一种新型高频宽带功率放大器的制作方法

本发明涉及功率放大器领域，具体涉及一种新型高频宽带功率放大器。

背景技术：

在MMIC(单片微波集成电路)设计中，高频宽带功率放大器是需求非常广的一种电路，比如在信号发生器和矢量网络分析仪等测试仪器领域有着广泛的应用。随着对测试仪器往毫米波频段、大功率、小型化方向发展的需求，传统的高频宽带功率放大器的设计方法已无法满足使用要求，特别是当频率发展到毫米波频段以上。因此，找到一种新的高频宽带功率放大器的设计方法就显得非常必要。

目前，高频宽带功率放大器的设计方法如下：

1、平衡式设计方法：该方法是由n级单级级联的电路和输入输出端的lange耦合器构成，其简化的设计方法如图1所示。设计方法：先设计单级级联电路的最后一级，按照最大功率输出设计匹配电路，在往前一级一级逐步匹配设计，最后将整个单级级联电路与两个lange耦合器一同构成以实现平衡式设计方法。虽然此方法能满足高频、宽带和大功率的输出，但由于是电路形式完全相同的两路通过耦合器合成的，功耗就大了一倍，在MMIC设计中，相应的面积大了一倍，这使得成本也提高了一倍。

2、负反馈设计方法：该方法意味着晶体管的部分输出信号被送到输入端口，并与输入信号反向叠加，利用反馈信号抵消部分输入信号，使输入信号减小，降低增益，扩展带宽。负反馈电路包括源极(或发射极)串联负反馈和漏极(集电极)并联负反馈，在宽带放大器设计中，通常采用的是漏极(集电极)并联负反馈电路，其简化的设计方法如图2所示。其中，Lfb为反馈环路引入一个随频率变化的相位，低频时不起作用，高频时，Lfb的阻抗随频率变高而增加，降低了高频的反馈量，从而控制增益平坦度；Rfb控制增益的大小，也会对反馈相位产生影响；Cfb是隔直电容，由于其占用的面积比较大，同样会对反馈相位产生影响。实际设计中，必须通过CAD仿真软件进行优化，才能达到最好的效果。虽然此方法也能满足高频、宽带和大功率的输出，但由于部分输出信号被送到输入端口，并与输入信号反向叠加，引起增益降低，导致了效率降低。

3、分布式设计方法：该方法是把晶体管的输入输出电容和输入输出电阻分别吸收到输入输出传输线中，由多条传输线和多个晶体管构成分布式有损传输线。如果设计合理，使输入传输线和输出传输线传播相位一致，就能使信号由晶体管逐次放大，从而构成理论上没有频率限制的宽带放大器，其简化的设计方法如图3所示。虽然此方法能大大地拓宽频带，但由于每个晶体管的输出电流只有一半向右传输成为有用电流，而向左传输的反向电流被负载吸收，白白浪费，导致效率非常低，一般只有20％左右。另外，在输出传输线上，在向左和向右传输的电流波的共同作用下，线上的电压分布不再均匀，使得每个器件的工作状态随工作频率的不同而发生变化，导致微波电流的相位变化不一致，不能在输出端同相叠加，从而影响了放大器的性能。

技术实现要素：

针对现有的高频宽带功率放大器存在的效率低、成本高和性能不稳定的问题，本发明提供了一种新型高频宽带功率放大器。

本发明采用以下的技术方案：

一种新型高频宽带功率放大器，包括扩展频率带宽电路、宽带匹配电路和功率放大电路，所述扩展频率带宽电路包括第一电源、第二电源和输入端，第一电源与输入端之间依次串联有电阻、第一电感器和第一电容，在第一电感器的两端并联有第一晶体管和第二晶体管，第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极之间连接有第二电感器，第二晶体管的漏极与第二电源之间连接有第三电感器，所述宽带匹配电路包括微带线，所述第一晶体管的漏极通过第二电容与微带线相连，所述功率放大电路包括第三晶体管、第四晶体管和输出端，所述微带线与第三晶体管的栅极相连，第三晶体管的漏极与第四晶体管的栅极之间连接有第三电容，第四晶体管的漏极与输出端之间连接有第四电容，第三晶体管的漏极与第四晶体管的漏极分别通过第四电感和第五电感与第二电源相连，第三晶体管栅极和第四晶体管的栅极分别通过第六电感和第七电感与第一电源相连。

优选地，所述第一电感器的两端分别与第一晶体管的栅极和第二晶体管的栅极相连。

优选地，所述第一电源和第二电源的一端均接地。

优选地，所述第一晶体管的源极、第二晶体管的源极、第三晶体管的源极和第四晶体管的源极均接地。

优选地，所述第一电容、第三电容和第四电容的电容量均为0.04pF至0.2pF，第二电容的电容量为1pF至2.5pF。

本发明具有的有益效果是：

在电路的输入端，采用了两个个晶体管并联的设计方法，扩展频率带宽。在并联晶体管的供电方式上，两个晶体管的栅极共用第一电源，两个晶体管的漏极共用第二电源，同时，第一电感器、第二电感器和第三电感器都既可以作为偏置加电电路，又可以作为两个晶体管之间的匹配电路，这样设计减少了器件的数量，简化了电路形式，减小了电路尺寸，提高了设计的成功率和成品率。

