一种改善相位线性度的宽带高效率功率放大器的制作方法

本发明涉及射频单片微波集成电路，尤其涉及一种改善相位线性度的宽带高效率功率放大器。

背景技术：

1、宽带功率mmic(单片微波集成电路)器件以其体积小、功率大、一致性好、可靠性高等优势，广泛应用于现代雷达、仪器仪表等系统中。这不仅使得效率、功率和噪声等关键指标要求越来越高，面对不断增长的带宽，功率放大器件的相位线性度因会影响雷达的成像精度也受到越来越多的关注。

2、功率放大器工作在饱和状态，漏极电压基本不变，负载输出电压被限幅，出现am-am(幅度调制-幅度调制)和am-pm(幅度调制-相位调制)失真，即相位和幅度都出现了压缩，在相位上表现为非线性相移。又由于功率放大器电路中存在储能元件电感l和电容c，而电感l和电容c的阻抗都和频率相关，这使得放大器的源阻抗和负载阻抗也随频率变化。因此带内各频点的相位失真程度也各不相同，此时带宽内不同频点非线性相移的差值称为相位线性度。

3、传统的改善功率放大器相位线性度的方式一般需要额外增加电路或功能模块来调节相位线性度。成本较高，结构更复杂，对原有电路改动较大，不利于集成并实现mmic器件的小型化。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种改善宽带高效率功率放大器相位线性度指标的方法，利用晶体管与滤波匹配网络的群时延特性，实现电抗式三级放大拓扑级间相位非线性的相互抵消，以改善宽带功率放大器的相位线性度。

2、技术方案：本发明的宽带高效率功率放大器，包括依次连接输入匹配网络、第一级晶体管、第一级级间匹配网络、第二级晶体管、第二级级间匹配网络、末级晶体管和输出匹配网络，所述第一级晶体管、第二级晶体管、输入匹配网络、第一级级间匹配网络和第二级级间匹配网络通过进行群延时调制，调整相位包络，补偿末级晶体管和输出匹配网络相位变化，实现改善整体功放电路的相位线性度。

3、进一步，所述输入匹配网络由依次连接的t型衰减电路与第一级晶体管输入匹配电路组成，所述第一级级间匹配网络由依次连接的第一级晶体管输出匹配电路、第一串联rlc谐振电路、第二级晶体管输入匹配电路组成，所述第二级级间匹配网络由依次连接的第二级晶体管输出匹配电路、第二串联rlc谐振电路、第三级晶体管输入匹配电路组成，所述输出匹配网络由依次连接的第三级晶体管输出匹配电路与隔直电容组成。

4、进一步，所述t型衰减电路由第一/第二串联电阻、并联电阻与并联微带构成，第一串联电阻的一端连接输入端，另一端分别连接第二串联电阻和并联电阻；并联微带与并联电阻串联连接，第二串联电阻的另一端与第一级晶体管输入匹配电路连接；通过调整第一串联电阻与并联电阻，调整输入匹配网络的驻波与增益和调制输入匹配网络的群时延特性。

5、进一步，所述第一串联rlc谐振电路由第三串联电阻、第一串联微带与第一/第二/第三串联电容构成，第一串联电容一端连接第一级晶体管输出匹配电路、另一端分别连接第一串联微带和第三串联电容；第二串联电容与第一串联微带串联连接，第三串联电阻与第三串联电容串联连接，第二串联电容的另一端和第三串联电阻的另一端均与第二级晶体管输入匹配电路连接；通过调整第三串联电阻、第一串联微带与第一/第二/第三串联电容，调整第一级级间匹配网络的增益平坦度和调制第一级级间匹配网络的群时延特性，其中，调整第三串电阻能够降低第一级级间匹配网络的群延时绝对值，调整第一串联微带与第一/第二/第三串联电容能够实现固定谐振频点的群延时包络负向凸起，继而实现第一级级间匹配网络相位包络的调整。

6、进一步，所述第二串联rlc谐振电路由第四串联电阻、第二串联微带与第四/第五/第六串联电容构成，第四串联电容一端与第二级晶体管输出匹配电路连接、另一端分别与第二串联微带和第六串联电容连接，第五串联电容与第二串联微带串联连接，第四串联电阻与第六串联电容串联连接，第五串联电容的另一端、第四串联电阻的另一端均与第三级晶体管输入匹配电路连接；通过调整第二串联rlc谐振电路中的第四串联电阻、第二串联微带与第四/第五/第六串联电容，调整第二级级间匹配网络的增益平坦度和调制第二级级间匹配网络的群时延特性，其中，调整第四串联电阻能够降低第二级级间匹配网络的群延时绝对值，调整第二串联微带与第四/第五/第六串联电容能够实现固定谐振频点的群延时包络负向凸起，继而实现第二级级间匹配网络相位包络的调整；同时需要调整第二串联rlc谐振电路中各元器件参数，确保第二串联rlc谐振电路与第三级晶体管输入匹配电路适配。

7、进一步，各晶体管单元的物理结构类型为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管或异质结双极晶体管。

