[发明专利]基于GaNMMIC功率放大器的混合集成有源环行器

说明书

技术领域

本发明属于微波毫米波混合集成电路，特别是一种基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源环行器。

背景技术

在连续波体制的微波、毫米波系统的收发组件中，环形器常被用来隔离发送信号和接收信号。目前通常使用的是无源环形器，利用铁氧体材料的固有特性来实现器件的非互易特性。基于铁氧体材料的器件通常具有损耗低、稳定性高以及功率容量大等优点，但是它的体积较大，而且铁氧体材料在半导体工艺中很难集成，因此不能满足当今系统集成化、小型化的需求。用双极结晶体管（BJT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）设计的有源环形器，除了具备基本的环行器的非互易特性外，其尺寸更小，并且采用的是半导体工艺技术，所以非常适用于系统或模块的集成化设计。

当前，有源环形器一般采用印刷电路板（PCB）或微波单片集成电路（MMIC）的工艺来实现。对于纯PCB实现方式，所设计的电路应用频率会受到限制，并且匹配电路和直流偏置电路等外围电路会使得整体电路尺寸较大。而MMIC工艺则可以使整体电路的尺寸非常紧凑。当前比较成熟的工艺是互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，已经有不少的研究者做了一些研究工作。但基于CMOS工艺的电路功率容量较小，击穿电压也相对较低，通常被应用于消费类电子，或要求低功耗的场合，并不能用于目前高速发展的民用或军用相控阵雷达，因为雷达的发射功率通常较高，需要系统中各子电路均能够承受较高的功率，因此，基于CMOS工艺的器件或电路并不能适应当前高功率雷达发射系统的应用需求。

无源环形器一般由铁氧体材料制成，具有插入损耗低、功率损失小、稳定性高以及功率容量大等优点，但是它的体积大，重量大，需要额外的磁偏置，并且难以用于单片集成设计，所以无法适应当今通信系统集成化、小型化的需求。而在当前基于微波混合集成电路工艺或单片集成电路工艺的有源环形器中，互补型金属氧化物半导体（CMOS）工艺最为常见，但其只能应用于较低功率的应用场合，无法满足当前机载雷达，空基预警等需求。而对于已经非常成熟的GaAs HEMT器件，则需要较大尺寸的晶体管，从而使晶体管的输入输出阻抗较小，寄生电容较大，给设计带来了较大的麻烦，并且提高了成本。而随着第三代半导体材料GaN的问世，其高功率密度，高崩溃电压等优异的特性引起了广泛的关注，当前已有的混合集成有源环行器的设计通常基于封装的未匹配晶体管，在设计时需要在外围设计输入输出匹配电路以及其它电路，因此导致集成度较低，体积较大，功率容量低。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成度高、电路体积小、功率容量高的基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源环行器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源环行器，包括第一威尔金森功分器、第二威尔金森功分器、第三威尔金森功分器、第一功率放大器、第二功率放大器和第三功率放大器，所述三个功率放大器均采用AlGaN/GaN HEMT工艺加工于一个单片上，三个威尔金森功分器均在PCB上加工，威尔金森功分器与功率放大器之间通过金丝键合线进行互连；

所述第一威尔金森功分器的功率合成端口即为发射端口，第一威尔金森功分器的一个功分端口通过第二金丝键合线BW2与第一功率放大器的射频输入端口连接、另一个功分端口通过第一金丝键合线BW1与第三功率放大器的射频输出端口连接；第一功率放大器的射频输出端口与第二威尔金森功分器的一个功分端口通过第五金丝键合线BW5连接，第二威尔金森功分器的功率合成端口即为天线端口，第二威尔金森功分器的另一个功分端口与第二功率放大器的射频输入端口通过第六金丝键合线BW6连接；第二功率放大器的射频输出端口通过第九金丝键合线BW9与第三威尔金森功分器的一个功分端口连接，第三威尔金森功分器的功率合成端口即为接收端口，第三威尔金森功分器的另一个功分端口通过第十金丝键合线BW10与第三功率放大器的射频输入端口连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）电路尺寸更小，结构设计简单易行，适用于集成电路设计；（2）采用GaN功率放大器，使电路的功率容量更大，适用于高功率场合；（3）更加切合实际应用，且应用范围很广。

附图说明

图1为本发明基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源环行器的电路原理图。

图2为本发明基于GaN MMIC功率放大器的混合集成有源环形器的电路俯视图。

图3为本发明混合集成有源环形器的传输增益和回波损耗测试结果图。