一种分段外匹配式小型化功率放大器的制作方法

本发明涉及一种分段外匹配式小型化功率放大器。

背景技术：

目前国内设计的宽带功率放大器一般采用内匹配式芯片，由于国内MMIC技术发展较晚，设计的芯片性能指标较国外还有一定差距，因此使用的内匹配式芯片大部分由国外购买，价格昂贵，并且很多芯片对于中国都是禁运产品，增加了宽带功率放大器设计的成本与难度。随着微波毫米波技术的发展，对功率放大器输出功率提出了更高要求，要求其具有更宽的工作频率、更大的输出功率、更小的体积与更好的稳定性等特点。在现有的技术基础上，为了提高产品的输出功率，需增加合成路数或者提高单片输出功率。增加合成路数意味着增大了功率合成的技术难度与结构体积；提高芯片输出功率，需要改变国外大功率芯片对我国禁运的现状或者突破MMIC设计的关键技术与制造工艺，目前这两种方案尚有一定难度。因此选用成本低、输出功率大的外匹配GaN场效应管，是提高输出功率能力的有效手段。

如图1所示，现有技术中给出了一种场效应管阻抗匹配电路，其工作频率为0.8GHz-1.2GHz，整个匹配电路主要包括9部分：场效应管101、射频50Ω输入端口102、射频50Ω输出端口103、输入阻抗匹配网络104、输出阻抗匹配网络105、栅极电压偏置线106、漏极电压偏置线107、偏置电容108、偏置电感109。输入阻抗匹配网络104主要解决稳定性、增益、输入驻波等问题，输出阻抗匹配网络105用来完成放大器的输出端口与负载之间的匹配，其主要作用是提高输出功率、改善输出驻波比和抑制谐波。场效应管输入输出端的阻抗值较小，通常为几欧姆量级，而这种传统方法通常利用四分之一波长多级台阶渐变形式，将几欧姆量级的小阻抗直接匹配到射频50Ω输入端口102与射频50Ω输出端口103中，由于工作频率低波长较长，这种方法设计的匹配电路的结构尺寸较大，且匹配带宽有很大限制。

同时，为了提高系统的整体输出功率能力，需要在匹配电路外部进行功率合成。当进行功率分配与合成时，通常采用Wilkinson功分器来实现，其缺点是在工作频段加宽时，功分支路的节数将增多，造成通路加长，损耗增大，作为功率合成电路应用时，高损耗将直接导致功率合成效率降低。在大功率通信系统中，现有平面功率合成器存有体积大、功率小、一致性差、需要反复装配调试等问题，不能满足系统小型化、高一致性与高可靠性的要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种分段外匹配式小型化功率放大器，以满足宽频带、大功率、小尺寸与高可靠性的技术要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种分段外匹配式小型化功率放大器，包括射频50Ω输入端口、功率分配器、功率合成器和射频50Ω输出端口；其中：

