一种Ka波段高性能高功率放大器芯片的制作方法

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体的涉及一种Ka波段高性能高功率放大器芯片。

背景技术：

根据频率划分，毫米波一般指的是波长介于1mm-10mm的电磁波，由于毫米波的波长短、频带宽和它自身特殊的大气传播特性，使得Ka波段在雷达系统中得到了广泛的应用，从而推动Ka波段收发组件的快速发展，而功率放大器是收发组件中最为关键的组成部分，其输出功率、效率以及带宽等性能指标直接影响了整个收发组件的性能。目前，Ka波段微波单片集成电路已成为当前各种高科技武器的重点发展方向，可广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、卫星通信系统和陆海空基的各种先进相控阵雷达，特别是机载和星载雷达。随着5G通信技术的发展，毫米波通信频段一部分在未来会进入民用范畴，因此对于研究该频段的T/X芯片变得尤为重要。

对于雷达发射系统，发射端需要提供足够大的发射功率，由于发射系统中采用多个功率放大器芯片进行功率合成以此来提供所需要的发射功率，因此单个功率放大器芯片具有较高的功率可以有效降低芯片个数，减少尺寸，降低成本。对于军事领域的应用，如何设计Ka波段高功率和高性能的功率放大器芯片显得尤为重要。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种Ka波段高性能高功率放大器芯片，目的在于克服上述现有技术存在的不足，本实用新型提供一种以满足高功率、高增益、小型化应用场景下保持高性能的功率放大器芯片。

本实用新型采用下述的技术方案：

一种Ka波段高性能高功率放大器芯片，包括第一阻抗匹配网络、第一级放大器、第二阻抗匹配网络、第二级放大器、第三阻抗匹配网络、第三级放大器、第四阻抗匹配网络、所述第一阻抗匹配网络、第一级放大器、第二阻抗匹配网络、第二级放大器、第三阻抗匹配网络、第三级放大器、第四阻抗匹配网络依次串联连接，所述第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器的输入端和输出端均分别设有栅极偏置电路、漏极偏置电路，所述第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器均由多个场效应管并联连接后构成，所述第一阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第四阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。

优选的，所述栅极偏置电路包括电阻R1、电感L1，所述电阻R1和电感L1 串联连接，电感L1的下端与放大器的输入端相连，电阻R1的上端接Vg端，所述电阻R1和电感L1之间的线路上设有电容C2，所述电容C2的左端接地，所述电阻R1与Vg端连接的线路上设有电容C1，所述电容C1的右端接地。

优选的，所述漏极偏置电路包括微带线M1、微带线M2，所述微带线M1和微带线M2串联连接，微带线M1的上端接Vd端，M2的下端接各级放大器的输出端，所述微带线M1和微带线M2之间的线路上设有电容C4，电容C4的左端接地，所述微带线M1与Vd端连接的线路上设有电容C3，所述电容C3的右端接地。

优选的，所述第一阻抗匹配网络包括微带线M11、微带线M12、电容C13、微带线M13、微带线M14，所述微带线M11、微带线M12、电容C13、微带线M13、微带线M14依次串联连接，所述微带线M11、微带线M12之间的连接线路上设有电容C11，所述电容C11的下端接地，所述微带线M13、微带线M14之间连接的线路上设有电容C12，所述电容C12的下端接地，所述微带线M11的左端连接外电路的输出端，微带线M14的右端连接第一放大器的输入端。

优选的，所述第二阻抗匹配网络包括微带线M21、微带线M22、微带线M25、电容C24、微带线M26、微带线M27，所述微带线M21、微带线M22、微带线M25、电容C24、微带线M26、微带线M27依次串联连接，所述微带线M21、微带线M22 之间的连接线路上设有电容C21，所述电容C21的下端接地，所述微带线M22、微带线M25之间的连接线路上设有微带线M23、微带线M24，所述微带线M23的上端设有电容C23，微带线M24的下端设有电容C22，所述微带线M23的下端、微带线M24的上端均连接在微带线M22和微带线M25之间的线路上，所述电容 C23的上端、电容C22的下端均接地，所述微带线M26、微带线M27之间的连接线路上设有电容C25，所述电容C25的下端接地，所述微带线M21的左端连接第一级放大器的输出端，所述微带线M27的右端连接第二级放大器的输入端。

