本发明属于场效应晶体管微波射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种高效率高增益doherty堆叠功率放大器的设计。
背景技术：
随着3g、4g-lte等民用通信市场的快速发展，以及5g通信的前期布局，射频前端发射器也向毫米波段的高性能、高集成、高效率的方向发展。因此市场迫切的需求高效率、高增益、低成本的毫米波doherty功率放大器芯片。
然而，在毫米波doherty功率放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在：
(1)毫米波高功率容量指标设计难度较大：由于未来5g市场的驱使，射频前端发射机迫切需要工作在毫米波段的高增益、高功率、高效率的doherty放大器，但是现有的毫米波频段的应用电路必须采用栅长较小、特征频率较高的半导体工艺晶体管，受到其低击穿电压的影响，功率放大器的电压摆幅将受到较大的限制，因此也就限制了功率晶体管的功率容量。
(2)毫米波段高功率晶体管寄生参数严重影响电路指标：在毫米波段，传统共源放大结构的毫米波doherty放大器最大可用增益、效率、输出功率等受到大功率晶体管寄生参数影响，恶化较严重。这是因为毫米波频段下，采用有源负载调制原理的doherty放大器对于寄生参数和阻抗设计十分敏感。
常见的射频doherty功率放大器的电路结构有很多，但是受上述因素制约下，应用于毫米波段的结构比较少。最典型的毫米波段doherty功率放大器是共源放大器单元作为主功率和辅助功率放大器，但是，典型共源放大器单元仍然存在一些设计不足，主要体现在：
(1)高增益与高功率容量指标设计难度较大。
为了提高输出功率，设计者往往需要采用较大尺寸的晶体管或者是2n倍的功率合成结构来提高电流摆幅，但是大尺寸晶体管和2n倍的功率合成结构具有较低的功率增益。因此，高增益与高功率容量指标相互制约问题在毫米波段doherty放大器中更加突出。此外，为了实现较高的增益，毫米波doherty放大器往往采用双级电路结构，这将增加电路设计复杂度，同时增大芯片电路面积，提升电路设计成本。
(2)毫米波段高功率晶体管阻抗匹配难度较大。
由于放大器工作在毫米波段，单个晶体管的功率容量有限，设计者为了获得较高的功率容量，往往需要2n倍的功率合成结构，这种结构往往导致输出网络具有很低的最佳负载阻抗，这种低负载阻抗又将导致毫米波段doherty放大器的有源负载调制网络的设计和匹配难度加大。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高效率高增益doherty堆叠功率放大器，利用三晶体管堆叠技术和与之对应的输入与输出匹配网络，实现毫米波频段高增益、高线性度、高效率、芯片面积小且成本低等优点。
本发明的技术方案为：一种高效率高增益doherty堆叠功率放大器，包括输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络、三堆叠辅助功率放大网络、输出匹配及移相合成网络、主功放供电偏置网络以及辅助功放供电偏置网络。
输入匹配及移相分配网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与三堆叠主功率放大网络的输入端连接，其第二输出端与三堆叠辅助功率放大网络的输入端连接。
输出匹配及移相合成网络的输出端为整个功率放大器的输出端，其第一输入端与三堆叠主功率放大网络的输出端连接，其第二输入端与三堆叠辅助功率放大网络的输出端连接。
主功放供电偏置网络分别与输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络连接；辅助功放供电偏置网络分别与输入匹配及移相分配网络、三堆叠辅助功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络连接。
本发明的有益效果是：本发明采用三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络实现doherty放大器的优势，在毫米波段获得高增益，高效率、高功率的特性，同时电路结构占用很小的面积。