8、本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

9、本发明无需对传统高效功放末级匹配状态调整，保证效率无明显恶化的基础上，通过优化输入匹配网络中t型衰减器与第一、二级级间匹配网络中rlc谐振电路的无源元件参数值，调整前两级放大电路的群延时包络，与末级放大电路的群延时包络呈倒置关系，补偿末级管芯的相位非线性，提高了整体功放的相位线性度指标；与现有的相位线性化技术相比，不需增加附加电路或功能模块，不增加产品成本，可操作性强；在工作频率范围内，实现将功放全频带内相位线性度控制在±3°以内，并保证功率效率恶化幅度不超过1％。

技术特征：

1.一种改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，包括依次连接输入匹配网络(101)、第一级晶体管(105)、第一级级间匹配网络(102)、第二级晶体管(106)、第二级级间匹配网络(103)、末级晶体管(107)和输出匹配网络(104)，其特征在于：

2.根据权利要求1所述改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络(101)由依次连接的t型衰减电路(201)与第一级晶体管输入匹配电路(202)组成，所述第一级级间匹配网络(102)由依次连接的第一级晶体管输出匹配电路(203)、第一串联rlc谐振电路(204)、第二级晶体管输入匹配电路(205)组成，所述第二级级间匹配网络(103)由依次连接的第二级晶体管输出匹配电路(206)、第二串联rlc谐振电路(207)、第三级晶体管输入匹配电路(208)组成，所述输出匹配网络(104)由依次连接的第三级晶体管输出匹配电路(209)与隔直电容(237)组成。

3.根据权利要求2所述改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述t型衰减电路(201)由第一/第二串联电阻(211、212)、并联电阻(213)与并联微带(221)构成，第一串联电阻(211)的一端连接输入端(rfin)，另一端分别连接第二串联电阻(212)和并联电阻(213)；并联微带(221)与并联电阻(213)串联连接，第二串联电阻(212)的另一端与第一级晶体管输入匹配电路(202)连接；通过调整第一串联电阻(211)与并联电阻(213)，调整输入匹配网络(101)的驻波与增益和调制输入匹配网络(101)的群时延特性。

4.根据权利要求2所述改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述第一串联rlc谐振电路(204)由第三串联电阻(214)、第一串联微带(222)与第一/第二/第三串联电容(231、232、233)构成，第一串联电容(231)一端连接第一级晶体管输出匹配电路(203)、另一端分别连接第一串联微带(222)和第三串联电容(233)；第二串联电容(323)与第一串联微带(222)串联连接，第三串联电阻(214)与第三串联电容(233)串联连接，第二串联电容(323)的另一端和第三串联电阻(214)的另一端均与第二级晶体管输入匹配电路(205)连接；通过调整第三串联电阻(214)、第一串联微带(222)与第一/第二/第三串联电容(231、232、233)，调整第一级级间匹配网络(102)的增益平坦度和调制第一级级间匹配网络(102)的群时延特性，其中，调整第三串电阻(214)能够降低第一级级间匹配网络(102)的群延时绝对值，调整第一串联微带(222)与第一/第二/第三串联电容(231、232、233)能够实现固定谐振频点的群延时包络负向凸起，继而实现第一级级间匹配网络(102)相位包络的调整。

5.根据权利要求2所述改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述第二串联rlc谐振电路(207)由第四串联电阻(215)、第二串联微带(223)与第四/第五/第六串联电容(234、235、236)构成，第四串联电容(234)一端与第二级晶体管输出匹配电路(206)连接、另一端分别与第二串联微带(223)和第六串联电容(236)连接，第五串联电容(235)与第二串联微带(223)串联连接，第四串联电阻(215)与第六串联电容(236)串联连接，第五串联电容(235)的另一端、第四串联电阻(215)的另一端均与第三级晶体管输入匹配电路(208)连接；通过调整第二串联rlc谐振电路(207)中的第四串联电阻(215)、第二串联微带(223)与第四/第五/第六串联电容(234、235、236)，调整第二级级间匹配网络(103)的增益平坦度和调制第二级级间匹配网络(103)的群时延特性，其中，调整第四串联电阻(215)能够降低第二级级间匹配网络(103)的群延时绝对值，调整第二串联微带(223)与第四/第五/第六串联电容(234、235、236)能够实现固定谐振频点的群延时包络负向凸起，继而实现第二级级间匹配网络(103)相位包络的调整；同时需要调整第二串联rlc谐振电路(207)中各元器件参数，确保第二串联rlc谐振电路(207)与第三级晶体管输入匹配电路(208)适配。

6.根据权利要求1-5任一项所述改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，其特征在于，各晶体管的物理结构类型为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管或异质结双极晶体管。

技术总结
本发明公开了一种改善相位线性度的宽带高效率功率放大器，包括依次连接输入匹配网络、第一级晶体管单元、第一级级间匹配网络、第二级晶体管单元、第二级级间匹配网络、末级晶体管单元和输出匹配网络，所述第一级晶体管、第二级晶体管、输入匹配网络、第一级级间匹配网络和第二级级间匹配网络通过进行群延时调制，调整相位包络，补偿末级晶体管和输出匹配网络相位变化，实现改善整体功放电路的相位线性度。本发明能实现将功放全频带内相位线性度控制在±3°以内，并保证功率效率恶化幅度不超过1％。

技术研发人员：张巍,刘宪锁,伍园,陶洪琪,夏德娇,吴瑞南,陶海阳
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25