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一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放的匹配电路
申请号	CN201710120737.0	申请日	2017-03-02	公开(公告)号	CN106921350A	公开(公告)日	2017-07-04
申请人	电子科技大学;			发明人	徐跃杭; 肖玮; 孙环;
摘要	本发明公开一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放的匹配电路。该功放匹配电路包括第三级输出匹配电路、二三级间匹配电路、一二级间匹配电路、第一级输入匹配电路；各级匹配电路中都包含二次谐波阻抗匹配电路；所述二次谐波阻抗匹配电路，主要采用电感和电阻并联结构，只有第三级输出电路中采用并联电感到地结构。采用本发明中的二次谐波匹配电路，能够有效的控制波形交叠，降低电路的损耗，同时减少该功放匹配电路的空间，提高功放效率。
权利要求	1.一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放的匹配电路，其特征在于，所述匹配电路包括第一级输入匹配电路、一二级间匹配电路、二三级间匹配电路、第三级输出匹配电路；所述第一级输入匹配电路包括第一级晶体管栅极馈电网络、第一级基波阻抗匹配电路、二次谐波阻抗匹配电路；所述一二级间匹配电路包括第一级晶体管漏极馈电网络、一二级间基波阻抗匹配电路、二次谐波阻抗匹配电路、第二级晶体管栅极馈电网络；所述二三级间匹配电路包括第二级晶体管漏极馈电网络、二三级间基波阻抗匹配电路、二次谐波匹配电路、第三级晶体管栅极馈电网络；所述二次谐波阻抗匹配电路包括电感和电阻，所述电感和所述电阻并联(并联RL)。所述第三级输出匹配电路包括第三级晶体管漏极馈电网络、基波和谐波阻抗匹配电路；所述第三级输出匹配电路中的第三级二次谐波匹配电路，采用电感接地结构，所述电感并联在微带线与隔直电容中间。 2.根据权利要求1所述的一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放匹配电路，其特征在于，在第一级输入匹配电路中，所述并联RL二次谐波阻抗匹配电路一端接第一级晶体管的栅极，另一端接地。 3.根据权利要求1所述的一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放匹配电路，其特征在于，在所述一二级间匹配电路中，所述并联RL二次谐波阻抗匹配电路嵌入到了所述第二级晶体管栅极馈电网络当中,一端接第二级晶体管栅极的直流偏置端口，另一端接所述第二级晶体管的栅极。所述第二级晶体管栅极馈电网络一共作用于4个晶体管，所以一二级间匹配电路中一共有四个所述并联RL二次谐波阻抗匹配结构。 4.根据权利要求1所述的一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放匹配电路，其特征在于，在所述二三级间匹配电路中，两个并联RL结构串联起来形成一组二次谐波阻抗匹配电路嵌入到所述第三级晶体管栅极馈电网络当中，共同作用于一个晶体管，所述第三级晶体管栅极馈电网络一共作用于8个晶体管，所以一共有八组二次谐波匹配电路，即16个并联RL结构，所述并联RL结构嵌入到馈电网络中,每组二次谐波阻抗匹配电路两端接所述第三级晶体管栅极馈电网络中并联到地的电容，中间抽头接第三级晶体管的栅极。 5.根据权利要求1所述的一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放匹配电路，其特征在于，在所述的第三级输出匹配电路中，所述电感采用螺旋电感对二次谐波进行阻抗匹配，一端接地一端接输出端口。