进一步地，输入匹配及移相分配网络包括由电感l1、l2、l4、l3依次连接构成的四臂电桥。电感l1与l2的连接节点上分别连接有隔直电容c1和接地电容c2；隔直电容c1的另一端为输入匹配及移相分配网络的输入端。电感l2与l4的连接节点上分别连接有接地电容c3和接地电阻rinb。电感l3与l4的连接节点上分别连接有接地电容c5和第一t型lc网络电路；第一t型lc网络电路的另一端串联第一rc稳定电路后作为输入匹配及移相分配网络的第一输出端。电感l1与l3的连接节点上分别连接有接地电容c4和第二t型lc网络电路；第二t型lc网络电路的另一端串联第二rc稳定电路后作为输入匹配及移相分配网络的第二输出端。
第一t型lc网络电路和第二t型lc网络电路结构相同；第一t型lc网络电路包括串联的电感l5与l6，以及并联在l5与l6连接节点上的接地电容c6；第二t型lc网络电路包括串联的电感l7与l8，以及并联在l5与l6连接节点上的接地电容c7。第一rc稳定电路和第二rc稳定电路结构相同；第一rc稳定电路包括并联的电阻rgsbm和电容cgsbm；第二rc稳定电路包括并联的电阻rgsbp和电容cgsbp。
输出匹配及移相合成网络包括依次串联的电感l9、电容c9、电感l11、电感l12、电容c11、电感l13以及电感l10；电感l9的另一端作为输出匹配及移相合成网络的第一输入端，电感l10的另一端作为输出匹配及移相合成网络的第二输入端。电感l9与电容c9的连接节点上还连接有接地电容c8，电容c11与电感l13的连接节点上还连接有接地电容c12，电感l13与l10的连接节点上还连接有接地电容c13，电感l11与l12的连接节点上还连接有第三t型lc网络电路。第三t型lc网络电路包括串联的电感l14与l15，以及并联在l14与l15连接节点上的接地电容c10；l15的另一端作为输出匹配及移相合成网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：利用针对三堆叠放大网络的输入与输出匹配网络，提高了doherty放大器的功率增益和功率容量，同时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，三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络结构相同，均包括一路或多路并联的堆叠结构，每路堆叠结构均包括一组依次按照源极-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。顶层晶体管、中间层晶体管以及底层晶体管的尺寸相同。
三堆叠主功率放大网络中，每个顶层晶体管的漏极相连作为三堆叠主功率放大网络的输出端；每个顶层晶体管的栅极分别连接主功放供电偏置网络和一路补偿电路；每个中间层晶体管的栅极分别连接主功放供电偏置网络和一路补偿电路；每个底层晶体管的源极均接地；每个底层晶体管的栅极相连作为三堆叠主功率放大网络的输入端。
三堆叠辅助功率放大网络中，每个顶层晶体管的漏极相连作为三堆叠辅助功率放大网络的输出端；每个顶层晶体管的栅极分别连接辅助功放供电偏置网络和一路补偿电路；每个中间层晶体管的栅极分别连接辅助功放供电偏置网络和一路补偿电路；每个底层晶体管的源极均接地；每个底层晶体管的栅极相连作为三堆叠辅助功率放大网络的输入端。
上述进一步方案的有益效果是：传统共源doherty放大器在毫米波段由于受到寄生参数的影响，功率增益较低，往往需要两级甚至三级放大结构实现高增益指标，这大大增加了电路设计复杂度。而本发明中的结构只需要采用一级三堆叠放大结构，就可以提升3～5db的功率增益，从而大大简化了电路复杂度。同时，因为三堆叠放大网络的输出阻抗比传统共源放大器高，所以三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络也可以分别采用2n倍并联的多路堆叠放大器结构，仍可以保证相对较高的输出负载阻抗。
进一步地，补偿电路包括串联的栅极稳定电阻和栅极补偿电容，栅极补偿电容的另一端接地。
上述进一步方案的有益效果是：三堆叠放大网络的栅极补偿电容是容值较小的电容，用于实现栅极电压的同步摆动，并且为了实现毫米波频段下的稳定性，需要串联稳定电阻，而传统cascode晶体管的堆叠栅极补偿电容是容值较大的电容，用于实现栅极的交流接地，也没有串联稳定电阻。
进一步地，三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络可以采用2组相同尺寸的晶体管，构成对称结构的doherty放大器，也可以采用2组不同尺寸的晶体管，构成非对称结构的doherty放大器。