优选的，所述第三阻抗匹配网络包括微带线M31、微带线M32、微带线M34、电容C33、微带线M35、微带线M36，所述微带线M31、微带线M32、微带线M34、电容C33、微带线M35、微带线M36依次串联连接，所述微带线M31、微带线M32 之间的连接线路上设有电容C31，所述电容C31的上端连接在微带线M31和微带线M32之间的线路上，下端接地，所述微带线M32、微带线M34之间的连接线路上设有微带线M33，所述微带线M33的下端设有电容C32，所述电容C32的下端接地，所述微带线M35、微带线M36之间连接的线路上设有电容C34，所述电容 C34下端接地，所述微带线M31的左端连接第二级放大器的输出端，所述微带线 M36的右端连接第三级放大器的输入端。

优选的，所述第四阻抗匹配网络包括微带线M41、微带线M42、微带线M44、电容C43、微带线M45，所述微带线M41、微带线M42、微带线M44、电容C43、微带线M45依次串联连接，所述微带线M41、微带线M42之间的连接线路上设有电容C41，所述电容C41下端接地，所述微带线M42、微带线M44之间的连接线路上设有微带线M43，所述微带线M43的下端设有电容C42，所述电容C42下端接地，所述微带线M41的左端连接第三级放大器的输出端，所述微带线M45的右端连接外电路的输入端。

优选的，所述第一级放大器包括4个场效应管，4个场效应管并联连接，所述第二级放大器包括8个场效应管，8个场效应管并联连接，所述第三级放大器包括16个场效应管，16个场效应管并联连接。

优选的，所述电容C1、电容C2、电容C3均为高频去耦电容。

本实用新型的有益效果是：

1)、本实用新型的电路拓扑结构采用3级放大，可以实现较大增益和大功率输出，并且尺寸小；该芯片整个信号通路采用电容和微带线进行阻抗匹配，实现起来比较容易。

2)、本实用新型采用特殊的偏置电路网络，在完成阻抗匹配的同时，兼顾有提供直流供电以及防止高频自激的功能。

3)、本实用新型通过设计优化，支持大电感的金丝作为键合线；芯片由通孔连接正反两面，保证芯片背面与系统地之间保持良好的射频接地连接。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。

图1是本实用新型的信号通路结构示意图。

图2是本实用新型的整体拓扑结构示意图。

图3是本实用新型的栅极偏置电路结构示意图。

图4是本实用新型的漏极偏置电路结构示意图。

图5是本实用新型的第一阻抗匹配网络结构示意图。

图6是本实用新型的第二阻抗匹配网络结构示意图。

图7是本实用新型的第三阻抗匹配网络结构示意图。

图8是本实用新型的第四阻抗匹配网络结构示意图。

图9是本实用新型的通孔结构示意图俯视图。

图10是本实用新型的通孔结构示意图主视图。

图11是本实用新型的封装结构示意图。

图12是本实用新型的1dB压缩点输出功率(P1dB)图。

图13是本实用新型的1dB压缩点饱和输出功率(Psat)图。

图中所示：

其中，1-电阻R1，2-电感L1，3-电容C1，4-电容C2，5-微带线M1，6-微带线M2，7-电容C3，8-电容C4，9-微带线M11，10-微带线M12，11-电容C13， 12-微带线M13，13-微带线M14，14-电容C11，15-电容C12，16-微带线M21， 17-微带线M22，18-微带线M25，19-电容C24，20-微带线M26，21-微带线M27， 22-微带线M23，23-电容C23，24-电容C21，25-微带线M24，26-电容C22，27- 电容C25，28-微带线M31，29-微带线M32，30-微带线M34，31-电容C33，32- 微带线M35，33-微带线M36，34-电容C31，35-微带线M33，36-电容C32，37- 电容C34，39-微带线M41，40-微带线M42，41-微带线M44，42-电容C43，43- 微带线M45，44-电容C41，45-微带线M43，46-电容C42。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1至图8所示，一种Ka波段高性能高功率放大器芯片，包括第一阻抗匹配网络、第一级放大器、第二阻抗匹配网络、第二级放大器、第三阻抗匹配网络、第三级放大器、第四阻抗匹配网络、所述第一阻抗匹配网络、第一级放大器、第二阻抗匹配网络、第二级放大器、第三阻抗匹配网络、第三级放大器、第四阻抗匹配网络依次串联连接，所述第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器的输入端和输出端均分别设有栅极偏置电路、漏极偏置电路，第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器均由多个场效应管并联连接后构成，所述第一阻抗匹配网络的输入端与外电路的输出端相连，所述第四阻抗匹配网络的输出端与外电路的输入端相连。

