[发明专利]一种对源和负载阻抗不敏感的高功率高效率功率放大器

说明书

技术领域

本发明属于场效应晶体管微波毫米波功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种对源和负载阻抗不敏感的高功率高效率功率放大器的设计。

背景技术

随着3G、4G-LTE等民用通信市场的快速发展，以及5G通信的前期布局，微波毫米波前端发射器也向微波毫米波频段高功率、高集成、高效率的方向发展；此外，由于MIMO技术的广泛应用，系统对末端功率放大器的对于负载阻抗敏感度提出了严峻的考验，因此市场迫切的需求针对微波毫米波频段的低负载阻抗敏感度、高功率、高效率功率放大器芯片。

然而，在微波毫米波功率放大器芯片设计中，一直存在一些设计难题，具体体现为：

(1)传统平衡型放大器中低负载阻抗敏感度与高效率指标相互制约：由于微波毫米波前端发射器中的功率放大器的输出端需要连接一个驻波特性较差的天线，该天线对于微波毫米波功率放大器的低负载阻抗敏感度提出了严峻的挑战；现有基于兰格结构实现90°相移的平衡型功率放大器在改进负载阻抗敏感度的同时，往往在输入和输出匹配网络引入较大的带内插损，从而降低功率放大器的效率；现有基于双路移相结构实现±45°相移的平衡型功率放大器的负载阻抗敏感度和输出功率仍然有较大的改善空间。因此，现有平衡型放大器中低负载阻抗敏感度与高效率指标相互制约。

(2)微波毫米波频段传统平衡型放大器高功率、高增益指标设计难度较大：由于未来5G市场的驱使，微波毫米波前端发射机迫切需要高增益、高功率、高效率、低负载阻抗敏感度功率放大器，但是现有的毫米波频段的应用电路必须采用栅长较小的半导体工艺晶体管，受到其低击穿电压的影响，功率放大器的电压摆幅将受到较大的限制，因此也就限制了功率晶体管的功率容量。

最典型的低负载阻抗敏感度的放大器是采用90°相移兰格结构的平衡功率放大器，但是，在微波毫米波频段，传统兰格平衡放大器仍然存在一些设计不足，主要体现在：

(1)低负载阻抗敏感度与高效率指标设计难度较大。

为了提高电路的低负载阻抗敏感度，设计者往往需要利用兰格结构实现两路平衡结构信号的90°的相移，还要尽可能的降低引入的带内损耗，同时保证两路平衡信号具有近似相同的带内损耗，此外，还需要配合其他匹配结构实现晶体管的输入与输入端口的阻抗匹配，这大大增加了电路的设计复杂度和难度。设计者为了折中各个设计指标，往往需要通过引入一定的带内损耗来实现90°的相移和阻抗匹配，这就大大降低了功率放大器的效率指标。

(2)毫米波段高功率晶体管阻抗匹配难度较大。

由于放大器工作在毫米波段，单个晶体管的功率容量有限，设计者为了获得较高的功率容量，往往需要2n倍的功率合成结构，这种结构往往导致输出网络具有很低的最佳负载阻抗，这种低负载阻抗又将导致微波毫米波段平衡型放大器的阻抗匹配难度加大。

发明内容

本发明的目的是提出一种对源和负载阻抗不敏感的高功率高效率功率放大器，利用三晶体管堆叠技术和与之对应的±45°和±135°移相输入与输出匹配网络，实现微波毫米波频段高增益、高效率、低负载阻抗敏感度等指标。

本发明的技术方案为：一种对源和负载阻抗不敏感的高功率高效率功率放大器，包括第一移相输入匹配网络、第二移相输入匹配网络、第三移相输入匹配网络、第四移相输入匹配网络、第五移相输入匹配网络、第六移相输入匹配网络、四路平衡型三堆叠功率放大网络、第一移相输出匹配网络、第二移相输出匹配网络、第三移相输出匹配网络、第四移相输出匹配网络、第五移相输出匹配网络、第六移相输出匹配网络、第一供电偏置网络以及第二供电偏置网络。

第一移相输入匹配网络的输入端与第二移相输入匹配网络的输入端相连作为整个功率放大器的输入端；第五移相输出匹配网络的输出端与第六移相输出匹配网络的输出端相连作为整个功率放大器的输出端。功率放大器的输入端还连接有隔直电容C₁。

第一移相输入匹配网络的输出端分别与第三移相输入匹配网络的输入端以及第四移相输入匹配网络的输入端连接；第二移相输入匹配网络的输出端分别与第五移相输入匹配网络的输入端以及第六移相输入匹配网络的输入端连接；第五移相输出匹配网络的输入端分别与第一移相输出匹配网络的输出端以及第二移相输出匹配网络的输出端连接；第六移相输出匹配网络的输入端分别与第三移相输出匹配网络的输出端以及第四移相输出匹配网络的输出端连接。