上述进一步方案的有益效果是：实现对称结构的doherty放大器在电路结构上可以做到毫米波信号相位的精确控制，提高功率回退效率；而实现非对称结构的doherty放大器，通过增加电路复杂度从而进一步提高功率回退效率。
进一步地，主功放供电偏置网络和辅助功放供电偏置网络结构相同，均包括输入供电偏置电路和放大及输出供电偏置电路。
主功放供电偏置网络中，输入供电偏置电路包括串联的电阻rgb1m与电感lggm，电阻rgb1m与电感lggm的连接节点上还连接有接地电容cggm；电阻rgb1m的另一端连接低压主偏置电源vggm；电感lggm的另一端与输入匹配及移相分配网络中第一t型lc网络电路和第一rc稳定电路的连接节点连接。主功放供电偏置网络中，放大及输出供电偏置电路包括依次串联的电阻rgb4m、rgb5m、rgb6m以及电感lddm；电阻rgb4m的另一端接地；电阻rgb4m与rgb5m的连接节点通过电阻rgb2m分别与三堆叠主功率放大网络中每个中间层晶体管的栅极连接；电阻rgb5m与rgb6m的连接节点通过电阻rgb3m分别与三堆叠主功率放大网络中每个顶层晶体管的栅极连接；电阻rgb6m与电感lddm的连接节点上还分别连接有接地电容cddm和高压主偏置电源vddm；电感lddm的另一端与输出匹配及移相合成网络中电感l9和电容c9的连接节点连接。
辅助功放供电偏置网络中，输入供电偏置电路包括串联的电阻rgb1p与电感lggp，电阻rgb1p与电感lggp的连接节点上还连接有接地电容cggp；电阻rgb1p的另一端连接低压辅助偏置电源vggp；电感lggp的另一端与输入匹配及移相分配网络中第二t型lc网络电路和第二rc稳定电路的连接节点连接。辅助功放供电偏置网络中，放大及输出供电偏置电路包括依次串联的电阻rgb4p、rgb5p、rgb6p以及电感lddp；电阻rgb4p的另一端接地；电阻rgb4p与rgb5p的连接节点通过电阻rgb2p分别与三堆叠辅助功率放大网络中每个中间层晶体管的栅极连接；电阻rgb5p与rgb6p的连接节点通过电阻rgb3p分别与三堆叠辅助功率放大网络中每个顶层晶体管的栅极连接；电阻rgb6p与电感lddp的连接节点上还分别连接有接地电容cddp和高压辅助偏置电源vddp；电感lddp的另一端与输出匹配及移相合成网络中电感l10和l13的连接节点连接。
上述进一步方案的有益效果是：两个对称设置的功放供电偏置网络用于实现对三堆叠放大网络中晶体管栅极和漏极馈电及杂散信号的旁路功能，同时还为输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络、三堆叠辅助功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络供电。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种高效率高增益doherty堆叠功率放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的一种高效率高增益doherty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发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种高效率高增益doherty堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络、三堆叠辅助功率放大网络、输出匹配及移相合成网络、主功放供电偏置网络以及辅助功放供电偏置网络。输入匹配及移相分配网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与三堆叠主功率放大网络的输入端连接，其第二输出端与三堆叠辅助功率放大网络的输入端连接。输出匹配及移相合成网络的输出端为整个功率放大器的输出端，其第一输入端与三堆叠主功率放大网络的输出端连接，其第二输入端与三堆叠辅助功率放大网络的输出端连接。主功放供电偏置网络分别与输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络连接；辅助功放供电偏置网络分别与输入匹配及移相分配网络、三堆叠辅助功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络连接。