说明书全文	一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放的匹配电路技术领域 [0001] 本发明涉及谐波控制技术领域，特别是涉及一种多级谐波控制高效率微波单片集成(Monolithic Microwave Integrated Circuit：MMIC)功放匹配电路实现方法。背景技术 [0002] 功放效率的提高对通信系统性能的提升具有重要意义，作为一种有效提升功放效率的技术，谐波控制在功放中的应用近年来屡见报道。相关的谐波控制结构也如雨后春笋般在功放电路中应用起来。谐波控制结构不仅在单级功放中得以应用，将谐波控制结构应用于多级功放也有报道。 [0003] 为了实现高效率，在现有技术中，在电气和电子工程师协会(IEEE)微波与无线元件快报2015，第133页到135页中提出在单级功放输出级采用蝴蝶结形的谐波控制结构，形成三次谐波阻带，同时对于二次谐波，在漏极馈电网络和管子漏极端口之间串联四分之波长传输线结构，使得二次阻抗近似短路，三次阻抗近似开路，实现输出电路中对谐波进行控制的技术。虽然蝴蝶结加传输线结构能有效的对谐波进行控制，但是他们需要的空间较大；微波与无线元件快报2016，第137页到第139页中提出一款在输出级进行谐波控制的单级功放，为了实现谐波控制，漏极馈电网络和管子漏极端口之间并联了四条开路枝节，并且在枝节之间串联阻抗变换线；欧洲微波集成电路会议2011提出在单级功放的输入输出级同时采用并联开路枝节结构实现二次谐波控制；微波与无线元件快报2016，第137页到第139页和欧洲微波集成电路会议2011中采用的并联开路枝节谐波匹配电路虽然是目前最常用的结构，但由于都是传输线结构，这样的匹配电路频带窄，同时所用的传输线较长，需要占据较多的空间；微波与无线元件快报2014,第185页到第187页采用了并联电容到地结构实现频带较宽的二次谐波控制。以上的谐波控制匹配结构都是在混合微波集成电路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)中实现，这类电路的空间大，容易实现。然而同时实现高效率大功率小体积才是功放设计者们的目标，即在相比于HMIC空间小很多的MMIC中实现多级功放的谐波控制。电子快报2016,第219页到第221页提出一款对末级进行谐波控制的多级MMIC功放，采用阻抗变换线、并联电感以及串联开关电容结构实现谐波控制，但这款功放只实现了末级的谐波调谐。虽然在单片上实现了末级的谐波控制，但是该谐波匹配结构复杂，需要的较多的匹配成分，无法在前级驱动电路中使用；孙环，欧荣德，徐锐敏等在 2015年全国微波毫米波会议中提出了多级MMIC功放的谐波控制技术，但是文中没有说明谐波匹配电路的具体实现结构和方法。发明内容 [0004] 本发明的目的是提供一种多级谐波控制高效率MMIC功放匹配电路，为了在多级MMIC功放中实现谐波控制，提出了一种简单的电阻电感(RL)并联结构对级间和输入级的二次谐波阻抗进行最优匹配，所述RL结构在级间嵌入到馈电网络中有效缩小了面积，并且谐波被控制之后电路的损耗大大降低，提高了功放匹配电路的效率。同时对输出级采用并联电感到地，对基波而言本发明中的结构引入的损耗较小，有效实现多级功放的谐波控制技术。其中的RL并联结构同时应用在输入匹配、一二级间匹配和二三级间匹配电路中，证明了此结构的灵活性，占用空间的灵活性和谐波匹配的灵活性，它非常适合在谐波控制的多级MMIC功放中使用。 [0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案： [0006] 一种多级谐波控制高效率微波单片集成功放的匹配电路，所述匹配电路包括第一级输入匹配电路、一二级间匹配电路、二三级间匹配电路、第三级输出匹配电路； [0007] 所述第一级输入匹配电路包括第一级晶体管栅极馈电网络、第一级基波阻抗匹配电路、二次谐波阻抗匹配电路； [0008] 所述一二级间匹配电路包括第一级晶体管漏极馈电网络、一二级间基波阻抗匹配电路、二次谐波阻抗匹配电路、第二级晶体管栅极馈电网络； [0009] 所述二三级间匹配电路包括第二级晶体管漏极馈电网络、二三级间基波阻抗匹配电路、二次谐波匹配电路、第三级晶体管栅极馈电网络； [0010] 所述二次谐波阻抗匹配电路包括电感和电阻，所述电感和所述电阻并联(并联RL)。 [0011] 所述第三级输出匹配电路包括第三级晶体管漏极馈电网络、基波和谐波阻抗匹配电路； [0012] 所述第三级输出匹配电路中的第三级二次谐波匹配电路，采用电感接地结构，所述电感并联在微带线与隔直电容中间。 [0013] 可选的，在第一级输入匹配电路中，所述并联RL二次谐波阻抗匹配电路一端接第一级晶体管的栅极，另一端接地。 [0014] 可选的，在所述一二级间匹配电路中，所述并联RL二次谐波阻抗匹配电路嵌入到了所述第二级晶体管栅极馈电网络当中,一端接第二级晶体管栅极的直流偏置端口，另一端接所述第二级晶体管的栅极。所述第二级晶体管栅极馈电网络一共作用于4个晶体管，所以一二级间匹配电路中一共有四个所述并联RL二次谐波阻抗匹配结构。 [0015] 可选的，在所述二三级间匹配电路中，两个并联RL结构串联起来形成一组二次谐波阻抗匹配电路嵌入到所述第三级晶体管栅极馈电网络当中，共同作用于一个晶体管，所述第三级晶体管栅极馈电网络一共作用于8个晶体管，所以一共有八组二次谐波匹配电路，即16个并联RL结构，所述并联RL结构嵌入到馈电网络中,每组二次谐波阻抗匹配电路两端接所述第三级晶体管栅极馈电网络中并联到地的电容，中间抽头接第三级晶体管的栅极。 [0016] 可选的，在所述的第三级输出匹配电路中，所述电感采用螺旋电感对二次谐波进行阻抗匹配，一端接地一端接输出端口。 [0017] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明中的二次谐波匹配电路没有采用占用空间较大的传统传输线结构，而是采用新型的并联RL结构，在合适地选择了电感的结构之后在很小的空间中进行MMIC功放中的谐波控制。同时所述并联RL结构有效的应用在输入级和各级间匹配电路当中，其具有很强的灵活性，适合在多级功放中使用。所述并联RL结构与馈电网络相结合，一路两用的概念使功放空间进一步减小。并且这种简单的RL并联结构能够很好的控制二次谐波，二次谐波被控制之后电路的损耗减小。从而实现功放的高效率。附图说明 [0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0019] 图1为本申请实施例的各级高电子迁移率晶体管的负载牵引图； [0020] 图2为本申请实施例的多级功放MMIC功放匹配电路图； [0021] 图3(a)为本申请实施例的第一级输入匹配电路组成单元图； [0022] 图3(b)为本申请实施例的第一级输入匹配电路完整版图； [0023] 图4(a)为本申请实施例的一二级间匹配电路组成单元图； [0024] 图4(b)为本申请实施例的一二级间匹配电路完整版图； [0025] 图5(a)为本申请实施例的二三级间匹配电路组成单元图； [0026] 图5(b)为本申请实施例的二三级间匹配电路完整版图； [0027] 图6(a)为本申请实施例的第三级输出匹配电路组成单元图； [0028] 图6(b)为本申请实施例的第三级输出匹配电路完整版图。具体实施方式 [0029] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0030] 本发明的目的是提供一种多级谐波控制高效率MMIC功放匹配电路，采用并联RL结构可以减少功放匹配电路的空间，并且有效控制二次谐波，从而减少电路的消耗，实现功放匹配电路的高效。 [0031] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0032] 对各级的高电子迁移率晶体管进行基波源/负载牵引后，对各级的高电子迁移率晶体管进行二次谐波负载牵引，得到二次谐波的负载牵引(Loadpull)结果，如图1为本申请实施例的各级高电子迁移率晶体管的负载牵引图，如图1所示，由图1可知各级的二次谐波最佳阻抗匹配点位于阻抗圆图的边缘，这样的阻抗匹配难度加大。因此，本发明在输出电路中采用并联电感到地，在各级间和输入级利用RL并联结构将二次谐波阻抗拉至相应的阻抗圆图的边缘，实现匹配。 [0033] 图2为本申请实施例的多级功放MMIC功放匹配电路图，如图2所示，一种多级谐波控制高效率单片微波集成电路功放匹配电路包括第一级输入匹配电路104、一二级间匹配电路103、二三级间匹配电路102、第三级输出匹配电路101。 [0034] 图3(a)为本申请实施例的第一级输入匹配电路组成单元图，所述第一级输入匹配电路104共由2个结构相同的组成单元构成。如图3(a)所示，所述第一级输入匹配电路104的组成单元图包括第一级晶体管栅极馈电网络1042、二次谐波阻抗匹配电路105、第一级基波阻抗匹配电路1041。图3(b)为本申请实施例的第一级输入匹配电路完整版图，二次谐波阻抗匹配电路105的设计采用RL结构，如图3(b)黑色虚线方框中所示,并联RL占用的面积为0.40.2mm2。