所述栅极偏置电路包括电阻R1(1)、电感L1(2)，所述电阻R1(1)和电感L1(2)串联连接，电感L1(2)的下端与放大器的输入端相连，电阻R1 (1)的上端接Vg端，所述电阻R1(1)和电感L1(2)之间的线路上设有电容C2(4)，所述电容C2(4)的左端接地，右端连接在电阻R1(1)和电感L1(2) 之间的线路上，所述电阻R1(1)与Vg端连接的线路上设有电容C1(3)，所述电容C1(3)的右端接地，左端连接在电阻R1(1)与Vg端之间的连接线路上。所述漏极偏置电路包括微带线M1(5)5、微带线M2(6)，所述微带线M1 (5)5和微带线M2(6)串联连接，微带线M1(5)的上端连接Vd端，M2的下端接各级放大器的输出端，所述微带线M1(5)和微带线M2(6)之间的线路上设有电容C4(8)，电容C4(8)的左端接地，右端连接在微带线M1(5)和微带线M2(6)之间的线路上，所述微带线M1(5)与Vd端连接的线路上设有电容C3(7)，所述电容C3(7)的右端接地，左端连接在微带线M1(5)与Vd端之间的连接线路上。

如图3至图4所示，所述栅极偏置电路中的电容C1(3)和电容C2(4)均为高频去耦电容，大小分别为1pF和1.1pF，所述栅极偏置电路可以通直流同时扼制高频信号通过，所述电容C1(3)、电容C2(4)、电阻R1(1)构成的RC 网络可以有效地消除低频振荡，电阻R1大小为50欧姆，该电阻具有限流作用，防止烧坏管芯。所述电容C3(7)为高频去耦电容，所述漏极偏置电路中的微带线和电容组成的匹配网络参与场效应管输出端的阻抗匹配，同时又起到漏极通直流和阻止高频信号流入供电端口的作用。

所述第一阻抗匹配网络包括微带线M11(9)、微带线M12(10)、电容C13 (11)、微带线M13(12)、微带线M14(13)，所述微带线M11(9)、微带线 M12(10)、电容C13(11)、微带线M13(12)、微带线M14(13)依次串联连接，所述微带线M11(9)、微带线M12(10)之间的连接线路上设有电容C11 (14)，所述电容C11(14)的下端接地，上端连接在微带线M11(9)和微带线M12(10)之间的线路上，所述微带线M13(12)、微带线M14(13)之间连接的线路上设有电容C12(15)，所述电容C12(15)的下端接地，上端连接在微带线M13(12)和微带线M14(13)之间的连接线路上，所述微带线M11(9) 的左端连接外电路的输出端，微带线M14(13)的右端连接第一放大器的输入端。

所述第二阻抗匹配网络包括微带线M21(16)、微带线M22(17)、微带线 M25(18)、电容C24(19)、微带线M26(20)、微带线M27(21)，所述微带线M21(16)、微带线M22(17)、微带线M25(18)、电容C24(19)、微带线M26(20)、微带线M27(21)依次串联连接，所述微带线M21(16)、微带线M22(17)之间的连接线路上设有电容C21(24)，所述电容C21(24)的下端接地，上端连接在微带线M21(16)和微带线M22(17)之间的连接线路上，所述微带线M22(17)、微带线M25(18)之间的连接线路上设有微带线M23(22)、微带线M24(25)，所述微带线M23(22)的上端设有电容C23(23)，所述微带线M24(25)的下端设有电容C22(26)，所述微带线M23(22)的下端、微带线M24(25)的上端均连接在微带线M22(17)和微带线M25(18)之间的线路上，所述电容C23(23)的上端、电容C22(26)的下端均接地，所述微带线 M26(20)、微带线M27(21)之间的连接线路上设有电容C25(27)，所述电容C25(27)的下端接地，上端连接在微带线M26(20)和微带线M27(21)之间的连接线路上，所述微带线M21(16)的左端连接第一级放大器的输出端，所述微带线M27(21)的右端连接第二级放大器的输入端。

