一种高对称性超宽带氮化镓功率放大器功率合成网络制造技术

本发明专利技术公开一种高对称性超宽带氮化镓功率放大器功率合成网络，应用于单片式微波集成电路领域，针对现有的树形功率合成网络，在Ku波段，过长的二级功率合成传输线严重恶化了该功率合成网络的高频特性，无法满足高频、超宽带要求的问题；本发明专利技术的功率合成网络晶体管采用X形布局，使得功率合成网络结构在横向和纵向均呈轴对称，并相对于二级功率合成点中心对称，提高了功率合成网络对称性和大信号偶模稳定性，并有利于芯片的散热，提高了热稳定性；本发明专利技术还利用两阶L

【技术实现步骤摘要】
一种高对称性超宽带氮化镓功率放大器功率合成网络


[0001]本专利技术属于单片式微波集成电路领域，特别涉及一种新型功率合成输出网络。

技术介绍

[0002]氮化镓(Gallium Nitride，GaN)是第三代半导体材料，属于宽禁带半导体，具有禁带宽度大、击穿场强高、载流子浓度大等特点，是目前开发功率半导体器件的重要材料，单片式微波集成电路的核心有源器件是GaN高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)。HEMT基于AlGaN和GaN的导带不连续性和极化效应，在二者界面处会形成的异质结，在导带形成限制电子分布的势阱，进而在非掺杂的GaN侧构成二维电子气沟道，沟道内电子迁移率高、电子饱和速度快，同时具备高击穿电压和高热导率，可以满足高频、高压、大电流和高温工作要求，是目前大功率放大芯片的主要工艺。
[0003]功率放大芯片是射频前端发射系统的核心器件，对系统整体性能具有决定性影响。射频功率放大芯片的核心指标是工作带宽(Bandwidth)、输出功率(Output Power，Pout)和功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)。功率附加效率表征了放大器对小信号的真实放大能力，如式(1)所示。
[0004][0005]其中，Pout为输出功率(单位：瓦特)，Pin为输入功率(单位：瓦特)，VDD为晶体管漏极馈电电压(单位：伏特)，IDD为晶体管漏极动态电流(单位：安培)。
[0006]受限于碳化硅衬底和氮化镓外延目前相对高昂的成本，氮化镓单片微波集成电路功率放大器(Monolithic Microwave Integrated Circuit Power Amplifier，MMIC PA)主要应用在军用领域，例如电子战和雷达系统中。在此类应用中，除了上述对大功率和高效率的要求外，还对大带宽提出了要求。只有带宽足够大，才能高效利用频谱资源，保障我方电磁空间安全的同时有效追踪和定位敌方目标，实现精确打击。一般用相对带宽ΔBW来描述带宽特性，即信号有效带宽与中心频率的比值，如式(2)所示。实际应用中，超宽带一般指相对带宽大于100％。
[0007][0008]其中，f
H
为最高有效工作频率，f
L
为最低有效工作频率，f
C
为有效带宽的中心频率。
[0009]工作带宽尽量宽、输出功率尽量大、功率附加效率尽量高是GaN微波功率放大芯片设计的不懈追求。MMIC芯片设计的核心工作是阻抗匹配电路设计，晶体管不经阻抗匹配无法正常工作，晶体管阻抗匹配原理框图如图1所示。输入匹配网络损耗为ILin(dB)，输入功率Pin(dBm)经过该输入匹配网络后到达晶体管栅极的有效输入功率为Pa_in(dBm)；输出匹配网络损耗为ILout(dB)，晶体管漏极输出功率Pa_out(dBm)经过该输出匹配网络后到达的输出端的有效输出功率为Pout(dBm)。图2至图4分别给出了输出匹配网络损耗对输出功率、功率附加效率和链路增益Gp的影响，图5至图7分别给出了输入匹配网络损耗对输出功率、功率附加效率和链路增益Gp的影响。从图2和图3中可以看出：在晶体管输出功率稳定且链
路增益相同的条件下，随着输出匹配网络损耗增大，链路输出功率和功率附加效率显著降低，且晶体管输出的功率越高，相同损耗带来的输出功率损失越大。但是输入匹配网络损耗导致的功率附加效率退化程度远低于相同损耗值下输出匹配网络损耗带来的影响。上述分析表明，GaN MMIC PA的末级输出匹配网络对电路整体性能影响最为显著。改善末级输出匹配网络的匹配特性、降低其插入损耗是GaN功率放大芯片的设计重点。图1中Ga_p表示晶体管增益；图3中PAE表示链路功率附加效率；
[0010]在GaN MMIC PA末级输出匹配网络设计中，主要采用树形功率合成网络同步实现多个并联晶体管的功率合成和输出阻抗匹配，其典型电路原理图如图8所示，对应版图示意图如图9所示。
[0011]该电路中所有晶体管栅极方向与芯片输入
‑
输出方向平行，管芯呈纵向排列，所有晶体管的源极都与地连接，所有晶体管的栅极都与输入信号连接。一级功率合成传输线TL0_1连接于晶体管M1的漏极d1和一级功率合成点a1之间，一级功率合成传输线TL0_2连接于晶体管M2的漏极d2和一级功率合成点a1之间，一级功率合成传输线TL0_3连接于晶体管M3的漏极d3和一级功率合成点a2之间，一级功率合成传输线TL0_4连接于晶体管M4的漏极d4和一级功率合成点a2之间。二级功率合成传输线由TL1_1和TL2_1构成，TL1_1连接于一级功率合成点a1和公共馈电端b1之间，TL2_1连接于公共馈电端b1和二级功率合成点c之间。CHOKE_1电感与漏极电源焊盘连接，接地电容Cbp_1连接于漏极电源焊盘和地孔之间，用于对该电源信号进行滤波，M1和M2的漏极电压通过CHOKE_1从公共馈电端b1输入。二级功率合成传输线由TL1_2和TL2_2构成，TL1_2连接于一级功率合成点a2和公共馈电端b2之间，TL2_2连接于公共馈电端b2和二级功率合成点c之间。CHOKE_2电感与漏极电源焊盘连接，接地电容Cbp_2连接于漏极电源焊盘和地孔之间，用于对该电源信号进行滤波，M3和M4的漏极电压通过CHOKE_2从公共馈电端b2输入。二级功率合成传输线TL2_1连接于公共馈电端b1和二级功率合成点c之间，二级功率合成传输线TL2_2连接于公共馈电端b2和二级功率合成点c之间。传输线TL3连接于c点和d点之间，电容C1连接于d点和地孔之间。传输线TL4连接于d点和e点之间，电容C2连接于e点和地孔之间。电容C3连接于e点和输出端口之间。为扩展带宽，该电路在输出端引入了短路线TL5，因而输出端不具备隔直功能，使用时需额外串联大功率电容，增加了使用复杂度和组件面积。
[0012]晶体管M1、M2、M3、M4规格相同，电感CHOKE_1、CHOKE_2规格相同、电容Cbp_1、Cbp_2规格相同，传输线TL0_1、TL0_2、TL0_3、TL0_4规格相同，传输线TL1_1、TL1_2规格相同，传输线TL2_1、TL2_2规格相同，使上述结构组成的电路在横向呈轴对称，这种对称性是消除功率放大电路偶模振荡的主要办法，可以提高其大信号稳定性。由于晶体管输出大功率时会散发大量的热，所以晶体管分布存在一定间隔，以避免热效应集中而烧毁。
[0013]该电路最大的缺点在于晶体管树形排布导致的二级功率合成传输线TL2_1和TL2_2长度较长，否则无法连通上下两部分对称的电路。在X波段以下的设计中，TL2_1和TL2_2的长度对性能影响不大。然而在Ku波段，过长的TL2_1和TL2_2严重恶化了该功率合成网络的高频特性，无法满足高频、超宽带要求。