对于第一级基波阻抗匹配电路1041，采用电阻电容(RC)结构和一段短路枝节实现基波阻抗到50Ω的转换，并且保证放大器的稳定性。 [0035] 其中，所述第一级晶体管栅极馈电网络1042，分为左右对称两部分，左部分晶体管的栅极直流馈电端口Vg1与电阻R1一端相连，电阻R1的另一端同时与微带线TL1的一端和电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；微带线TL1的另一端同时与微带线TL2和电容C2的一端连接，电容C2的另一端接地；微带线TL2的另一端与晶体管的栅极、电容C5的一端、所述二次谐波阻抗匹配电路的一端连接,二次谐波阻抗匹配电路的另一端到地；右部分晶体管的栅极直流馈电端口Vg2与电阻R2一端相连，电阻R2的另一端同时与微带线TL3的一端和电容C3的一端连接，电容C3的另一端接地；微带线TL3的另一端同时与微带线TL4和电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地；微带线TL4的另一端与晶体管的栅极、电容C5的一端、所述二次谐波阻抗匹配电路的一端连接,二次谐波阻抗匹配电路的另一端到地；电容C5的另一端与所述第一级基波阻抗匹配电路连接。 [0036] 所述二次谐波阻抗匹配电路，包括电阻R3和电感L1，电阻R3与电感L1并联接地(并联RL)。 [0037] 所述第一级基波阻抗匹配电路1041，微带线TL5的一端接地，微带线TL5的另一端分别与电容C5的一端和并联电阻R4电容C6的一端连接，并联电阻R4电容C6的另一端连接输入端。 [0038] 图4(a)为本申请实施例的一二级间匹配电路组成单元图，所述一二级间匹配电路103共由2个结构相同的组成单元构成。如图4(a)所示，所述一二级间匹配电路103的组成单元图包括第一级晶体管漏极馈电网络1043、二次谐波阻抗匹配电路106、二次谐波阻抗匹配电路107、一二级间基波阻抗匹配电路1031、第二级晶体管栅极馈电网络1022。在所述一二级间匹配电路103的组成单元中，二次谐波阻抗匹配电路嵌入在第二级晶体管栅极馈电网络中,一端接第二级晶体管栅极的直流偏置端口，另一端接第二级晶体管栅极的端口。利用RL并联结构将二次谐波阻抗拉到圆图的边缘(如图1(a)中Marker点)，同时也充当所述第二级晶体管栅极馈电网络1022的一部分。基波阻抗匹配电路利用串联电容和接地电阻实现基波共轭阻抗匹配。图4(b)为本申请实施例的一二级间匹配电路完整版图，具体的二次谐波匹配结构如图4(b)中黑色虚线框里面的电路所示，并联RL占用的面积仅为0.110.1mm2。控制了二次谐波，从而提高了功放匹配电路的效率。 [0039] 其中，所述第二级晶体管栅极馈电网络1022与第一级晶体管栅极馈电网络1042相似，分为左右对称的两部分，左部分二次谐波阻抗匹配电路106的一端与晶体管栅极直流馈电端口Vg3和电容C7相连，电容C7的另一端接地，二次谐波阻抗匹配电路106的另一端与电阻R5相连，右部分二次谐波阻抗匹配电路107的一端与晶体管栅极直流馈电端口Vg4和电容C9相连，电容C9的另一端接地，二次谐波阻抗匹配电路107的另一端与电阻R5相连。 [0040] 所述一二级间基波阻抗匹配电路中电容C10的一端与电阻R6和微带线TL7相连，电阻R6的另一端接地。电容C8的一端与电阻R8和微带线TL6相连，电阻R8的另一端接地。 [0041] 所述第一级晶体管漏极馈电网络1043中的微带线TL8的一端与电容C11和电阻R7相连，微带线TL8的另一端与隔直电容C13相连，电阻R7与晶体管漏极直流馈电端口Vd1和电容C12相连，电容C11的另一端接地，电容C12的另一端接地。 [0042] 图5(a)为本申请实施例的二三级间匹配电路组成单元图，所述二三级间匹配电路102共由4个结构相同的组成单元构成。如图5(a)所示，所述二三级间匹配电路102的组成单元图包括第三级晶体管栅极馈电网络1013、二三级间基波阻抗匹配电路1021、二次谐波匹配电路、第二级晶体管漏极馈电网络1023。在所述二三级间匹配电路102的组成单元中，两个并联RL结构串联起来形成一组二次谐波阻抗匹配电路，共同作用于一个晶体管。所述第三级栅极馈电网络1013共作用于2个晶体管，共有4组二次谐波阻抗匹配电路。