超宽带大功率放大器及发射器的制作方法

1.本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种超宽带大功率放大器及发射器。


背景技术：

2.随着通信、对抗和测试设备的工作带宽要求越来越高，作为设备核心元器件的功率放大器的带宽要求也越来越宽。
3.gan作为第三代半导体材料，其宽禁带高导热率的材料属性可以很好地满足高频、高温、高功率、高效率的性能要求，微波功率性能远优于si、gaas等半导体材料。基于gan材料研制的宽带功率放大器在射频放大器设备、宽带通信和电子对抗等领域中有着广泛应用前景。开发出超宽带工作的大功率器件或功放，可以使得设备的体积大幅减小、电路复杂性大幅降低，同时为开发出具备新功能的整机产品提供了支撑和可能性。
4.目前，现有的单个宽带功率器件产品，无法覆盖0.2ghz-0.35ghz，因此亟需一种频率覆盖0.2g～2ghz、输出功率≥100w的超宽带gan功率放大器。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种超宽带大功率放大器及发射器，以解决目前单个宽带功率器件的频率无法完全覆盖0.2g～2ghz的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种超宽带大功率放大器，包括：
7.信号输入端，用于接收输入信号；
8.输入匹配网络，一端与信号输入端连接，另一端与gan功率放大芯片的栅极连接，用于对gan功率放大芯片的栅极和信号输入端之间的阻抗进行匹配；
9.输出匹配网络，一端与gan功率放大芯片的漏极连接，另一端与信号输出端连接，用于超宽频带内的阻抗匹配；
10.输入偏置网络，包括滤波电容，一端与gan功率放大芯片的栅极连接，另一端与外部的栅极电源连接，用于对栅极电源进行滤波以及旁路处理；
11.输出偏置网络，包括滤波电容，一端与gan功率放大芯片的漏极连接，另一端与外部的漏极电源连接，用于对漏极电源进行滤波以及旁路处理。
12.在一种可能的实现方式中，输入匹配网络包括三级匹配网络，分别为顺次连接的第一级输入匹配网络、第二级输入匹配网络和第三级输入匹配网络，且第一级输入匹配网络与gan功率放大芯片的栅极连接；
13.第一级输入匹配网络包括一t型网络和与t型网络连接的rc并联网络，用于对gan功率放大芯片的栅极阻抗进行变换提升；其中，t型网络包括两个串接的电感及与两个电感同时连接的电容，电容的另一端接地；
14.第二级输入匹配网络包括多个串联的微带线和与微带线连接的隔直电容，用于对第一级输入匹配网络的输出阻抗进行阻抗变换；
15.第三级输入匹配网络包括由多个半刚性电缆组成的传输线变压器，用于超宽带阻
抗变换。
16.在一种可能的实现方式中，第一级输入匹配网络还包括一对地rc串联网络，对地rc串联网络的一端分别与t型网络和rc并联网络的一端连接，对地rc串联网络的另一端接地；
17.第二级输入匹配网络还包括一并联rc网络，并联rc网络的一端连接在多个串联的最后一个微带线的一端，另一端与隔直电容连接。
18.在一种可能的实现方式中，第一级输入匹配网络是基于gaas无源工艺制作的gaas微波单片集成电路。
19.在一种可能的实现方式中，输出匹配网络包括三级匹配网络，分别为顺次连接的第一级输出匹配网络、第二级输出匹配网络和第三级输出匹配网络，且第一级输出匹配网络与gan功率放大芯片的漏极连接；
20.第一级输出匹配网络包括制备在瓷片上的t型瓷片网络，且t型瓷片网络中的电感为瓷片电感，电容为瓷片电容，用于对gan功率放大芯片的漏极阻抗进行变换；
21.第二级输出匹配网络包括多个串接的微带传输线，用于宽带阻抗变换；
22.第三级输出匹配网络包括由多个半刚性电缆组成的传输线变压器，用于超宽带阻抗变换。
23.在一种可能的实现方式中，第三级输入匹配网络和第三级输出匹配网络的阻抗变换比为4:1。
24.在一种可能的实现方式中，第三级输入匹配网络和第三级输出匹配网络均由2个半刚性电缆组成，半刚性电缆的特征阻抗为25欧姆，外径为2.2mm；
