一种二维分布式高增益行波功率放大器的制作方法

本发明涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对射频微波收发机末端的发射模块应用的一种二维分布式高增益行波功率放大器。

背景技术：

随着无线通信系统和射频微波电路的快速发展，射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求发射机的射频与微波功率放大器具有高输出功率、高增益、高效率、低成本等性能，而集成电路正是有望满足该市场需求的关键技术。然而，当采用集成电路工艺设计实现射频与微波功率放大器芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：

(1)宽带高增益放大能力受限：传统单晶体管收到增益带宽积的影响，需要牺牲增益才能获得超宽带放大能力，因此，宽带高增益放大能力受到严重的限制。

(2)宽带高功率放大能力受限：半导体工艺中晶体管的特征频率越来越高，由此带来了低击穿电压从而限制了单一晶体管的功率容量。为了获得高功率能力，往往需要多路晶体管功率合成，但是由于多路合成网络的能量损耗导致功率放大器的效率比较低，电路无法满足低功耗或者绿色通信需求。

常见的超宽带高功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统分布式放大器，但是，传统分布式放大器要同时满足各项参数的要求十分困难，主要是因为：

①在传统的分布式功率放大器中，核心放大电路是多个单晶体管采用分布式放大排列的方式实现，由于单晶体管受到寄生参数的影响，随着工作频率升高时，其功率增益会显著降低、同时功率特性等也会显著恶化，因此为了获得超宽带平坦的放大结构，必须要牺牲低频增益来均衡高频损耗，导致传统分布式放大器的超宽带增益很低；

②为了提高放大器增益提高隔离度的影响，也有采用cascode双晶体管分布式放大结构，但是cascode双晶体管虽然增加了电路隔离度，却无法增益随频率显著恶化的趋势，也无法实现cascode双晶体管间的最佳阻抗匹配，从而降低了输出功率特性。

由此可以看出，基于集成电路工艺的超宽带射频功率放大器设计难点为：超宽带下高功率输出难度较大；传统单个晶体管结构或cascode晶体管的分布式放大结构存在很多局限性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维分布式高增益行波功率放大器，结合了三堆叠自适应放大网络技术、二维行波放大技术，具有宽带、高功率、高增益且成本低，供电网络简易等优点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种二维分布式高增益行波功率放大器，其特征在于，包括输入功分网络、第一输入人工传输线、第二输入人工传输线、第一高增益三堆叠自适应放大网络、第二高增益三堆叠自适应放大网络、第三高增益三堆叠自适应放大网络、第四高增益三堆叠自适应放大网络、漏极偏置及负载网络以及输出二维人工传输线网络；

输入功分网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与第一输入人工传输线的输入端连接，其第二输出端与第二输入人工传输线的输入端连接；

第一输入人工传输线的第一、第二输出端分别与第一高增益三堆叠自适应放大网络和第二高增益三堆叠自适应放大网络的输入端连接，第二输入人工传输线的第一、第二输出端分别与第三高增益三堆叠自适应放大网络和第四高增益三堆叠自适应放大网络的输入端连接；

第一高增益三堆叠自适应放大网络、第二高增益三堆叠自适应放大网络、第三高增益三堆叠自适应放大网络和第四高增益三堆叠自适应放大网络的输出端，分别与输出二维人工传输线网络的第一、第二、第三、第四输入端连接；

漏极偏置及负载网络的输出端与输出二维人工传输线网络的第五输入端连接；

输出二维人工传输线网络的输出端为整个功率放大器输出端。

上述方案的有益效果是：本发明采用的三堆叠自适应放大网络、二维行波放大结构具有超宽带频响特性和简化的串联分压结构，使得整个功率放大器获得了良好的宽带、高增益、高效率和高功率输出能力，同时供电网络简易。

进一步的，输入功分网络输入端连接微带线tl1,微带线tl1的另一端连接微带线tl2和微带线tl3，微带线tl2的另一端连接输入功分网络的第一输出端，微带线tl3的另一端连接输入功分网络的第二输出端；