其中，串联的二次谐波匹配电路的一端接第三级晶体管栅极的直流馈电端口，另一端接另一端接第三级晶体管的栅极，充当第三级晶体管馈电网络1013的一部分。图5(b)为本申请实施例的二三级间匹配电路完整版图，具体的二次谐波匹配结构如图5(b)中黑色虚线框所示，并联RL占用的面积仅为0.20.28mm2。这样一路两用的方法很好的节省了面积，并且控制了二次谐波，从而提高了功放匹配电路的效率。 [0043] 其中，所述第三级晶体管栅极馈电网络1013中，分为左右对称的两部分，左部分的第一个二次谐波阻抗匹配电路108的一端分别与栅极直流馈电端口Vg5和电容C14连接，第二个二次谐波阻抗匹配电路109的一端与第四个二次谐波阻抗匹配电路111的一端相连，在右部分，第三个二次谐波阻抗匹配电路110的一端分别与栅极直流馈电端口Vg6和电容C15连接，第四个二次谐波阻抗匹配电路111的另一端与第三个二次谐波阻抗匹配电路110另一端相连。 [0044] 所述二三级间基波阻抗匹配电路1021中，微带线TL9的一端与晶体管的栅极连接，另一端分别与电容C16的一端和电容C17的一端连接，电容C16的另一端接地，电容C17的另一端与微带线TL10的一端和微带线TL22的一端连接，微带线TL22的另一端分别与微带线TL19和隔直电容C19的一端相连，微带线TL10的另一端接地。微带线TL21的一端与晶体管的栅极连接，另一端分别与电容C25的一端和电容C26的一端连接，电容C25的另一端接地，电容C26的另一端分别与微带线TL20的一端和微带线TL19一端连接，微带线TL20的另一端接地。 [0045] 所述第二级晶体管漏极馈电网络1023中，微带线TL11的一端与电容C18和晶体管漏极直流偏置电路Vd2相连，微带线TL11的另一端与晶体管漏极和隔直电容C19的另一端相连。 [0046] 图6(a)为本申请实施例的第三级输出匹配电路组成单元图，第三级输出匹配电路101共由2个结构相同的单元构成。如图6(a)所示，所述第三级输出匹配电路101的组成单元图包括基波和谐波阻抗匹配电路1011、第三级晶体管漏极馈电网络1012。在第三级输出匹配电路101中，基波和谐波阻抗匹配电路1011利用接地电容将二次谐波以上的频率过滤，同时利用电容和传输线将基波阻抗实现共轭匹配，电感并联接地后将二次谐波阻抗匹配到阻抗圆图的边缘(如图1(c)中Marker点)，图6(b)为本申请实施例的第三级输出匹配电路完整版图，图6(b)中黑色虚线框里面的电路便是控制二次谐波的并联电感，占用的面积仅为 0.340.4mm2。 [0047] 其中，所述基波和谐波阻抗匹配电路1011具有三个微带线，微带线TL12的一端分别与电容C21和微带线TL13相连，另一端分别与电容C20和电感L2相连，电感L2的另一端接地，微带线TL13的另一端分别与微带线TL14和电容C22相连，电容C22的另一端接地，微带线TL14的另一端分别与第三级晶体管漏极馈电网络中的微带线TL15和微带线TL16相连。 [0048] 所述第三级晶体管漏极馈电网络1012分为左右对称的两部分，微带线TL15的一端分别与微带线TL16的一端和微带线TL14连接，微带线TL15的另一端分别与晶体管的漏极和微带线TL18的一端连接，TL16的另一端分别与微带线TL17的一端和另一个晶体管漏极连接，微带线TL17的另一端与晶体管漏极直流馈电端口Vd3和电容C23连接，电容C23的另一端接地，微带线TL18的另一端与晶体管漏极直流馈电端口Vd4和电容C24连接，电容C24的另一端接地。 [0049] 从上面的二次谐波匹配电路中可以发现，各级的RL并联结构所占用的空间很小。RL并联结构的优越性就在此体现出来了。在二次谐波匹配电路当中，电感在各级的匹配当中起了关键性的作用，对于电感结构的选择要综合考虑芯片可用空间以及电路中所需电感值对电感种类和形状进行选择。在本发明的实施例中，电感采用螺旋电感和细微带形成的电感。 [0050] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 [0051] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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