采用三级电抗匹配网络对合成信号进行匹配，此外其中的第三RC抑制电路和第四RC抑制电路还能实现对电源自激不稳定信号进行抑制。

进一步地，自偏分压网络包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14；电阻R8的一端接地，其另一端分别与电阻R9的一端、电阻R10的一端以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端分别与电阻R12的一端、电阻R13的一端以及电阻R14的一端连接；电阻R9的另一端与第一栅源反馈堆叠放大网络中中间层晶体管的栅极连接，电阻R10的另一端与第二栅源反馈堆叠放大网络中中间层晶体管的栅极连接，电阻R12的另一端与第一栅源反馈堆叠放大网络中顶层晶体管的栅极连接，电阻R13的另一端与第二栅源反馈堆叠放大网络中顶层晶体管的栅极连接，电阻R14的另一端与输出匹配网络中的微带线TL26连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用了自偏分压网络，该网络在第一栅源反馈堆叠放大网络、第二栅源反馈堆叠放大网络之间共用，使得堆叠结构中除最底层晶体管外的堆叠晶体管的栅极供电实现了电压自偏，大大简化了外围供电结构；而常规堆叠放大网络采用的是外围分压网络，对多路堆叠网络实现分别独立供电，复杂度相对较高。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器原理框图。

图2所示为本实用新型实施例提供的一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种毫米波宽带高效率晶体管堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入匹配网络、第一栅源反馈堆叠放大网络、第二栅源反馈堆叠放大网络、自偏分压网络和输出匹配网络；输入匹配网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与第一栅源反馈堆叠放大网络的输入端连接，其第二输出端与第二栅源反馈堆叠放大网络的输入端连接；输出匹配网络的输出端为整个功率放大器的输出端，其第一输入端与第一栅源反馈堆叠放大网络的输出端连接，其第二输入端与第二栅源反馈堆叠放大网络的输出端连接；自偏分压网络分别与第一栅源反馈堆叠放大网络、第二栅源反馈堆叠放大网络以及输出匹配网络连接。

其中，第一栅源反馈堆叠放大网络和第二栅源反馈堆叠放大网络为有源放大网络，输入匹配网络、输出匹配网络和自偏分压网络为无源网络。

如图2所示，输入匹配网络包括依次串联的隔直电容C1、微带线TL1、微带线TL3、第一RC抑制电路以及微带线TL7，隔直电容C1的一端为输入匹配网络的输入端；微带线TL1和微带线TL3的连接节点上还连接有开路微带线TL2；第一RC抑制电路和微带线TL7的连接节点还与微带线TL4的一端连接，微带线TL4的另一端分别与电阻R3的一端以及第二RC抑制电路连接，电阻R3的另一端与低压偏置电源Vg1连接；微带线TL7的另一端分别与微带线TL6的一端以及微带线TL5的一端连接，微带线TL6的另一端为输入匹配网络的第一输出端，微带线TL5的另一端为输入匹配网络的第二输出端；第一RC抑制电路包括并联的电阻R1和电容C2，第二RC抑制电路包括串联的电阻R2和接地电容C3。

本实用新型实施例中，第一栅源反馈堆叠放大网络和第二栅源反馈堆叠放大网络结构相同。

第一栅源反馈堆叠放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M3、中间层晶体管M2以及底层晶体管M1；底层晶体管M1的源极接地，其栅极为第一栅源反馈堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管M2的栅极分别与自偏分压网络以及第一栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容C4和微带线TL10；顶层晶体管M3的栅极分别与自偏分压网络以及第二栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容C5和微带线TL13，其漏极为第一栅源反馈堆叠放大网络的输出端；底层晶体管M1的漏极和中间层晶体管M2的源极之间连接有第一L型匹配枝节，中间层晶体管M2的漏极和顶层晶体管M3的源极之间连接有第二L型匹配枝节。

第二栅源反馈堆叠放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M6、中间层晶体管M5以及底层晶体管M4；底层晶体管M4的源极接地，其栅极为第二栅源反馈堆叠放大网络的输入端；中间层晶体管M5的栅极分别与自偏分压网络以及第三栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容C10和微带线TL16；顶层晶体管M6的栅极分别与自偏分压网络以及第四栅极补偿电路连接，其栅极和源极之间串联有电容C11和微带线TL19，其漏极为第二栅源反馈堆叠放大网络的输出端；底层晶体管M4的漏极和中间层晶体管M5的源极之间连接有第三L型匹配枝节，中间层晶体管M5的漏极和顶层晶体管M6的源极之间连接有第四L型匹配枝节。

第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R4和补偿接地电容C6，第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R5和补偿接地电容C7，第三栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R6和补偿接地电容C8，第四栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R7和补偿接地电容C9。