上述进一步方案的有益效果是：本发明输入功分网络可以在结构上实现功率等分，同时微带线长度可以根据电路结构的版图需要而调整。

进一步的，第一输入人工传输线和第二输入人工传输线的输入端连接微带线tloj,微带线tloj的另一端连接第一输入人工传输线或第二输入人工传输线的第一输出端和微带线tlpj,微带线tlpj的另一端连接第一输入人工传输线或第二输入人工传输线的第二输出端和微带线tlqj,微带线tlqj的另一端连接电阻rgj,电阻rgj的另一端连接微带线tlgj,微带线tlgj的另一端连接接地电容cgj,其中j＝1,2。微带线tlg1的和接地电容cg1的连接节点还连接偏置电压vg。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的第一至第四高增益三堆叠自适应放大网络中采用的核心电路是三堆叠场效应管，可以显著提升放大器的增益以及功率容量，同时实现电路输出的高效率、高功率。

进一步的，第一高增益三堆叠自适应放大网络、或第二高增益三堆叠自适应放大网络、或第三高增益三堆叠自适应放大网络或第四高增益三堆叠自适应放大网络的输入端连接电感lpj,电感lpj的另一端连接接地电容cpj和电感loj,电感loj的另一端连接场效应晶体管mpj的栅极,场效应晶体管mpj的源极接地，场效应晶体管mpj的漏极连接场效应晶体管mqj的源极，场效应晶体管mqj的栅极连接接地电容cqj和电阻rqj，电阻rqj的另一端连接接地电阻rpj和电阻rrj的a端,场效应晶体管mqj的漏极连接场效应晶体管moj的源极，场效应晶体管moj的栅极连接接地电容coj和电阻roj,电阻roj的另一端连接电阻rrj的b端和电阻rsj,电阻rsj的另一端连接场效应晶体管moj的漏极和第一高增益三堆叠自适应放大网络、或第二高增益三堆叠自适应放大网络、或第三高增益三堆叠自适应放大网络或第四高增益三堆叠自适应放大网络的输出端，其中，j＝1、2、3、4。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的第一、二输入人工传输线除了能实现进行宽带阻抗匹配，同时保障了所述放大器良好的稳定性。

进一步的，输出二维人工传输线网络中，微带线tlout1、微带线tlout3、微带线tlout5、微带线tlout7的一端同时连接到一起，微带线tlout1的另一端连接输出二维人工传输线网络的第一输入端，微带线tlout3的另一端连接输出二维人工传输线网络的第三输入端，微带线tlout5的另一端连接输出二维人工传输线网络的第五输入端，微带线tlout5的另一端同时连接微带线tlout2、微带线tlout4和微带线tlout6，微带线tlout2的另一端连接输出二维人工传输线网络的第二输入端，微带线tlout4的另一端连接输出二维人工传输线网络的第四输入端，微带线tlout6的另一端连接隔直电容cout1,电容cout1的另一端连接微带线tlout8,微带线tlout8的另一端连接输出二维人工传输线网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输出二维人工传输线网络能实现四路射频信号的功率合成，这种人工传输线具有带宽宽，反射系数指标好等优点，可以保障了所述放大器的宽带输出功率和效率。

进一步的，漏极偏置及负载网络的输出端连接电阻rc1和微带线tlc1,微带线tlc1的另一端连接偏置电压vd和接地电容cc1,电阻rc1的另一端连接接地电容cc2。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的漏极偏置及负载网络可以保证供电稳定，虑除低频杂波。

附图说明

图1为本发明功率放大器原理框图；

图2为本发明功率放大器电路图。

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二维分布式高增益行波功率放大器，包括输入功分网络、第一输入人工传输线、第二输入人工传输线、第一高增益三堆叠自适应放大网络、第二高增益三堆叠自适应放大网络、第三高增益三堆叠自适应放大网络、第四高增益三堆叠自适应放大网络、漏极偏置及负载网络以及输出二维人工传输线网络；

如图1所示，输入功分网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端与第一输入人工传输线的输入端连接，其第二输出端与第二输入人工传输线的输入端连接；

第一输入人工传输线的第一、第二输出端分别与第一高增益三堆叠自适应放大网络和第二高增益三堆叠自适应放大网络的输入端连接，第二输入人工传输线的第一、第二输出端分别与第三高增益三堆叠自适应放大网络和第四高增益三堆叠自适应放大网络的输入端连接；

第一高增益三堆叠自适应放大网络、第二高增益三堆叠自适应放大网络、第三高增益三堆叠自适应放大网络和第四高增益三堆叠自适应放大网络的输出端，分别与输出二维人工传输线网络的第一、第二、第三、第四输入端连接；

