[發明專利]矩陣功率放大器

在審

• 申請號: 201680084383.2
• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN109075750A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: F·范瑞
• 申請（專利權）人: 弗勞恩霍夫應用研究促進協會
• 主分類號: H03F3/24
• 分類號: H03F3/24;H03F1/52;H03F1/02;H03F1/56;H03F3/195;H03F3/42;H03F3/45;H03F3/60
• 代理公司: 北京匯知杰知識產權代理事務所(普通合伙) 11587
• 代理人: 李潔;董江虹

一種功率放大器包括通過將多個有源單元的主端子串聯堆疊而形成的N×M個有源單元的二維矩陣。堆疊體被并聯耦合以形成所述二維矩陣。所述功率放大器包括一個驅動器結構，用以協調所述有源單元的驅動，以使得所述二維矩陣的有效輸出功率約是所述有源單元中的每個的輸出功率的N×M倍。

背景

本發明涉及功率放大器，例如，包括晶體管的至少二維矩陣(matrix，陣列)并且可以被調諧以匹配天線或其他負載的阻抗的功率放大器。

晶體管是可以放大被輸入到控制端子的控制信號的器件。晶體管可以由各種不同的材料制成，可以具有各種不同的幾何結構，且可以根據各種不同的物理機制運行。示例材料包括硅、砷化鎵、氮化鎵和碳化硅。這些和其他材料可以用來形成諸如雙極晶體管和場效應晶體管的器件，所述器件包括絕緣控制端子(例如，IGBT、MOSFET、HEMT或HFET)，或包括由PN結制成的控制端子(例如，BJT或JFET)。

無論材料和器件結構如何，個體晶體管全都具有對其安全運行范圍的基本限制。例如，如果跨主端子施加過大的電壓，則可能發生電介質擊穿并且晶體管可能被損壞或毀壞。作為另一個例子，如果過大的電流在主端子之間流動，則晶體管也可能被損壞或毀壞。

盡管個體晶體管的運行范圍可能適合于一些應用，但是它們可能不足以滿足其他應用的要求。例如，一些應用可能要求超過甚至精心設計的晶體管的擊穿電壓的電壓或超過甚至精心設計的晶體管的峰值電流的電流。這樣的應用的例子包括用于傳輸例如雷達信號和通信信號(例如，用于軍事背景和民用背景中的衛星通信和地面廣播)的驅動天線。

在這樣的應用中，個體晶體管可以被分組，以將大電壓和/或電流作為一組處理。例如，個體晶體管可以被堆疊(或“串聯堆疊”)，以使得流動通過該堆疊體(stack)中的第一晶體管的主端子的幾乎所有電流也流動通過該堆疊體中的在后的晶體管的主端子。該堆疊體中的晶體管中的每個支持驅動此電流的電壓的一部分。整個晶體管堆疊體上支持的總電壓可以超過個體晶體管的擊穿電壓。

作為另一個例子，個體晶體管可以被并聯，以使得基本上相同的電壓被耦合在多個晶體管的主端子之間。當多個晶體管導通時，流動通過該組的凈電流可以超過個體組成晶體管的峰值電流。

在理想化的小信號模型中，從信號源到負載的功率傳遞(transfer，轉移)可以通過將該源的輸出阻抗(也稱為“源阻抗”)與負載的阻抗相匹配來改善。在這樣的模型中，當在無限頻率范圍內負載的阻抗恰好等于源阻抗的復共軛時，最大可能功率被傳遞。

然而，在現實世界的大信號應用中，“源阻抗”未被恰當地定義，或嚴格地說，由于缺乏線性度或缺少疊加定律而不存在。然而，理論和實踐顯示，對于負載阻抗的某些值，功率的足夠大的部分被傳遞(即，功率附加效率(PAE)足夠高)。本文中使用術語“最佳負載阻抗”來表征在感興趣的運行頻率的范圍內功率的足夠大的部分被傳遞的情況。

發明內容

描述了包括有源單元(active cell)的至少一二維矩陣的功率放大器。所述有源單元通常是個體晶體管。晶體管的二維矩陣由并聯耦合的多個有源單元的堆疊體形成，因此形成“二維矩陣”。矩陣中的每個堆疊體可以在傳導給定的電流的同時支持相對大的電壓。因此，每個堆疊體可以被認為是具有其自己的——相對大的——最佳負載阻抗的源。然而，由于堆疊體被并聯耦合，因此二維矩陣具有的凈阻抗是組成堆疊體的阻抗的一部分。因此，矩陣的阻抗作為整體可以被定制以匹配負載的阻抗并且在感興趣的運行頻率范圍內傳遞功率的相對大的部分。