[發明專利]一種基于晶體管堆疊技術的強抗失配高效功率放大器

在審

• 申請號: 201710936666.1
• 申請日: 2017-10-10
• 公開（公告）號: CN107743021A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 鄔海峰;滑育楠;王測天;陳依軍;廖學介;呂繼平;胡柳林;童偉;吳曦;楊云婷
• 申請（專利權）人: 成都嘉納海威科技有限責任公司
• 主分類號: H03F3/213
• 分類號: H03F3/213;H03F1/56;H03F1/02
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙)51229
• 代理人: 李林合

技術領域

本發明屬于場效應晶體管微波毫米波功率放大器和集成電路技術領域，具體涉及一種基于晶體管堆疊技術的強抗失配高效功率放大器的設計。

背景技術

隨著3G、4G-LTE等民用通信市場的快速發展，以及5G通信的前期布局，微波毫米波前端發射器也向微波毫米波頻段高性能、高集成、高效率的方向發展；此外，由于MIMO技術的廣泛應用，系統對末端功率放大器的抗失配特性提出了嚴峻的考驗，因此市場迫切的需求針對微波毫米波頻段的強抗失配、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設計中，一直存在一些設計難題，具體體現為：

(1)傳統平衡型放大器中強抗失配特性與高效率指標相互制約：由于微波毫米波前端發射器中的功率放大器的輸出端需要連接一個駐波特性較差的天線，該天線對于微波毫米波功率放大器的抗失配特性提出了嚴峻的挑戰；現有基于蘭格結構實現90°相移的平衡型功率放大器在增強抗失配特性的同時，往往在輸入和輸出匹配網絡引入較大的的帶內插損，從而降低功率放大器的效率。因此，傳統平衡型放大器中強抗失配特性與高效率指標相互制約。

(2)微波毫米波頻段傳統平衡型放大器高功率、高增益指標設計難度較大：由于未來5G市場的驅使，微波毫米波前端發射機迫切需要高增益、高功率、高效率、強抗失配功率放大器，但是現有的毫米波頻段的應用電路必須采用柵長較小的半導體工藝晶體管，受到其低擊穿電壓的影響，功率放大器的電壓擺幅將受到較大的限制，因此也就限制了功率晶體管的功率容量。

最典型的強抗失配特性的放大器是采用90°相移蘭格結構的平衡功率放大器，但是，在微波毫米波頻段，傳統蘭格平衡放大器仍然存在一些設計不足，主要體現在：

(1)強抗失配特性與高效率指標設計難度較大。

為了提高電路的抗失配特性，設計者往往需要利用蘭格結構實現兩路平衡結構信號的90°的相移，還要盡可能的降低引入的帶內損耗，同時保證兩路平衡信號具有近似相同的帶內損耗，此外，還需要配合其他匹配結構實現晶體管的輸入與輸入端口的阻抗匹配，這大大增加了電路的設計復雜度和難度。設計者為了折中各個設計指標，往往需要通過引入一定的帶內損耗來實現90°的相移和阻抗匹配，這就大大降低了功率放大器的效率指標。

(2)毫米波段高功率晶體管阻抗匹配難度較大。

由于放大器工作在毫米波段，單個晶體管的功率容量有限，設計者為了獲得較高的功率容量，往往需要2n倍的功率合成結構，這種結構往往導致輸出網絡具有很低的最佳負載阻抗，這種低負載阻抗又將導致微波毫米波段平衡型放大器的阻抗匹配難度加大。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于晶體管堆疊技術的強抗失配高效功率放大器，利用三晶體管堆疊技術和與之對應的±45°移相輸入與輸出匹配網絡，實現微波毫米波頻段高增益、高效率、強抗失配等指標。

本發明的技術方案為：一種基于晶體管堆疊技術的強抗失配高效功率放大器，包括-45°移相輸入匹配網絡、+45°移相輸入匹配網絡、雙路平衡型三堆疊功率放大網絡、+45°移相輸出匹配網絡、-45°移相輸出匹配網絡、第一供電偏置網絡以及第二供電偏置網絡。

-45°移相輸入匹配網絡的輸入端與+45°移相輸入匹配網絡的輸入端相連作為整個功率放大器的輸入端；+45°移相輸出匹配網絡的輸出端與-45°移相輸出匹配網絡的輸出端相連作為整個功率放大器的輸出端。功率放大器的輸入端還連接有隔直電容C₁，功率放大器的輸出端還連接有隔直電容C₉。

雙路平衡型三堆疊功率放大網絡的第一輸入端與-45°移相輸入匹配網絡的輸出端連接，其第二輸入端與+45°移相輸入匹配網絡的輸出端連接，其第一輸出端與+45°移相輸出匹配網絡的輸入端連接，其第二輸出端與-45°移相輸出匹配網絡的輸入端連接。

第一供電偏置網絡分別與-45°移相輸入匹配網絡、雙路平衡型三堆疊功率放大網絡以及+45°移相輸出匹配網絡連接；第二供電偏置網絡分別與+45°移相輸入匹配網絡、雙路平衡型三堆疊功率放大網絡以及-45°移相輸出匹配網絡連接。

本發明的有益效果是：本發明采用三堆疊晶體管放大網絡實現平衡型放大器的放大功能，提高了平衡型功率放大器的功率增益和功率容量，同時利用三級T型濾波型移相電路實現兩路平衡信號的±45°移相控制以及輸入和輸出阻抗匹配，在保證低插損和高效率的前提下大大提升了放大器的抗失配特性，從而提高了電路的穩定性與可靠性。