漏极偏置及负载网络的输出端与输出二维人工传输线网络的第五输入端连接；

输出二维人工传输线网络的输出端为整个功率放大器输出端。

如图2所示，输入功分网络输入端连接微带线tl1,微带线tl1的另一端连接微带线tl2和微带线tl3，微带线tl2的另一端连接输入功分网络的第一输出端，微带线tl3的另一端连接输入功分网络的第二输出端；

第一输入人工传输线和第二输入人工传输线的输入端连接微带线tloj,微带线tloj的另一端连接第一输入人工传输线或第二输入人工传输线的第一输出端和微带线tlpj,微带线tlpj的另一端连接第一输入人工传输线或第二输入人工传输线的第二输出端和微带线tlqj,微带线tlqj的另一端连接电阻rgj,电阻rgj的另一端连接微带线tlgj,微带线tlgj的另一端连接接地电容cgj,其中j＝1,2。微带线tlg1的和接地电容cg1的连接节点还连接偏置电压vg。

第一高增益三堆叠自适应放大网络、或第二高增益三堆叠自适应放大网络、或第三高增益三堆叠自适应放大网络或第四高增益三堆叠自适应放大网络的输入端连接电感lpj,电感lpj的另一端连接接地电容cpj和电感loj,电感loj的另一端连接场效应晶体管mpj的栅极,场效应晶体管mpj的源极接地，场效应晶体管mpj的漏极连接场效应晶体管mqj的源极，场效应晶体管mqj的栅极连接接地电容cqj和电阻rqj，电阻rqj的另一端连接接地电阻rpj和电阻rrj的a端,场效应晶体管mqj的漏极连接场效应晶体管moj的源极，场效应晶体管moj的栅极连接接地电容coj和电阻roj,电阻roj的另一端连接电阻rrj的b端和电阻rsj,电阻rsj的另一端连接场效应晶体管moj的漏极和第一高增益三堆叠自适应放大网络、或第二高增益三堆叠自适应放大网络、或第三高增益三堆叠自适应放大网络或第四高增益三堆叠自适应放大网络的输出端，其中，j＝1、2、3、4。

输出二维人工传输线网络中，微带线tlout1、微带线tlout3、微带线tlout5、微带线tlout7的一端同时连接到一起，微带线tlout1的另一端连接输出二维人工传输线网络的第一输入端，微带线tlout3的另一端连接输出二维人工传输线网络的第三输入端，微带线tlout5的另一端连接输出二维人工传输线网络的第五输入端，微带线tlout5的另一端同时连接微带线tlout2、微带线tlout4和微带线tlout6，微带线tlout2的另一端连接输出二维人工传输线网络的第二输入端，微带线tlout4的另一端连接输出二维人工传输线网络的第四输入端，微带线tlout6的另一端连接隔直电容cout1,电容cout1的另一端连接微带线tlout8,微带线tlout8的另一端连接输出二维人工传输线网络的输出端。

漏极偏置及负载网络的输出端连接电阻rc1和微带线tlc1,微带线tlc1的另一端连接偏置电压vd和接地电容cc1,电阻rc1的另一端连接接地电容cc2。

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rfin进入电路，等分成两路信号，进入第一、第二输入人工传输线，通过第一、第二输入人工传输线进行阻抗变换匹配后，同时进入第一至第四高增益三堆叠自适应放大网络的输入端，通过放大网络进行功率放大后同时从第一至第四高增益三堆叠自适应放大网络的输出端输出，再经过输出二维人工传输线网络后，将四路信号合成为一路信号从输出端rfout输出。

基于上述电路分析，本发明提出的一种二维分布式高增益行波功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用二维分布式的三堆叠场效应管：

三堆叠场效应管与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；

二维分布式的三堆叠场效应管与传统分布式场效应管的不同在于，传统分布式功率放大器只有一个输入人工传输线，和一条输出人工传输线，尤其晶体管的输入阻抗较高时，要实现50欧姆匹配，往往需要进行电容分压，从而恶化输入匹配特性，高频滚降较严重，增益平坦度指标较差；而本发明的二维分布式的三堆叠场效应管，有两条输入人工传输线，和一条共用的输出人工传输线，等效为两条100欧姆的输入人工传输线并联，输入阻抗匹配较好，同时，输出匹配采用共用传输线的形式，在与传统分布式功率放大器等功率的条件下，可以显著改善效率和功率指标。

在整个二维高增益行波功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。