[0025] 所述第一氮化镓晶体管GaNHEMT1和第二氮化镓晶体管GaNHEMT2的栅极直流偏 置电路均为单片内实现、漏极直流偏置电路均通过外接PCB工艺实现，通过金丝键合线将 单片与PCB上的漏极直流偏置电路相连，具体方案为根据实际功率频率等需要在PCB上设 计相应的晶体管漏极偏置电路，以及测试电路，然后将加工好的单片用银浆粘贴在设计好 的PCB测试电路上，通过金丝键合线将芯片与PCB上的直流偏置电路相连，从而构成最终完 整的单片集成有源准环行器。
[0026] 所述AlGaN/GaNHEMT工艺中第一氮化镓晶体管GaNHEMT1和第二氮化镓晶体管 GaNHEMT2的栅长为0. 15iim、0. 25iim或0. 35iim，也可以为其它尺寸；其中功率放大器中 的晶体管总尺寸为400ym、800ym、1000ym或其他尺寸，根据不同的工作频率以及功率容 量要求，也可以选择不同栅长及总体尺寸的晶体管，并设计相应的匹配电路等。
[0027] 本发明基于GaNHEMT工艺的单片集成有源准环形器有两条通路：一条是从发送 终端TX(发射端口)到天线终端ANT(天线端口）的发送通路，另一条是从天线终端ANT(天 线端口）到接收终端RX(接收端口）的接收通路。传输信号从发射支路功率放大器1的发 射端口输入，由于基于GaN的HEMT的反向传输系数非常小，则基于GaNHEMT的功率放大器 可以认为是没有反向传输的，因此整个发送通路可以认为是非互易的。天线接收到的信号 将会传送给接收支路功率放大器3，与发送通路相同，接收通路也是非互易的。由于缺少从 接收端口到发射端口的传输通路，而已有的两条通路都满足非互易的特性，因此整体电路 的性能实现了有源准环形器的效果。
[0028] 所述集总式功分器2为发送通路和接收通路提供必要的隔离，由于2. 4GHz的工作 频率较低，使用分布参数的微带结构会占用较大的面积，因此采用基于GaNMMIC技术实现 的LC分立元件来设计集总的威尔金森功分器。
[0029] 功率放大器的作用是为发送通路和接收通路提供传输增益，与无源环形器相比不 仅没有插入损耗，还有一定的增益。但是由于所设计的功分器的隔离度有限，因此功率放大 器的增益不能设计的太高，这样才能保证发射端和接收端间有良好的隔离。功率放大器和 功分器之间采用共轭匹配设计来实现最大功率传输，发送通路和接收通路的传输方程表示 如下：
【主权项】
1. 一种基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于，包括顺次相连的发 射支路功率放大器（1)、集总式功分器（2)和接收支路功率放大器（3)，该三个电路均采用 AlGaN/GaN HEMT工艺加工于一个单片上； 所述发射支路功率放大器（1)从发射端口开始包括顺次连接的第一输入匹配电路 (4)、第一稳定电路（5)、第一氮化镓晶体管GaN HEMTl和第一输出匹配电路（6):其中第一 稳定电路（5)的输出端与第一氮化镓晶体管GaN HEMTl的栅极连接，且第一稳定电路（5)与 第一氮化镓晶体管GaN HEMTl栅极的公共端通过第一栅极偏置电阻Rggl与第一栅极偏压输 入端Vggl相连；第一氮化镓晶体管GaN HEMTl的源极接地；第一氮化镓晶体管GaN HEMTl的 漏极与第一漏极偏压输入端Vddl相连，且第一氮化镓晶体管GaN HEMTl的漏极与第一漏极 偏压输入端Vddl的公共端与第一输出匹配电路（6)的输入端连接；所述第一输出匹配电路 (6)的输出端与集总式功分器（2)的第一功分端口 J1相连；所述集总式功分器（2)的合成 端口即为天线端口； 所述接收支路功率放大器（3)的结构与发射支路功率放大器（1)相同，从集总式功分 器（2)的第二功分端口 J1开始包括顺次连接的第二输入匹配电路（7)、第二稳定电路（8)、 第二氮化镓晶体管GaN HEMT2和第二输出匹配电路（9):其中第二稳定电路（8)的输出端与 第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的栅极连接，且第二稳定电路（8)与第二氮化镓晶体管GaN HEMT2栅极的公共端通过第二栅极偏置电阻Rgg2与第二栅极偏压输入端V gg2相连；第二氮化 镓晶体管GaN HEMT2的源极接地；第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的漏极与第二漏极偏压输 入端Vdd2相连，且第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的漏极与第二漏极偏压输入端Vdd2的公共端 与第二输出匹配电路（9)的输入端连接；所述第二输出匹配电路（9)的输出端接入接收端 □。
2. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第一输入匹配电路（4)包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1，其中第一电感L 1的 一端与发射端口相连，第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端连接，第二电感L 2的另一 端接地，第一电感L1与第二电感L2的公共端与第一电容C 1的一端连接，第一电容C1的另一 端与第一稳定电路（5)的输入端相连。
3. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第一稳定电路（5)包括并联的第一电阻R1和第二电容C2，第一电阻R1和第二电容C 2的 一个公共端与第一输入匹配电路（4)中的第一电容C1连接，另一个公共端与第一氮化镓晶 体管GaN HEMTl的栅极连接。
4. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第一输出匹配电路（6)包括第三电感L3、第三电容C3和第四电容C4,其中第三电感L 3 的一端与第一氮化镓晶体管GaN HEMTl的漏极连接，第三电感L3的另一端与第三电容C3的 一端相连接，第三电容C 3的另一端接地，第三电感L3与第三电容C3的公共端与第四电容C4 的一端连接，第四电容C4的另一端与集总式功分器（2)的第一功分端口 J1连接。
5. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述集总式功分器（2)包括第四电感L4、第五电感L5、第五电容C5、第六电容C 6、第七电容C7 和隔离电阻Rpd :其中第五电容C5的一端接地，第五电容C5的另一端与第四电容C4即第一 功分端口 J1相连；第五电容C5与第四电容C4的公共端分别与隔离电阻Rpd的一端、以及第 四电感L4的一端相连；第四电感L4的另一端与天线端口连接,第四电感L 4与天线端口的公 共端分别与第六电容C6的一端、以及第五电感L5的一端连接，第六电容C6的另一端接地， 第五电感L 5的另一端与隔离电阻Rpd的另一端连接，第五电感L5与隔离电阻R pd的公共端为 集总式功分器（2)的第二功分端口 J2，该第二功分端口 J2与第七电容C7的一端相连，第七 电容C7的另一端接地。
6. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第二输入匹配电路（7)包括第六电感L6、第七电感L 7、第八电容C8，其中第六电感L6的 一端与集总式功分器（2)的第二功分端口 J2相连，第六电感L6的另一端与第七电感L7的一 端连接，第七电感L 7的另一端接地，第六电感L6与第七电感L7的公共端与第八电容C8的一 端相连接，第八电容C 8的另一端与第二稳定电路（8)的的输入端相连。
7. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第二稳定电路（8)包括并联的第二电阻R2和第九电容C 9，第二电阻R2和第九电容C9的 一个公共端与第二输入匹配电路（7)中的第八电容C 8连接，另一个公共端与第二氮化镓晶 体管GaN HEMT2的栅极连接。
8. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第二输出匹配电路（9)包括第八电感L8、第十电容C ltl和第十一电容C11,其中第八电感 L8的一端与第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的漏极连接，第八电感L8的另一端与第十电容Cki 的一端相连接，第十电容Cltl的另一端接地，第八电感L8与第十电容Cltl的公共端与第十一 电容C 11的一端连接，m^一电容C11的另一端即为接收端口。
9. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述第一氮化镓晶体管GaN HEMTl和第二氮化镓晶体管GaN HEMT2的栅极直流偏置电路均 为单片内实现、漏极直流偏置电路均通过外接PCB工艺实现，通过金丝键合线将单片与PCB 上的漏极直流偏置电路相连。
10. 根据权利要求1所述的基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，其特征在于， 所述AlGaN/GaN HEMT工艺中第一氮化镓晶体管GaN HEMTl和第二氮化镓晶体管GaN HEMT2 的栅长为 〇? 15 ii m、0. 25 y m 或 0? 35 y m。
【专利摘要】本发明公开了一种基于GaN HEMT工艺的单片集成有源准环形器，包括顺次相连的发射支路功率放大器、集总式功分器和接收支路功率放大器，该三个电路均采用AlGaN/GaN HEMT工艺加工于一个单片上；所述发射支路功率放大器从发射端口开始包括顺次连接的第一输入匹配电路、第一稳定电路、第一氮化镓晶体管和第一输出匹配电路，所述第一输出匹配电路的输出端与集总式功分器的第一功分端口J1相连；所述集总式功分器的合成端口即为天线端口，接收支路功率放大器的结构与发射支路功率放大器相同，以集总式功分器的第二功分端口J1为输入端，接收支路功率放大器的输出端为该有源准环形器的接收端口。本发明有效地减小了电路面积，且具有较大的功率容量，应用前景广阔。
【IPC分类】H03F3-195, H01P1-38, H03F3-24
【公开号】CN104868866
【申请号】CN201410064240
【发明人】车文荃, 顾黎明, 蔡奇, 陈海东, 冯文杰
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2014年2月25日