[发明专利]自举D类宽带RF功率放大器

说明书

一种高功率高频率射频功率放大器包括输出级和单相驱动器。输出级被设置为D类放大器配置，并且包括：第一耗尽型场效应晶体管(FET)、第二耗尽型FET、以及将输出级的输出联接到第二FET的栅极的自举路径。第一耗尽型FET和第二耗尽型FET在单相驱动器的引导下被切换为异相且在完全导通(ON)与完全截止(OFF)状态之间切换。单相驱动器直接控制第一耗尽型FET的导通/截止状态，并且提供放电路径，通过该放电路径，输出级中的第二耗尽型FET的输入栅极电容器可以放电，以截止第二耗尽型FET。自举路径提供电流路径，通过该电流路径，第二耗尽型FET的输入栅极电容器可以充电，以导通第二耗尽型FET。

关于政府赞助的研究或开发的声明

本发明在代表DARPA的空军研究实验室授予的合同号为FA8750-14-C-0099的政府支持下进行。政府在本发明中具有特定权利。

背景技术

射频功率放大器(RF PA:Radio frequency power amplifier)用于将低功率RF信号转换成高功率RF信号。在一些应用中，期望或需要RF PA能够在微波频率下产生高功率RF信号。设计具有这种能力而且能够在大范围的微波频率下以高能量效率操作的RF PA提出各种困难的设计挑战。以下所描述的本发明解决了这些挑战。

发明内容

公开了高功率高频率射频功率放大器(RF PA)。示例性RF PA包括高功率高频率输出级和单相驱动器。高功率高频率输出级被设置为D类放大器配置，并且包括第一耗尽型场效应晶体管(FET)、第二耗尽型FET以及自举路径(bootstrap path)，该自举路径将D类输出级的输出联接到第二FET的栅极。第一耗尽型FET和第二耗尽型FET在单相驱动器的引导下在完全导通(饱和)与完全截止(切断)状态之间切换，该单相驱动器根据由外部RF源提供的输入RF信号RF_in的变化来操作。第一耗尽型FET和第二耗尽型FET被切换为异相，使得在第一耗尽型导通时，第二耗尽型FET截止，反之亦然，由此允许输出级以高能量效率操作。在第一耗尽型FET导通且第二耗尽型FET截止时，单相驱动器提供放电路径，通过该放电路径，输出级中的第二耗尽型FET的输入栅极电容器可以放电。对输入栅极电容器放电使得第二耗尽型FET的源漏沟道夹断，从而截止第二耗尽型FET。相反，在第一耗尽型FET截止且第二耗尽型FET导通时，自举路径提供电流路径，通过该电流路径，第二耗尽型FET的输入栅极电容器可以充电。所累积的电荷感应第二耗尽型FET的栅极下方且在其漏极与源极之间的高电导率沟道，从而使得第二耗尽型FET导通。

本发明的RF PA具有超过传统RF PA的大量显著优点。第一，单相驱动器避免生成并控制两个单独异相驱动信号所需的复杂度和电路。第二，因为RF PA是非线性基于开关的设计，所以它比非切换RF PA实质上更能量高效。与同等RF输出功率的非切换线性RF PA所需的热沉(heatsink)相比，该优点连同不复杂的单相驱动器设计允许远远更小的热沉用于耗散由RF PA生成的热量。第三，RF PA不需要如在单端RF PA方法中必要的大漏极电感器。消除对大漏极电感器的需要和不复杂的单相驱动器设计使RF PA的覆盖区最小化，并且允许RF PA在小的紧凑单片微波集成电路(MMIC)中制造。第四，RF PA能够在大范围的微波频率下操作。实际上，RF PA能够在超过一个十倍频程(decade)的微波频率的带宽上以高转换效率产生高RF输出功率。