如图2所示，输入匹配及移相分配网络包括由电感l1、l2、l4、l3依次连接构成的四臂电桥。电感l1与l2的连接节点上分别连接有隔直电容c1和接地电容c2；隔直电容c1的另一端为输入匹配及移相分配网络的输入端。电感l2与l4的连接节点上分别连接有接地电容c3和接地电阻rinb。电感l3与l4的连接节点上分别连接有接地电容c5和第一t型lc网络电路；第一t型lc网络电路的另一端串联第一rc稳定电路后作为输入匹配及移相分配网络的第一输出端。电感l1与l3的连接节点上分别连接有接地电容c4和第二t型lc网络电路；第二t型lc网络电路的另一端串联第二rc稳定电路后作为输入匹配及移相分配网络的第二输出端。
第一t型lc网络电路和第二t型lc网络电路结构相同；第一t型lc网络电路包括串联的电感l5与l6，以及并联在l5与l6连接节点上的接地电容c6；第二t型lc网络电路包括串联的电感l7与l8，以及并联在l5与l6连接节点上的接地电容c7。第一rc稳定电路和第二rc稳定电路结构相同；第一rc稳定电路包括并联的电阻rgsbm和电容cgsbm；第二rc稳定电路包括并联的电阻rgsbp和电容cgsbp。
输出匹配及移相合成网络包括依次串联的电感l9、电容c9、电感l11、电感l12、电容c11、电感l13以及电感l10；电感l9的另一端作为输出匹配及移相合成网络的第一输入端，电感l10的另一端作为输出匹配及移相合成网络的第二输入端。电感l9与电容c9的连接节点上还连接有接地电容c8，电容c11与电感l13的连接节点上还连接有接地电容c12，电感l13与l10的连接节点上还连接有接地电容c13，电感l11与l12的连接节点上还连接有第三t型lc网络电路。第三t型lc网络电路包括串联的电感l14与l15，以及并联在l14与l15连接节点上的接地电容c10；l15的另一端作为输出匹配及移相合成网络的输出端。
三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络结构相同，均包括一路或多路并联的堆叠结构，每路堆叠结构均包括一组依次按照源极-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。顶层晶体管、中间层晶体管以及底层晶体管的尺寸相同。本发明实施例中，如图2所示，三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络均采用一路堆叠结构。
三堆叠主功率放大网络中，顶层晶体管m3m的漏极作为三堆叠主功率放大网络的输出端；顶层晶体管m3m的栅极分别连接主功放供电偏置网络以及由栅极稳定电阻rg3m和一端接地的栅极补偿电容cg3m串联构成的补偿电路。中间层晶体管m2m的栅极分别连接主功放供电偏置网络以及由栅极稳定电阻rg2m和一端接地的栅极补偿电容cg2m串联构成的补偿电路。底层晶体管m1m的源极接地，栅极作为三堆叠主功率放大网络的输入端。
三堆叠辅助功率放大网络中，顶层晶体管m3p的漏极作为三堆叠辅助功率放大网络的输出端；顶层晶体管m3p的栅极分别连接辅助功放供电偏置网络以及由栅极稳定电阻rg3p和一端接地的栅极补偿电容cg3p串联构成的补偿电路。中间层晶体管m2p的栅极分别连接辅助功放供电偏置网络以及由栅极稳定电阻rg2p和一端接地的栅极补偿电容cg2p串联构成的补偿电路。底层晶体管m1p的源极接地，栅极作为三堆叠辅助功率放大网络的输入端。
因为三堆叠放大网络的输出阻抗比传统共源放大器高，所以三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络也可以分别采用2n倍并联的多路堆叠放大器结构，仍可以保证相对较高的输出负载阻抗。
当采用多路并联的堆叠结构时，三堆叠主功率放大网络中，每个顶层晶体管的漏极相连作为三堆叠主功率放大网络的输出端，每个底层晶体管的栅极相连作为三堆叠主功率放大网络的输入端。三堆叠辅助功率放大网络中，每个顶层晶体管的漏极相连作为三堆叠辅助功率放大网络的输出端，每个底层晶体管的栅极相连作为三堆叠辅助功率放大网络的输入端。其它每路堆叠结构的电路连接方式与一路堆叠结构相同。
三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络可以采用2组相同尺寸的晶体管，构成对称结构的doherty放大器，实现毫米波信号相位的精确控制，提高功率回退效率；也可以采用2组不同尺寸的晶体管，构成非对称结构的doherty放大器，通过增加了电路复杂度从而进一步提高功率回退效率。