所述第三阻抗匹配网络包括微带线M31(28)、微带线M32(29)、微带线 M34(30)、电容C33(31)、微带线M35(32)、微带线M36(33)，所述微带线M31(28)、微带线M32(29)、微带线M34(30)、电容C33(31)、微带线M35(32)、微带线M36(33)依次串联连接，所述微带线M31(28)、微带线M32(29)之间的连接线路上设有电容C31(34)，所述电容C31(34)的上端连接在微带线M31(28)和微带线M32(29)之间的线路上，下端接地，所述微带线M32(29)、微带线M34(30)之间的连接线路上设有微带线M33(35)，所述微带线M33(35)的下端设有电容C32(36)，微带线M33(35)的上端连接在微带线M32(29)和微带线M34(30)之间的线路上，所述电容C32(36) 的下端接地，上端连接微带线M33(35)的下端，所述微带线M35(32)、微带线M36(33)之间连接的线路上设有电容C34(37)，所述电容C34(37)下端接地，上端连接在微带线M35(32)和微带线M36(33)之间的线路上，所述微带线M31(28)的左端连接第二级放大器的输出端，所述微带线M36(33)的右端连接第三级放大器的输入端；

所述第四阻抗匹配网络包括微带线M41(39)、微带线M42(40)、微带线 M44(41)、电容C43(42)、微带线M45(43)，所述微带线M41(39)、微带线M42(40)、微带线M44(41)、电容C43(42)、微带线M45(43)依次串联连接，所述微带线M41(39)、微带线M42(40)之间的连接线路上设有电容 C41(44)，所述电容C41(44)下端接地，上端连接在微带线M41(39)和微带线M42(40)之间的线路上，所述微带线M42(40)、微带线M44(41)之间的连接线路上设有微带线M43(45)，所述微带线M43(45)的上端连接在微带线M42(40)和微带线M44(41)之间的线路上，下端设有电容C42(46)，所述电容C42(46)下端接地，上端连接微带线M43(45)的下端，所述微带线M41 (39)的左端连接第三级放大器的输出端，所述微带线M45(43)的右端连接外电路的输入端。

所述第一阻抗匹配网络、第二阻抗匹配网络、第三阻抗匹配网络和第四阻抗匹配网络其中的微带线与微带线、微带线与电容之间构成串联或者并联连接，每一个阻抗匹配网络都具有不同的结构，通过组合微带线和电容构成的不同拓扑结构，以及调节每一节微带线的长宽和串并联电容值的大小可实现输入、输出端口和每一级放大器之间的阻抗匹配，进而保证信号通路呈现50欧姆阻抗匹配，减少能量反射损耗。

如图2所示，所述第一级放大器由4个场效应管(P11-P12)并联连接构成，所述第二级放大器由8个场效应管(P21-P28并联连接构成，所述第三级放大器由16个场效应管(P31-P316)并联连接构成。射频输入信号经过2级的功分网络平均分为等量的4路信号加载于第一级放大器，信号经过第一次放大以后，每一路输出信号又均分为2路信号输入到第二级放大器，第二级放大器的8个场效应管将8路信号同时放大输出，每一路输出信号又一次通过功分网络分为大小相等的2路信号，一共形成16路信号输入第三级放大器，第三级放大器最后将16路信号放大输出，16路输出信号在末端经过功率合成网络形成一路射频信号输出。整个信号的放大过程分为：信号功分、放大以及功率合成，本实用新型在电路结构上具有高度的上下对称性，利于电路的仿真和优化。

如图9、10所示，为了保证电路与系统地良好的连接，该芯片在中部设有通孔，所述通孔的孔径正面为80um，背面孔径为150um，这种截面呈梯形的通孔，可以使芯片更好的接地，同时减少寄生电感。

如图11所示，本实用新型具有26个焊盘引脚，分别包含栅极供电接口、漏极供电接口、传感器焊盘接口以及射频信号输入和输出接口，为确保良好的射频性能和稳定性，芯片背面上的焊盘与地之间需要进行良好连接，以保证良好的接地性。

芯片测试的输出功率如图12所示，在27.5GHz-31GHz工作频带内，芯片1dB 压缩点的输出功率大于36dBm(4W)，饱和输出功率为37dBm(5W)。图13所示为本实用新型的效率和增益的测试结果，在27.5GHz-31GHz工作频带内，功放的功率附加效率(PAE)为18％左右，增益在23-27dB之间，随着频率升高，增益降低。整个芯片的尺寸为3.92mm×4.22mm，可以发现该芯片相比现有的芯片具有尺寸小、输出功率高等优势，是一款适用于Ka波段通信的高性能高功率功放芯片。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。