适用于毫米波通信系统功率应用的功率合成放大器的制作方法

本发明涉及一种在毫米波通信系统功率应用的功率合成放大器技术，属于电子电路设计技术领域，特别适用于毫米波通信系统中射频功率放大器设计。

背景技术：

近年来，无线通信技术发展迅速，尤其是毫米波通信技术。世界上不同的国家和地区为5g通信分配了不同的频段，其中24-30ghz有可能成为大多数国家的共同频段。而毫米波信号在大气中会严重衰减。对于传输速率达到gbps及以上的高速传输链路来说，在超过3km传输距离的条件下，放大器的输出功率至少为22dbm才能保证在如此远距离的信号衰减后信号能够被接收到。对于世界范围内的气候条件来说，这样的输出功率要求限制了传统硅基射频放大器结构的应用。

放大器的结构设计和版图布局将会严重影响毫米波功率放大器的整体性能。传统的毫米波功率放大器通常使用电感电容结构进行匹配，但在高频下电感电容会带来很多寄生参数影响，同时电感成本高，占面积大，不利于集成。

cmos技术通常是毫米波(mm-wave)集成电路的首选，因为它具有低成本和高集成度。然而，低发射功率和高噪声系数限制了它的性能。一种可能的解决方案是混合波束成形架构，其中功率放大器(pa)，低噪声放大器(lna)和射频开关以砷化镓(gaas)技术实现。由于高频电磁波传播过程中的大衰减，microcell和picrocell技术被用来实现5g网络覆盖。此外，收发器中的pa性能要求变得更加苛刻。因此，砷化镓(gaas)工艺被认为是一种有吸引力的解决方案。

近年来，随着毫米波通信技术的发展，对毫米波功率放大器的输出功率、增益的要求也越来越高。无线发射设备中，为了保证足够远的传输距离，信号必须经过一系列的放大器直至获得足够大的发射功率，通过射频天线发射出去。功率放大器是毫米波频段发射机不可缺少的关键部件，输出功率的大小决定了整个系统的作用距离和抗干扰能力。在毫米波系统中，随着频率的升高，单个mmic芯片的输出功率已经不能满足实际的使用要求，尤其是非大气窗口频段，由于该频段电磁波的传输受氧分子和水蒸气分子吸收而衰减严重。一般应用于军用保密工作及近距雷达探测、通讯系统中，相应的器件输出功率也较小，然而，一般功率管输出功率是有限的，无法满足远距离传输的需求，采用特殊工艺设计的功率管虽然可以达到设计要求，可是设计成本大大增加。在功率放大器的设计中采用功率合成技术将多路输出功率进行同相叠加，是获得更高输出功率的有效途径和关键技术之一，因此，功率合成器在射频领域，尤其是到大功率发射机中的重要性尤其突出。在微波混合集成电路中，微波频段的功率合成经过几十年的发展，技术已十分成熟，发展出了各种电路合成方式，如采用基于wilkinson电桥的2ⁿ大树型功率合成、混合环、lange电桥的两路功率合成。但传统的几种放大器结构，路径损耗大，合成效率和合成功率输出不理想，结构复杂难实现，不利于集成，很难满足毫米波功率应用中的高输出功率高功率增益功率放大器的要求。在毫米波集成电路中，cmos技术因其成本低，集成度高成为首选，但它的性能较差。而砷化镓(gaas)工艺可以支持高频率和高功率应用，而且效率很高，可以满足5g通信苛刻的性能要求。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提出一种适用于毫米波通信系统功率应用的功率合成放大器，适用于砷化镓(gaas)工艺的高输出功率高增益的新型射频放大器结构。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于毫米波通信系统功率应用的功率合成放大器，包括结构上下堆成的若干路放大电路，所述放大电路包括依次连接的输入匹配网络、信号放大电路和输出匹配网络；所述输入匹配网络和输出匹配网络均包括单节短截线匹配网络，所述信号放大电路包括栅级漏级直流偏置电路。

进一步的，所述输入匹配网络还包括与输入信号端相连的隔直电容。

进一步的，所述栅级漏级直流偏置电路包括共源级放大器和1/4波长微带线，该共源级放大器的栅极、漏极分别通过1/4波长微带线接到直流偏置电压，且各路放大电路的共源级放大器的栅极、漏极相连。