技术实现思路

[0014]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种高对称性超宽带氮化镓功率放大器功率合
成网络，采用X形功率合成网络结构，该结构在横向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高对称性超宽带氮化镓功率放大器功率合成网络，其特征在于，包括四个晶体管、四个电感、四个接地电容、四段一级功率合成传输线以及两段二级功率合成传输线；四个晶体管栅极方向与芯片输入
‑
输出方向垂直，晶体管管芯呈横向排列；第一个晶体管的漏极经第一个电感与第一个接地电容的第一端连接，第一个接地电容的第二端接地，第一个接地电容第一端还与电源连接，第一个晶体管的源极接地，第一个晶体管的栅极接输入信号；第二个晶体管的漏极经第二个电感与第二个接地电容的第一端连接，第二个接地电容的第二端接地，第二个接地电容第一端还与电源连接，第二个晶体管的源极接地，第二个晶体管的栅极接输入信号；第三个晶体管的漏极经第三个电感与第三个接地电容的第一端连接，第三个接地电容的第二端接地，第三个接地电容第一端还与电源连接，第三个晶体管的源极接地，第三个晶体管的栅极接输入信号；第四个晶体管的漏极经第四个电感与第四个接地电容的第一端连接，第四个接地电容的第二端接地，第四个接地电容第一端还与电源连接，第四个晶体管的源极接地，第四个晶体管的栅极接输入信号；第一段一级功率合成传输线连接于第一个晶体管漏极与第一个一级功率合成点之间；第二段一级功率合成传输线连接于第二个晶体管漏极与第一个一级功率合成点之间；第三段一级功率合成传输线连接于第三个晶体管漏极与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向东，张健，李沫，杨帆，姜昊，陈飞良，刘洋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：