第一L型匹配枝节包括串联在底层晶体管M1的漏极和中间层晶体管M2的源极之间微带线TL9以及并联在底层晶体管M1的漏极和微带线TL9之间的开路微带线TL8，第二L型匹配枝节包括串联在中间层晶体管M2的漏极和顶层晶体管M3的源极之间微带线TL12以及并联在中间层晶体管M2的漏极和微带线TL12之间的开路微带线TL11，第三L型匹配枝节包括串联在底层晶体管M4的漏极和中间层晶体管M5的源极之间微带线TL15以及并联在底层晶体管M4的漏极和微带线TL15之间的开路微带线TL14，第四L型匹配枝节包括串联在中间层晶体管M5的漏极和顶层晶体管M6的源极之间微带线TL18以及并联在中间层晶体管M5的漏极和微带线TL18之间的开路微带线TL17。

本实用新型实施例中，给出了两路并行栅源反馈堆叠放大网络的结构，具体的并行栅源反馈堆叠放大网络数量可以根据实际情况进行添加。每路并行栅源反馈堆叠放大网络中，其中间层晶体管的数量也可以根据实际情况进行添加。

输出匹配网络包括依次串联的隔直电容C13、微带线TL32、微带线TL29以及微带线TL26，隔直电容C13的一端为输出匹配网络的输出端；微带线TL32和微带线TL29的连接节点上还连接有开路微带线TL30和开路微带线TL31，微带线TL29和微带线TL26的连接节点上还连接有开路微带线TL27和开路微带线TL28，微带线TL26的另一端分别与微带线TL22的一端、微带线TL23的一端以及自偏分压网络连接；微带线TL22的另一端与微带线TL20的一端连接，微带线TL20的另一端为输出匹配网络的第一输入端，微带线TL22和微带线TL20的连接节点还与微带线TL21的一端连接，微带线TL21的另一端分别与第三RC抑制电路以及第一高压偏置电源Vd1连接；微带线TL23的另一端与微带线TL24的一端连接，微带线TL24的另一端为输出匹配网络的第二输入端，微带线TL23和微带线TL24的连接节点还与微带线TL25的一端连接，微带线TL25的另一端分别与第四RC抑制电路以及第二高压偏置电源Vd2连接；第三RC抑制电路包括串联的电阻R15和接地电容C12，第四RC抑制电路包括串联的电阻R16和接地电容C14。

自偏分压网络包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14；电阻R8的一端接地，其另一端分别与电阻R9的一端、电阻R10的一端以及电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端分别与电阻R12的一端、电阻R13的一端以及电阻R14的一端连接；电阻R9的另一端与第一栅源反馈堆叠放大网络中中间层晶体管M2的栅极连接，电阻R10的另一端与第二栅源反馈堆叠放大网络中中间层晶体管M5的栅极连接，电阻R12的另一端与第一栅源反馈堆叠放大网络中顶层晶体管M3的栅极连接，电阻R13的另一端与第二栅源反馈堆叠放大网络中顶层晶体管M6的栅极连接，电阻R14的另一端与输出匹配网络中的微带线TL26连接。

下面结合图2对本实用新型的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端IN进入功率放大器的输入匹配网络，经输入匹配网络进行阻抗匹配后等功率分配为两路信号，分别进入第一栅源反馈堆叠放大网络和第二栅源反馈堆叠放大网络进行功率放大，放大后的信号进入输出匹配网络进行等功率合成后经后续电抗匹配，最终形成射频输出信号到达输出端OUT。

两个栅源反馈堆叠放大网络均采用了按照源极-漏极相连堆叠构成的晶体管结构，且每个栅源反馈堆叠放大网络中，除最底层晶体管外，每个晶体管的栅极和源极之间均通过电容和微带线相连，形成栅源反馈回路，有效遏制了传统晶体管堆叠结构放大器在毫米波出现的不稳定现象，使得栅源反馈堆叠放大器可以实现良好的功率和效率匹配，同时还可以兼顾阻抗匹配。此外，每相邻两个晶体管的源极和漏极之间均加入了具有一定长度的L型匹配枝节，强化了堆叠结构在毫米波实现堆叠晶体管间的阻抗匹配。

输入匹配网络中，由微带线TL4、电容C3、电阻R2以及电阻R3构成的栅极匹配支路能够对两个栅源反馈堆叠放大网络中的底层晶体管的栅极进行匹配，同时由电阻R1和电容C2构成的第一RC抑制电路能够实现对晶体管的潜在低频不稳定信号进行抑制，由电阻R2和电容C3构成的第二RC抑制电路能够实现对电源自激不稳定信号进行抑制。

输出匹配网络中，由微带线TL26、微带线TL27、微带线TL28、微带线TL29、微带线TL30、微带线TL31和微带线TL32构成的三级电抗匹配网络能够对等功率合成后的信号进行良好的阻抗匹配，同时由微带线TL21、电容C12和电阻R15构成的漏极匹配支路以及由微带线TL25、电容C14和电阻R16构成的漏极匹配支路能够对两个栅源反馈堆叠放大网络中的顶层晶体管的漏极进行匹配，此外由电阻R15和电容C12构成的第三RC抑制电路以及由电阻R16和电容C14构成的第四RC抑制电路均能够实现对电源自激不稳定信号进行抑制。

自偏分压网络在第一栅源反馈堆叠放大网络和第二栅源反馈堆叠放大网络之间共用，使得堆叠结构中除最底层晶体管外的堆叠晶体管的栅极供电实现了电压自偏，大大简化了外围供电结构。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。