[發明專利]基于GaNMMIC功率放大器的混合集成有源環行器

有效

• 申請號: 201410064306.3
• 申請日: 2014-02-25
• 公開（公告）號: CN104868212B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 車文荃;顧黎明;蔡奇;馮文杰;陳海東
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01P1/387
• 分類號: H01P1/387
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于微波毫米波混合集成電路，特別是一種基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源環行器。

背景技術

在連續波體制的微波、毫米波系統的收發組件中，環形器常被用來隔離發送信號和接收信號。目前通常使用的是無源環形器，利用鐵氧體材料的固有特性來實現器件的非互易特性。基于鐵氧體材料的器件通常具有損耗低、穩定性高以及功率容量大等優點，但是它的體積較大，而且鐵氧體材料在半導體工藝中很難集成，因此不能滿足當今系統集成化、小型化的需求。用雙極結晶體管（BJT）和高電子遷移率晶體管（HEMT）設計的有源環形器，除了具備基本的環行器的非互易特性外，其尺寸更小，并且采用的是半導體工藝技術，所以非常適用于系統或模塊的集成化設計。

當前，有源環形器一般采用印刷電路板（PCB）或微波單片集成電路（MMIC）的工藝來實現。對于純PCB實現方式，所設計的電路應用頻率會受到限制，并且匹配電路和直流偏置電路等外圍電路會使得整體電路尺寸較大。而MMIC工藝則可以使整體電路的尺寸非常緊湊。當前比較成熟的工藝是互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術，已經有不少的研究者做了一些研究工作。但基于CMOS工藝的電路功率容量較小，擊穿電壓也相對較低，通常被應用于消費類電子，或要求低功耗的場合，并不能用于目前高速發展的民用或軍用相控陣雷達，因為雷達的發射功率通常較高，需要系統中各子電路均能夠承受較高的功率，因此，基于CMOS工藝的器件或電路并不能適應當前高功率雷達發射系統的應用需求。

無源環形器一般由鐵氧體材料制成，具有插入損耗低、功率損失小、穩定性高以及功率容量大等優點，但是它的體積大，重量大，需要額外的磁偏置，并且難以用于單片集成設計，所以無法適應當今通信系統集成化、小型化的需求。而在當前基于微波混合集成電路工藝或單片集成電路工藝的有源環形器中，互補型金屬氧化物半導體（CMOS）工藝最為常見，但其只能應用于較低功率的應用場合，無法滿足當前機載雷達，空基預警等需求。而對于已經非常成熟的GaAs HEMT器件，則需要較大尺寸的晶體管，從而使晶體管的輸入輸出阻抗較小，寄生電容較大，給設計帶來了較大的麻煩，并且提高了成本。而隨著第三代半導體材料GaN的問世，其高功率密度，高崩潰電壓等優異的特性引起了廣泛的關注，當前已有的混合集成有源環行器的設計通常基于封裝的未匹配晶體管，在設計時需要在外圍設計輸入輸出匹配電路以及其它電路，因此導致集成度較低，體積較大，功率容量低。

發明內容

本發明的目的是提供一種集成度高、電路體積小、功率容量高的基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源環行器。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源環行器，包括第一威爾金森功分器、第二威爾金森功分器、第三威爾金森功分器、第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器，所述三個功率放大器均采用AlGaN/GaN HEMT工藝加工于一個單片上，三個威爾金森功分器均在PCB上加工，威爾金森功分器與功率放大器之間通過金絲鍵合線進行互連；

所述第一威爾金森功分器的功率合成端口即為發射端口，第一威爾金森功分器的一個功分端口通過第二金絲鍵合線BW2與第一功率放大器的射頻輸入端口連接、另一個功分端口通過第一金絲鍵合線BW1與第三功率放大器的射頻輸出端口連接；第一功率放大器的射頻輸出端口與第二威爾金森功分器的一個功分端口通過第五金絲鍵合線BW5連接，第二威爾金森功分器的功率合成端口即為天線端口，第二威爾金森功分器的另一個功分端口與第二功率放大器的射頻輸入端口通過第六金絲鍵合線BW6連接；第二功率放大器的射頻輸出端口通過第九金絲鍵合線BW9與第三威爾金森功分器的一個功分端口連接，第三威爾金森功分器的功率合成端口即為接收端口，第三威爾金森功分器的另一個功分端口通過第十金絲鍵合線BW10與第三功率放大器的射頻輸入端口連接。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：（1）電路尺寸更小，結構設計簡單易行，適用于集成電路設計；（2）采用GaN功率放大器，使電路的功率容量更大，適用于高功率場合；（3）更加切合實際應用，且應用范圍很廣。

附圖說明

圖1為本發明基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源環行器的電路原理圖。

圖2為本發明基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源環形器的電路俯視圖。

圖3為本發明混合集成有源環形器的傳輸增益和回波損耗測試結果圖。