25.第三级输入匹配网络的2个半刚性电缆的长度分别为44.4mm和42.1mm；
26.第三级输出匹配网络的2个半刚性电缆的长度分别为37.1mm和39.4mm。
27.在一种可能的实现方式中，输入偏置网络和输出偏置网络中还包括偏置电感，用于对射频通道和直流供电通道中的射频隔离。
28.在一种可能的实现方式中，gan功率放大芯片、第一级输入匹配网络、第一级输出匹配网络组装在钼铜载体上，第二级输出匹配网络、第三级输出匹配网络、第二级输入匹配网络、第三级输入匹配网络、输入偏置网络以及输出偏置网络均组装在pcb版上；
29.钼铜载体和pcb版焊接在紫铜载体上。
30.第二方面，本发明实施例提供了一种用于无线通信系统的发射器，发射器包括上述第一方面提供的超宽带大功率放大器。
31.本发明实施例提供一种超宽带大功率放大器，通过在gan功率放大芯片的栅极连接输入匹配网络和输入偏置网络，在gan功率放大芯片的漏极连接输出匹配网络和输出偏置网络，从而使功率放大器的频率覆盖0.2g～2ghz、输出功率≥100w。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例提供的一种超宽带大功率放大器的结构示意图；
34.图2是本发明实施例提供的另一种超宽带大功率放大器的结构示意图；
35.图3是本发明实施例提供的图2中的第一级输入匹配网络的结构示意图；
36.图4是本发明实施例提供的图3的功率放大器稳定性因子的仿真示意图；
37.图5是本发明实施例提供的第三级输入匹配网络的半刚性电缆示意图；
38.图6是本发明实施例提供的50欧姆端口阻抗经过第三级输入匹配网络变换后的阻抗仿真结果图；
39.图7是本发明实施例提供的第三级输出匹配网络的半刚性电缆示意图；
40.图8是本发明实施例提供的超宽带大功率放大器的输出功率仿真示意图；
41.图9是本发明实施例提供的超宽带大功率放大器的漏极效率仿真示意图；
42.图10是本发明实施例提供的超宽带大功率放大器的输入驻波仿真示意图；
43.图11是本发明实施例提供的超宽带大功率放大器的组装结构示意图；
44.图12是本发明实施例提供的超宽带大功率放大器组装后的结构示意图。
具体实施方式
45.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
47.正如背景技术中所描述的，超宽带功率放大器的宽带要求越来越宽，目前，国外推出了工作电压为50v，0.5ghz～2.0ghz频带内输出功率100w的功率器件产品。国内企业也相继推出了工作电压为28v，0.35ghz～2.0ghz频带内输出功率100w的功率器件产品和工作电压28v，0.8ghz～2.0ghz内输出功率100w等产品。
48.然而，目前国内外的产品工作带宽覆盖0.35ghz～2ghz，输出功率100w，产品工作频率无法覆盖0.2ghz-0.35ghz，使得对0.2ghz～2ghz工作频带有着需求的设备需要采用两套功放分频段来实现整个0.2ghz～2ghz频带的功率放大功能，但是成本、体积和复杂性大幅增加。当工作频带宽展到0.2ghz～2ghz后，功放工作频带大幅增加，需要解决覆盖米波段到l波段数个倍频程电路的设计难题。
49.为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种超宽带大功率放大器及发射器。下面首先对本发明实施例所提供的超宽带大功率放大器进行介绍。
50.如图1所示，一种超宽带大功率放大器，包括：gan功率放大芯片、信号输入端、输入匹配网络、输出匹配网络、输入偏置网络、输出偏置网络和信号输出端。
51.信号输入端，用于接收外部电源的输入信号。输入匹配网络，一端与信号输入端连接，另一端与gan功率放大芯片的栅极连接，用于对gan功率放大芯片的栅极和信号输入端之间的阻抗进行匹配。输出匹配网络，一端与gan功率放大芯片的漏极连接，另一端与信号输出端连接，用于超宽频带内的阻抗匹配。输入偏置网络，包括滤波电容，一端与gan功率放大芯片的栅极连接，另一端与外部的栅极电源连接，用于对栅极电源进行滤波以及旁路处