射频50Ω输入端口与功率分配器相连，功率合成器和射频50Ω输出端口相连；

在功率分配器与功率合成器之间设有两路相同的放大单元；

每路放大单元均包括依次连接的输入阻抗匹配单元、场效应管和输出阻抗匹配单元；在场效应管上配置有栅极电压偏置单元和漏极电压偏置单元；

功率分配器，用于将经由射频50Ω输入端口进入的信号一路等分配为两路，然后分别输入其中一路放大单元中；

输入阻抗匹配单元，用于将输入的信号阻抗值匹配到25Ω；

场效应管，用于将经过匹配后的信号进行放大处理；

输出阻抗匹配单元，用于将经由场效应管放大后输出的信号阻抗值匹配到25Ω；

栅极电压偏置单元和漏极电压偏置单元，用于提供场效应管工作时所需的直流电压；

功率合成器，用于实现两路放大后的信号合成，合成信号经由射频50Ω输出端口输出；

在功率分配和功率合成过程中，同时实现25Ω到50Ω的阻抗值转换。

优选地，所述功率放大器还包括两个50Ω负载；其中一个50Ω负载的一端与功率分配器相连，另一端接地；另一个50Ω负载的一端与功率合成器相连，另一端接地。

优选地，所述功率分配器和功率合成器结构相同。

优选地，所述功率分配器/功率合成器包括中间电路介质层；

在中间电路介质层的上、下两侧表面上集成有功率分配/合成电路，该功率分配/合成电路采用宽带耦合及宽带阻抗变换的设计结构；

在中间电路介质层的上、下两侧由内向外分别依次设有第二介质层和底部介质层。

优选地，所述功率分配/合成电路在中间电路介质层的上、下两侧表面按照曲线方式布置。

优选地，所述输入阻抗匹配单元采用T型渐变枝节配合曲线渐变的结构形式。

优选地，所述输出阻抗匹配单元采用曲线渐变的结构形式。

优选地，所述栅极电压偏置单元和漏极电压偏置单元均采用台阶变换结构。

优选地，在输出阻抗匹配单元的两侧分别设有自激抑制外匹配阵列。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用的分段匹配式思想，只需将输入输出阻抗匹配到25Ω上，匹配过程中采用了曲线渐变的形式，变换平缓，大大降低了匹配单元设计难度，利于实现宽频带。

(2)整体电路采用模块化设计思想，输入阻抗匹配单元和输出阻抗匹配单元只需将输入和输出阻抗匹配到25Ω上，大大缩短了匹配单元的结构尺寸，而25Ω至50Ω的变换将在功率分配器和功率合成器中实现，在阻抗变换的同时巧妙的实现了功率的分配与合成。

(3)本发明将输入阻抗匹配单元、输出阻抗匹配单元与功率分配器、功率合成器结合为一体，各个单元之间连接紧凑，避免传统硬性间接连接带来的损耗，同时整个信号的分配和合成以及阻抗变换均在低损耗介质内完成，提高了功率放大器的输出功率。

(4)在功率分配器和功率合成器上分别设有大功率吸收负载端口，并连接有50Ω负载，可以保证一路放大单元失配的情况下另一路仍正常工作；同时在输出阻抗匹配单元上增加了自激抑制外匹配阵列，可提高电路的稳定性，防止自激现象的产生。

(5)功率分配器和功率合成器采用微波多层电路的技术方案，在功率分配与合成的过程中实现了25Ω至50Ω的变换，功率分配/合成电路呈曲线方式排布形式，结构紧凑小巧。

附图说明

图1为现有技术中一种场效应管阻抗匹配电路的原理图；

图2为本发明中一种分段外匹配式小型化功率放大器的原理图；

图3为本发明中功率分配/合成器的结构示意图；

图4为本发明中单路放大单元的结构示意图；

其中，101-场效应管，102-射频50Ω输入端口，103-射频50Ω输出端口，104-输入阻抗匹配网络，105-输出阻抗匹配网络，106-栅极电压偏置线，107-漏极电压偏置线，108-偏置电容，109-偏置电感；201-场效应管，202-射频50Ω输入端口，203-射频50Ω输出端口，204-功率分配器，205-输入阻抗匹配单元，206-栅极电压偏置单元，207-漏极电压偏置单元，208-输出阻抗匹配单元，209-功率合成器，210-50Ω负载，211-50Ω负载；301-中间电路介质层，302-第二介质层，303-底部介质层，304-功率分配/合成电路；401-场效应管，402-射频25Ω输入端口，403-射频25Ω输出端口，404-输入阻抗匹配单元，405-输出阻抗匹配单元，406-自激抑制外匹配阵列，407-栅极电压偏置单元，408-漏极电压偏置单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图2所示，一种分段外匹配式小型化功率放大器，包括射频50Ω输入端口202、功率分配器204、功率合成器209和射频50Ω输出端口203。

在功率分配器204与功率合成器209之间设有两路相同的放大单元。

射频50Ω输入端口202与功率分配器204相连，用于将经由射频50Ω输入端口202进入的信号一路等分配为两路，然后分别输入一路放大单元中。

每路放大单元均包括输入阻抗匹配单元205、场效应管201和输出阻抗匹配单元208。其中，输入阻抗匹配单元205、场效应管201和输出阻抗匹配单元208依次连接。

输入阻抗匹配单元205，用于将输入的信号阻抗值匹配到25Ω。

场效应管201，用于将经过匹配后的信号进行放大处理。

输出阻抗匹配单元208，用于将经由场效应管放大后输出的信号阻抗值匹配到25Ω。

在场效应管201上配置有栅极电压偏置单元206和漏极电压偏置单元207，用于提供场效应管201工作时所需的直流电压。

功率合成器209，用于实现两路放大后的信号合成。

功率合成器209和射频50Ω输出端口203相连，经过功率合成器209合成后的信号经由射频50Ω输出端口输出。

在功率分配和功率合成过程中，同时实现25Ω到50Ω的阻抗值转换。

在场效应管201的阻抗匹配过程中，只是将输入输出端的小阻抗值匹配至25Ω，而25Ω至50Ω的变换在功率分配器204与功率合成器209中实现，在阻抗变换的同时即完成了功率的分配与合成，这种分段外匹配式的设计思想，将大大缩小整个功率放大器的体积。