主功放供电偏置网络和辅助功放供电偏置网络结构相同，均包括输入供电偏置电路和放大及输出供电偏置电路。
主功放供电偏置网络中，输入供电偏置电路包括串联的电阻rgb1m与电感lggm，电阻rgb1m与电感lggm的连接节点上还连接有接地电容cggm；电阻rgb1m的另一端连接低压主偏置电源vggm；电感lggm的另一端与输入匹配及移相分配网络中第一t型lc网络电路和第一rc稳定电路的连接节点连接。主功放供电偏置网络中，放大及输出供电偏置电路包括依次串联的电阻rgb4m、rgb5m、rgb6m以及电感lddm；电阻rgb4m的另一端接地；电阻rgb4m与rgb5m的连接节点通过电阻rgb2m分别与三堆叠主功率放大网络中每个中间层晶体管的栅极连接；电阻rgb5m与rgb6m的连接节点通过电阻rgb3m分别与三堆叠主功率放大网络中每个顶层晶体管的栅极连接；电阻rgb6m与电感lddm的连接节点上还分别连接有接地电容cddm和高压主偏置电源vddm；电感lddm的另一端与输出匹配及移相合成网络中电感l9和电容c9的连接节点连接。
辅助功放供电偏置网络中，输入供电偏置电路包括串联的电阻rgb1p与电感lggp，电阻rgb1p与电感lggp的连接节点上还连接有接地电容cggp；电阻rgb1p的另一端连接低压辅助偏置电源vggp；电感lggp的另一端与输入匹配及移相分配网络中第二t型lc网络电路和第二rc稳定电路的连接节点连接。辅助功放供电偏置网络中，放大及输出供电偏置电路包括依次串联的电阻rgb4p、rgb5p、rgb6p以及电感lddp；电阻rgb4p的另一端接地；电阻rgb4p与rgb5p的连接节点通过电阻rgb2p分别与三堆叠辅助功率放大网络中每个中间层晶体管的栅极连接；电阻rgb5p与rgb6p的连接节点通过电阻rgb3p分别与三堆叠辅助功率放大网络中每个顶层晶体管的栅极连接；电阻rgb6p与电感lddp的连接节点上还分别连接有接地电容cddp和高压辅助偏置电源vddp；电感lddp的另一端与输出匹配及移相合成网络中电感l10和l13的连接节点连接。
下面结合图2对本发明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及移相分配网络，经四臂电桥及其各个节点连接的接地电容和电阻构成的网络进行移相及功率分配，分成主信号和辅助信号(本发明实施例中，主信号相对于辅助信号移相90°)。当三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络采用2组尺寸相同的晶体管构成对称结构的doherty放大器时，输入匹配及移相分配网络实现等功率分配；当三堆叠主功率放大网络和三堆叠辅助功率放大网络采用2组尺寸不同的晶体管构成非对称结构的doherty放大器时，输入匹配及移相分配网络实现非等功率分配，功率分配比例按照2组晶体管的尺寸比进行对应分配。主信号经第一t型lc网络电路进行匹配，再经第一rc稳定电路稳定后，进入三堆叠主功率放大网络；辅助信号经第二t型lc网络电路进行匹配，再经第二rc稳定电路稳定后，进入三堆叠辅助功率放大网络。
三堆叠主功率放大网络及三堆叠辅助功率放大网络均采用一路或多路并联的晶体管堆叠结构，分别对主信号和辅助信号进行功率放大，最终分别进入输出匹配及移相合成网络，在电感l11与l12的连接节点处进行移相合成(本发明实施例中，主信号相对辅助信号移相-90°)，最后经第一t型lc网络电路进行输出匹配，通过输出端out形成射频输出信号。
对称设置的主功放供电偏置网络及辅助功放供电偏置网络分别用于实现对三堆叠主功率放大网络及三堆叠辅助功率放大网络中晶体管栅极和漏极馈电及杂散信号的旁路功能，同时还为输入匹配及移相分配网络、三堆叠主功率放大网络、三堆叠辅助功率放大网络以及输出匹配及移相合成网络供电。
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发明的原理，应被理解为本发明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发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明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发明的保护范围内。