理。输出偏置网络，包括滤波电容，一端与gan功率放大芯片的漏极连接，另一端与外部的漏极电源连接，用于对漏极电源进行滤波以及旁路处理。
52.具体的，外部电源分别通过输入偏置网络和输出偏置网络向gan功率放大芯片提供其所需的栅极工作电压和漏极工作电压。
53.在一些实施例中，输入偏置网络和输出偏置网络具有滤波电容，对电源进行滤波、旁路处理，此外，输入偏置网络和输出偏置网络还具有偏置电感，实现rf通道和直流供电通道的rf隔离。
54.输入匹配网络用于实现gan功率放大芯片栅极阻抗和50欧姆端口阻抗之间的阻抗匹配。由于工作频带跨越数个倍频程，在如此宽的频带内完成阻抗匹配，从而实现低的输入驻波是本发明的设计难点之一。gan功率放大芯片随着频率降低，增益会增高，频率高点和频率低点之间的增益差达几个db，需要通过输入匹配网络进行增益均衡和控制。此外，功率放大器工作的稳定性也是输入匹配网络设计的重要考虑因素，而提高稳定性的电路会影响电路阻抗，需要针对超宽的工作频带统筹阻抗匹配电路和稳定性提高电路设计。
55.在一些实施例中，如图2所示，为了实现超宽带阻抗匹配，输入匹配网络采用三级匹配网络结构，输出匹配网络同样采用三级匹配结构，以实现超宽频带内的阻抗匹配。
56.具体的，输入匹配网络包括顺次连接的第一级输入匹配网络、第二级输入匹配网络和第三级输入匹配网络，且第一级输入匹配网络与gan功率放大芯片的栅极连接。
57.第一级输入匹配网络包括一t型网络和与该t型网络连接的rc并联网络，用于对gan功率放大芯片的栅极阻抗进行变换提升。如图3所示，t型网络包括两个串接的电感l1和l2及与两个电感同时连接的电容c3，电容c3的另一端接地。第一级输入匹配网络先通过“t”型网络对gan芯片的栅极阻抗进行变换提升，加入r1c1并联网络进行增益均衡，进一步提高稳定性。
58.如图3所示，为了提高稳定性，还增加了对地r2c2串联网络。且第一级输入匹配网络的电路基于gaas无源工艺设计实现的，即无源mmic。如图4所示的第一级输入匹配网络的功率放大器稳定性因子的仿真示意图，从图4中可以看出，工作频带内功率放大器的稳定性因子大于1，处于绝对稳定状态。
59.第二级输入匹配网络包括多个串联的微带线和与微带线连接的隔直电容，用于对第一级输入匹配网络的输出阻抗进行阻抗变换。
60.具体的，第二级输入匹配网络为微带和集总元件组成的混合网络，经过gaas mmic匹配后的输入阻抗再通过串联的三节微带传输线进行阻抗变换，为了进一步实现增益均衡和进一步提高稳定性，在网络输入端串联接入一级并联rc网络。由于第三级输入匹配网络具有对地通道，因此在第二级输入匹配网络的输入端还设置有隔值电容实现直流对地的隔离。
61.第三级输入匹配网络包括由多个半刚性电缆组成的传输线变压器，用于超宽带阻抗变换。
62.具体的，第三级输入匹配网络采用由半刚性电缆组成的传输线变压器实现超宽带阻抗变换，阻抗变比为4:1，将50欧姆端口阻抗变为十几欧姆左右的阻抗。通过对半刚性电缆的特征阻抗和长度进行优化，实现变比和带宽之间的折中。其中，如图5所示的第三级输入匹配网络由2个半刚性电缆t1和t2组成，半刚性电缆的特征阻抗为25欧姆，外径为2.2mm。
第三级输入匹配网络的2个半刚性电缆的长度分别为44.4mm和42.1mm，通过优化半刚性电缆参数，实现传输线变压器宽带和阻抗变比的折衷，达到最优宽带阻抗匹配的目的。如图6所示的50欧姆端口阻抗经过第三级输入匹配网络变换后的阻抗仿真结果图。
63.输出匹配网络包括三级匹配网络，分别为顺次连接的第一级输出匹配网络、第二级输出匹配网络和第三级输出匹配网络，且第一级输出匹配网络与gan功率放大芯片的漏极连接。
64.其中，第一级输出匹配网络包括制备在瓷片上的t型瓷片网络，且t型瓷片网络中的电感为瓷片电感，电容为瓷片电容，用于对gan功率放大芯片的漏极阻抗进行变换。