此外，场效应管201的输入输出端口的小阻抗值只匹配至25Ω时，将大大降低设计难度与匹配链路的长度，而25Ω至50Ω变换在功率分配器204与功率合成器209中实现，阻抗变换电路完全属于无源匹配，其设计难度会相对降低。另外，缩短了场效应管匹配链路的长度，可以避免由于长匹配电路并行带来的寄生参数的影响，有效提高了功率放大器的稳定性。

信号在本发明中功率放大器的内部走向为：

工作时，信号由射频50Ω输入端口202进入，经由功率分配器204将一路信号等分配为两路，然后每一路信号经由输入阻抗匹配单元205进入到场效应管201，在场效应管201中放大后的信号进入输出阻抗匹配单元208，每一路放大后的信号经过功率合成器209完成两路信号的合成，最后由射频50Ω输出端口203输出。

另外，功率放大器还包括两个50Ω负载，一个50Ω负载210的一端与功率分配器204相连，另一端接地；另一个50Ω负载211的一端与功率合成器209相连，另一端接地。

在功率分配器204和功率合成器209上分别设有与之对应的大功率吸收负载端口。

通过上述50Ω负载设计，使得两路信号工作时，其中一路出现失配的情况下，其反射信号将会被50Ω负载所吸收，从而保证整个放大器仍可以正常工作。

本发明中的功率分配器204和功率合成器209结构相同。

如图3所示，功率分配器204/功率合成器209包括中间电路介质层301。

在中间电路介质层301的上、下两侧表面上集成有功率分配/合成电路304，该功率分配/合成电路304采用宽带耦合及宽带阻抗变换的设计结构。

在功率分配与合成的过程中利于实现阻抗值由25Ω至50Ω的变换。

优选地，功率分配/合成电路304在中间电路介质层的上、下两侧表面按照曲线方式布置，以缩短了功率分配/合成电路304的结构尺寸，并具有工作频带宽的优点。

在中间电路介质层301的上侧由内向外依次设有第二介质层302和底部介质层303。同理，在中间电路介质层301的下侧由内向外依次设有第二介质层302和底部介质层303。

由于本发明中功率分配器204和功率合成器209均采用了微波多层电路的技术形式，使得整体结构紧凑小巧，安装方便，生产一致性高。

下面以其中一路放大单元为例作进一步详细描述：

如图4所示，放大单元包括场效应管401、射频25Ω输入端口402、射频25Ω输出端口403、输入阻抗匹配单元404、输出阻抗匹配单元405、自激抑制外匹配阵列406、栅极电压偏置单元407、漏极电压偏置单元408。

其中，输入阻抗匹配单元404主要解决增益及其平坦度问题。

该输入阻抗匹配单元404采用T型渐变枝节配合曲线渐变的结构形式，将输入端的欧姆量级的阻抗值匹配到25Ω，在很小的匹配尺寸下即完成了宽频带的阻抗匹配。

输出阻抗匹配单元405的作用在于获得最大的功率输出。

该输出阻抗匹配单元405采用曲线渐变的结构形式，将输出端的欧姆量级的阻抗值匹配到25Ω，渐变平缓且大大缩短了输出阻抗匹配单元405的尺寸。

栅极电压偏置单元407和漏极电压偏置单元408均采用台阶变换结构。偏置单元作为阻抗匹配的一部分一起进行设计仿真，并对偏置单元中旁路电容的位置进行了优化设计，并在栅极电压偏置单元407中串联了一个电阻，增加了匹配电路的稳定性。

实际应用过程中为了防止自激现象的产生，在输出阻抗匹配单元405的两侧分别设置上述自激抑制外匹配阵列406，通过配合电容或者滤波器，可有效提高电路的稳定性。

本发明中的功率放大器具有设计难度降低、结构尺寸缩小等优点，可满足宽频带、大功率、小尺寸与高可靠性的技术要求，具有很强的工程实用性。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。