在并联晶体管与后级级联的匹配上，采用低阻微带线方式实现宽频带内匹配，不会引起带宽变窄。输出端采用单级级联方式，按照最大传输功率匹配，保证最大功率输出，提高效率。

本发明提出的新型高频宽带功率放大器，确保了同时满足高频率、宽频带、大功率输出的前提下，电路设计形式简单、尺寸小、效率高、成本低，并且保证了输入端口良好的驻波特性，电路设计稳定，放大器性能良好。

附图说明

图1为高频宽带功率放大器的平衡式设计方法原理图。

图2为高频宽带功率放大器的负反馈设计方法原理图。

图3为高频宽带功率放大器的分布式设计方法原理图。

图4为本发明的高频宽带功率放大器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进行具体的说明：

结合图1至图4，一种新型高频宽带功率放大器，包括扩展频率带宽电路、宽带匹配电路和功率放大电路。

其中，扩展频率带宽电路包括第一电源1、第二电源2和输入端，第一电源1与输入端之间依次串联有电阻3、第一电感器4和第一电容5，在第一电感器4的两端并联有第一晶体管6和第二晶体管7，第一电感器4的两端分别与第一晶体管6的栅极和第二晶体管7的栅极相连。第一晶体管6的漏极与第二晶体管7的漏极之间连接有第二电感器8，第二晶体管7的漏极与第二电源2之间连接有第三电感器9。第一晶体管6和第二晶体管7的匹配电感作为偏置供电的一部分。

宽带匹配电路包括微带线10，第一晶体管6的漏极通过第二电容11与微带线10相连，微带线阻抗约为50欧姆。

功率放大电路包括第三晶体管12、第四晶体管13和输出端，微带线10与第三晶体管12的栅极相连，第三晶体管12的漏极与第四晶体管13的栅极之间连接有第三电容16，第四晶体管13的漏极与输出端之间连接有第四电容19，第三晶体管12的漏极与第四晶体管13的漏极分别通过第四电感15和第五电感18与第二电源2相连，第三晶体管12栅极和第四晶体管13的栅极分别通过第六电感14和第七电感17与第一电源1相连。

具体的，第一电源1和第二电源2的一端均接地，第一晶体管6的源极、第二晶体管7的源极、第三晶体管12的源极和第四晶体管13的源极均接地。

第一电容5、第三电容14和第四电容15的电容量均为0.04pF至0.2pF，第二电容11的电容量为1pF至2.5pF。电阻3的阻值在几百欧姆至几千欧姆之间。

我们知道，单个晶体管很难实现宽频率的带宽，而且输入都是高阻的，进行匹配比较困难，特别是在毫米波频段的前提下，既要实现扩展频率带宽，又要实现宽频带的匹配就更困难，常规的匹配方法就不适用。而将晶体管进行并联，就会拓展频率带宽，降低输入阻抗，再进行简单的匹配即可实现整个毫米波宽频带内良好的特性。

因此，本发明在输入端采用第一晶体管6和第二晶体管7并联的方式，在毫米波频段上实现了至少一个倍频程的带宽。理论上，并联的晶体管个数增加，带宽会逐渐增大，但是，电路的尺寸也会相应加大，而并联两个晶体管已经达到扩展频率带宽的目的，为了减小电路尺寸，本发明采用第一晶体管和第二晶体管并联。在两个并联晶体管的供电方式上，两个晶体管的栅极共用第一电源，其中第一电感器既可作为偏置加电电路，又可作为两个晶体管之间的匹配电路；同理，两个并联的晶体管的漏极共用第二电源，其中第二电感器和第三电感器也是既可作为偏置加电电路，又可作为两个晶体管之间的匹配电路。这样设计的目的在于减少器件的数量，简化电路形式，减小尺寸，降低设计难度，提高了设计的成功率和成品率。

输入端的并联电路虽然拓宽了频率带宽，但是这样的电路输出功率并不会很大，因此，后级电路不能再采用相同的电路设计方法。为了能最大功率的输出，后级电路采用单级级联方式，然而，单级级联的带宽并不能满足毫米波宽带的要求，如何将输入端拓宽的频带顺利的传递到后面的单级级联电路上，是一个必须解决的问题。本发明为了将输入端的宽频带传递到后级电路中，在输入端与后级电路的匹配上，采用了接近50欧姆的微带线的低阻线，能很好将带宽传递到后级电路中，并不会引起带宽变窄。

后级级联电路可以按照负载牵引电路的方法，找到传输最大功率的输出阻抗，并将其匹配至负载阻抗，即可得到毫米波宽频带内的最大输出功率，提高效率。

本发明提出的新型高频宽带功率放大器，确保了同时满足高频率、宽频带、大功率输出的前提下，电路设计形式简单、尺寸小、效率高、成本低，并且保证了输入端口良好的驻波特性，电路设计稳定，放大器性能良好。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。