65.具体的，第一级输出匹配网络为“t”型网络，对gan功率放大芯片的漏极阻抗进行变换提升。在传统做法中，gan功率放大芯片根部“t”型网络中的电感通过键合线实现，但当需要的电感量较大时，通过减少键合线的数量和增加键合线长度来提高电感量，但这会导致过电流能力降低，从而导致该结构不可实现。为了避免该问题，本发明采用瓷片实现“t”型网络中的电感和电容，并且将电容和电感集成到一块瓷片上，避免了元件互联时产生的不确定性因素，也简化了装配。“t型”瓷片的第一级输出匹配网络的电路版图采用的材料的介电常数为40，厚度为0.25mm。
66.第二级输出匹配网络包括多个串接的微带传输线，用于宽带阻抗变换。具体的，第二级输出匹配网络采用四节微带传输线组成的网络进行宽带阻抗变换，通过优化带线的特征阻抗和电长度实现宽带阻抗变换功能。
67.第三级输出匹配网络包括由多个半刚性电缆组成的传输线变压器，用于超宽带阻抗变换。具体的，第三级输出匹配网络采用和第三级输入匹配网络结构相同的由半刚性电缆组成的传输线变压器实现超宽带阻抗变换，阻抗变比为4:1，将50欧姆端口阻抗变为实部十几欧姆左右的阻抗。通过对半刚性电缆的特征阻抗和长度进行优化，实现变比和带宽之间的折中。其中，如图7所示的第三级输入匹配网络由2个半刚性电缆t3和t4组成，半刚性电缆的特征阻抗为25欧姆，外径为2.2mm。第三级输出匹配网络的2个半刚性电缆的长度分别为37.1mm和39.4mm。通过优化半刚性电缆参数，实现传输线变压器宽带和阻抗变比的折衷，达到最优宽带阻抗匹配的目的。
68.如图8-10为本发明提供的超宽带大功率放大器的电性能指标示意图，从图中可以看出，本发明提供的超宽带大功率放大器的工作频率0.2ghz～2.0ghz，输出功率大于100w，输入驻波小于2.5。
69.通过仿真得到仿真结果后，即可对元器件进行装配。其中，匹配的元器件主要有：gan管芯、第一级输入匹配网络gaasmmic、第一级输出匹配网络“t型”匹配瓷片电路、pcb板(实现多节微带线)、第三级输入匹配网络的半刚性电缆、第三级输出匹配网络的半刚性电缆、钼铜载体和紫铜载板。借助目前先进的生产工艺加工平台，完成所有元件的设计和生产制造。
70.其中，gan功率放大芯片、第一级输入匹配网络gaasmmic、第一级输出匹配网络“t型”匹配瓷片电路组装在钼铜载体上，第二级输出匹配网络、第三级输出匹配网络、第二级输入匹配网络、第三级输入匹配网络、输入偏置网络以及输出偏置网络均组装在pcb版上，钼铜载体和pcb版焊接在紫铜载体上。如图11所示，焊接在紫铜载体11上钼铜载体12和pcb版13。图12为组装完成后的超宽带大功率放大器的结构示意图，图中rfin表示射频信号输
入端口，rfout表示射频信号输出端口，vg表示栅极电压加电端口，vd表示漏极电压加电端口。
71.具体的，将gan功率放大芯片、gaas mmic、“t型”瓷片匹配电路等元器件采用金锡焊料烧结方式装配于钼铜载体12上，钼铜载体12的厚度为0.2mm。
72.已装配芯片的钼铜载体12和pcb版13通过烧焊方式烧焊于紫铜载体11上，半刚性电缆和其他阻容元件焊接于pcb版13上，芯片、瓷片和pcb板之间通过键合金丝的方式实现互连。用38μm的键合金丝连接pcb版13、gaas mmic匹配电路、gan管芯栅极，采用50μm的键合金丝连接gan管芯漏极、“t型”瓷片匹配电路和pcb板。芯片、瓷片、pcb和半刚性电缆及阻容元件装配过程依次采用从高到低的温度梯度操作，保证各元件装配的可靠性。
73.本发明实施例提供的超宽带大功率放大器，采用0.5μm gan hemt工艺、gaas mmic无源工艺、瓷片工艺和微组装工艺，形成工作频率0.2ghz～2.0ghz、输出功率大于100w、全频带内输出功率大于100w，输入驻波小于2.5的超宽带功率放大器。而国内外类似产品输入驻波最大超过8。
74.此外，本发明还提供了一种用于无线通信系统的发射器，发射器包括上述的超宽带大功率放大器。该发射器可以覆盖整个0.2ghz～2ghz频带。当需要覆盖0.2ghz～2ghz工作频带时，只需要一套超宽带大功率放大器即可实现，无需两套功率放大器。从而降低了成本、减小了发射器的体积及装配的复杂性。
75.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。