[发明专利]一种宽带异相MMIC功率放大器及其设计方法

说明书

本发明公开一种宽带异相MMIC功率放大器及其设计方法。该功率放大器包括两路功率放大电路、高低通移相功率合成电路；其中每一路功率放大电路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成晶体管寄生补偿的漏极偏置电路、隔直电容。通过输入不同频率的等幅异相信号，来使得宽带异相MMIC功率放大器进行工作。本发明在宽带功率放大器需求陡增的背景下，采用高低通移相技术，实现了一种新的宽带异相MMIC功率放大器的设计，具有结构简单紧凑，实用性强等优点。

技术领域

本发明涉及射频微波通信领域，提出了一种可以在宽频段范围内工作的异相MMIC功率放大器。

背景技术

近几年，微波、毫米波通信技术是各国激烈竞争的焦点，其应用领域可以辐射至国防安全、军事作战、卫星系统、相控阵雷达等诸多方面。当前，低频段的频谱资源已经趋于饱和，逐渐无法满足无线通信发展的需求。因此，新一代通信技术开始转向更高的频段，如Ku、K、Ka等来满足宽频带、高速率、高容量的需求。作为通信系统中的关键部件，功率放大器决定着整机系统性能优劣。面向新一代移动通信带来的爆发式应用需求，功率放大器趋向于超小型化、高集成、低功耗的方向发展。

为了在有限的频谱带宽内传输尽可能大的数据量，射频微波收发系统通常需要采用复杂的调制方式，而这会导致信号产生较高的峰值-平均功率比(简称峰均比)，即信号包络会在幅度上发生剧烈变化。传统的功率放大器形式如A类、AB类虽然能实现高保真放大，但是对于非恒包络信号的放大效率很低，尤其是在大功率回退的时候。因此，针对高峰均比信号，能同时兼顾高效率和高线性度的射频功率放大器成为近年来学术界和工业界的研究热点之一。

异相功率放大器(Outphasing power amplifier,OPA)因能在保持输出信号高线性度的同时实现高效率放大调制信号，从而得到射频微波功率放大器研究人员的广泛重视。异相功率放大器电路包含上下两个子放大器，其工作的时候由信号调制电路预先将基带信号进行上变频和预放大，并且分成两路具有恒定幅度、相位不同的调制信号，然后通过高效率的非线性放大器进行放大。紧接着，通过一个输出端合成器将两路等幅异相的信号进行合并，并重新还原出与输入信号波形保持一致的调制信号，进而达到在高效率放大信号的同时实现高线性度。主流的异相功率合成电路有隔离型和非隔离型两种。隔离型合成电路包括一个阻性元件，在功率回退点效率偏低。为了保证高效率，业界多倾向于采用无隔离输出合成器对两路信号进行高效合并。但是，该种形式的合成器(Chireix合成器)会对两个子功放引入无功虚部。为了消除上述虚部对其效率造成的影响，一个经典的Chireix异相功率放大器需要在输出端为子放大器提供合适的虚部补偿和阻抗匹配,因此电路结构比较复杂。最近，一种基于非等长传输线结构的功率合成器被提出并用于实现异相功率放大器。其原理是利用非等长传输线来消除由非隔离组合网络引起的无功虚部的影响。这种设计方法的好处是省掉了额外的虚部补偿网络，仅仅用非等长传输线就可以实现，大幅度降低了异相放大器的设计复杂度。但是，基于非等长传输线结构的功率合成器在宽频带内会产生额外相移，使阻抗调制的效果急剧恶化，因此不能在宽频带内实现良好的异相放大效果。

然而，随着通信技术的快速发展，各种调制方式相继出现，各运营商能获得的授权频率也各不相同。为了提升通信系统对各种制式信号的适应性，亟须研制出能支持宽频带工作的宽带高效率功率放大器。宽带异相功率放大器也理所当然成为了学术界和工业界研究的热点。

另一方面，单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)是基于半导体衬底上通过外延、离子注入、光刻等一系列的工艺技术制作出的半导体器件，并通过错综复杂、高度集成的电路设计，设计产出各种功能模块。常应用于通信系统中的MMIC模块有射频功率放大器、低噪声放大器、射频开关等。早期的MMIC多应用于军事，在军用雷达、电子战、作战指挥、武器指导等领域发挥着重大的作用。随着民用市场的发展，MMIC凭借其小型化、稳定、可靠性高、可量产、产品性能一致性良好等特性，开始广泛应用于无线通信、智能移动设备、卫星通信、定位导航系统等各个领域。