[发明专利]矩阵功率放大器

说明书

一种功率放大器包括通过将多个有源单元的主端子串联堆叠而形成的N×M个有源单元的二维矩阵。堆叠体被并联耦合以形成所述二维矩阵。所述功率放大器包括一个驱动器结构，用以协调所述有源单元的驱动，以使得所述二维矩阵的有效输出功率约是所述有源单元中的每个的输出功率的N×M倍。

背景

本发明涉及功率放大器，例如，包括晶体管的至少二维矩阵(matrix，阵列)并且可以被调谐以匹配天线或其他负载的阻抗的功率放大器。

晶体管是可以放大被输入到控制端子的控制信号的器件。晶体管可以由各种不同的材料制成，可以具有各种不同的几何结构，且可以根据各种不同的物理机制运行。示例材料包括硅、砷化镓、氮化镓和碳化硅。这些和其他材料可以用来形成诸如双极晶体管和场效应晶体管的器件，所述器件包括绝缘控制端子(例如，IGBT、MOSFET、HEMT或HFET)，或包括由PN结制成的控制端子(例如，BJT或JFET)。

无论材料和器件结构如何，个体晶体管全都具有对其安全运行范围的基本限制。例如，如果跨主端子施加过大的电压，则可能发生电介质击穿并且晶体管可能被损坏或毁坏。作为另一个例子，如果过大的电流在主端子之间流动，则晶体管也可能被损坏或毁坏。

尽管个体晶体管的运行范围可能适合于一些应用，但是它们可能不足以满足其他应用的要求。例如，一些应用可能要求超过甚至精心设计的晶体管的击穿电压的电压或超过甚至精心设计的晶体管的峰值电流的电流。这样的应用的例子包括用于传输例如雷达信号和通信信号(例如，用于军事背景和民用背景中的卫星通信和地面广播)的驱动天线。

在这样的应用中，个体晶体管可以被分组，以将大电压和/或电流作为一组处理。例如，个体晶体管可以被堆叠(或“串联堆叠”)，以使得流动通过该堆叠体(stack)中的第一晶体管的主端子的几乎所有电流也流动通过该堆叠体中的在后的晶体管的主端子。该堆叠体中的晶体管中的每个支持驱动此电流的电压的一部分。整个晶体管堆叠体上支持的总电压可以超过个体晶体管的击穿电压。

作为另一个例子，个体晶体管可以被并联，以使得基本上相同的电压被耦合在多个晶体管的主端子之间。当多个晶体管导通时，流动通过该组的净电流可以超过个体组成晶体管的峰值电流。

在理想化的小信号模型中，从信号源到负载的功率传递(transfer，转移)可以通过将该源的输出阻抗(也称为“源阻抗”)与负载的阻抗相匹配来改善。在这样的模型中，当在无限频率范围内负载的阻抗恰好等于源阻抗的复共轭时，最大可能功率被传递。

然而，在现实世界的大信号应用中，“源阻抗”未被恰当地定义，或严格地说，由于缺乏线性度或缺少叠加定律而不存在。然而，理论和实践显示，对于负载阻抗的某些值，功率的足够大的部分被传递(即，功率附加效率(PAE)足够高)。本文中使用术语“最佳负载阻抗”来表征在感兴趣的运行频率的范围内功率的足够大的部分被传递的情况。

发明内容

描述了包括有源单元(active cell)的至少一二维矩阵的功率放大器。所述有源单元通常是个体晶体管。晶体管的二维矩阵由并联耦合的多个有源单元的堆叠体形成，因此形成“二维矩阵”。矩阵中的每个堆叠体可以在传导给定的电流的同时支持相对大的电压。因此，每个堆叠体可以被认为是具有其自己的——相对大的——最佳负载阻抗的源。然而，由于堆叠体被并联耦合，因此二维矩阵具有的净阻抗是组成堆叠体的阻抗的一部分。因此，矩阵的阻抗作为整体可以被定制以匹配负载的阻抗并且在感兴趣的运行频率范围内传递功率的相对大的部分。