进一步的，所述输入匹配网络通过电阻与共源级放大器的栅极串联。

进一步的，所述输出匹配网络还包括与输出信号端相连的隔直电容。

进一步的，每路放大电路的共源级放大器的栅极和漏极均接入隔直电容。

进一步的，每路放大电路的共源级放大器的源极耦合接地。

有益效果：通过本发明设计的合成功率放大器结构，有效提高了放大器输出功率、功率增益和电路可靠性，对于28ghz信号来说，两路合成的功率放大器可以提供超过8db的功率增益。本发明使用微带传输线进行阻抗匹配很好的解决了高频功放管的输入输出阻抗与系统传输需求的特性阻抗偏差较大，在高频链路中不能完全发挥性能的问题，且合成共源放大器结构在不增加晶体管电压摆幅的条件下提高了输出信号的摆幅，提高了放大器输出功率和电路可靠性。因此，该放大器结构适用于较大功率增益的毫米波功率放大器设计。

附图说明

图1是含有负载的射频功率合成放大器电路结构示意图；

图2是单路射频放大器电路结构；

图3是包括寄生电容和晶体固有电容的射频功率合成放大器电路结构示意图；

图4是ka波段八路合成功率放大器框图；

图5是输出功率合成曲线；

图6是功率增益曲线；

图7是功率附加效率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1所示的一种在毫米波通信系统功率应用中使用的基于两路功率合成的功率放大器，包括两个共源级放大器114、116和负载120，结构上下成堆，并由微带线进行输入输出匹配，两个共源放大器栅级和漏级相连，源极接地，形成两路功率合成放大结构，其偏置电压为vb和vdd，射频功率放大器直接输出功率到负载120上，本实施例的负载120可以由变压器、功率合成器、射频扼流圈、lc阻抗匹配网络、天线等代替。

本实施例由两个n型场效应管构成共源放大器114、116，两个共源放大器114、116的源极耦合接地，输入信号vin经由隔直电容108，两个串联单短截线匹配网络、电阻110、电阻112分别连接到两个共源级放大器114、116的栅极，其中，单短截线匹配网络用来从50ω匹配到放大器输入阻抗，使功率得到最大传输，电阻110和电阻112用来提高电路稳定性，使共源级放大器114、116始终工作在稳定区内，共源级放大器114、116的栅级、漏级分别通过一段1/4波长微带线接到直流偏压vb、vdd，为放大器提供工作电压。其中，在偏置电路和匹配电路中，均用微带线代替电感，目的是减少电感在高频下带来的寄生参数影响，降低成本，另外电感是立体器件，占地面积大，不利于集成，所以在高频下，使用微带线代替。输入信号经放大器放大后输出，经由单短截线匹配网络和隔直电容118，最后输出，其中单短截线匹配网络，目的是从放大器最佳负载阻抗匹配到50ω，使功率得到最大传输，两个隔直电容108、118能够消除共源放大器114、116的栅极和漏极之间寄生电容对电路的影响，隔断直流，同时也可作为匹配电路的一部分，提高了放大器增益和稳定性，利用微带线代替电感电容对功率放大器进行匹配，利于平面集成，也利于在高频下减少寄生参数影响。。

功率放大器在大信号工作时，电晶体的最佳负载阻抗会随著输入信号功率的增加而跟着改变。因此，必须在史密斯图(smithchart)上，针对不同的输入功率准位，每给定一个输入功率值时绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线(powercontours)，找出最大输出功率时的最佳负载阻抗。

图4给出了ka波段八路合成功率放大器框图，该结构易于拓展，当通信系统对输出功率要求变高时，可以由此结构发展为四路合成、八路合成等。只要对输入输出端重新进行阻抗匹配即可。

本发明能够在高频下实现高效率功率合成，可提高系统的工作范围和抗干扰性，在未来的通信和雷达系统中有着重要的应用前景。

利用ads软件对上述电路结构进行仿真实验，结果如下：

图5是输出功率曲线，可以看出在28ghz频点，当输入功率为16dbm时，最大输出功率为24.004dbm。图6是功率增益曲线，可以看出最大增益为9.8db，在16dbm处的增益为8db。图7为功率附加效率曲线，可以看到，在16dbm处，效率达到最大值为36.866％。