X波段單片功率放大器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種X波段單片功率放大器，包括單芯片，單芯片上集成有輸入匹配電路、功率分配電路、三級PHEMT管放大器、功率合成電路和輸出匹配電路；輸入匹配電路的輸入端與單芯片的外部信號輸入端RF-IN相連接，用于接入外部信號輸入源；輸入匹配電路的輸出端與功率分配電路的輸入端相連接，功率分配電路的輸出端與三級PHEMT管放大器的輸入端相連接；三級PHEMT管放大器的輸出端與功率合成電路的輸入端相連接；功率合成電路的輸出端與輸出匹配電路的輸入端相連接；輸出匹配電路的輸出端與單芯片的外部輸出端RF-OUT相連接。本發明的X波段單片功率放大器，具有能夠提高寬帶性能、實現了功率放大器的寬帶高功率輸出、可靠性好等優點。
【專利說明】X波段單片功率放大器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種X波段單片功率放大器。
【背景技術】
[0002]功率放大器是雷達通信、衛星通信、微波通信等領域中高靈敏度發射與接收機中的關鍵部件，通過功率放大器實現信號的放大和功率的輸出。
[0003]MMlCCMonolithic Microwave Integrated Circuit,單片微波集成電路)具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強等特點，并可縮小的電子設備體積、減輕重量、降低價格，成為設計制造微波毫米波頻段功率放大集成電路的最佳選擇之一。采用MMIC工藝技術的X波段功率放大器在雷達、無線通信與微波成像等軍民用途中有著廣泛的應用。根據IEEE521-2002標準，X波段是指頻率在8_12GHz的無線電波波段，在電磁波譜中屬于微波。而在某些場合中，X波段的頻率范圍則為7-11.2GHz。通俗而言，X波段中的X即英語中的“extended”，表示“擴展的”調幅廣播。
[0004]穩定性問題是功率放大器設計中的一個重點和難點，因為在較低頻段內有很高的增益和噪聲，容易引起低頻振蕩，從而使整個電路不能穩定工作。為了降低低頻振蕩提高穩定性，通常在多級放大器的級與級之間加入匹配電路，一般常采用阻容耦合電路的匹配結構形式，該耦合電路采用較小的電阻和電容即可使電路達到穩定，但其需占用較大的電路面積，且該匹配電路屬于窄帶結構，寬帶性能較差，很難滿足X波段功率放大器中對匹配電路的寬帶特性要求，難以實現功率放大器的寬帶高功率輸出。

【發明內容】

[0005]本發明是為避免上述已有技術中存在的不足之處，提供一種X波段單片功率放大器，以提高寬帶性能、實現功率放大器的寬帶高功率輸出。
[0006]本發明為解決技術問題采用以下技術方案。
[0007]X波段單片功率放大器，其結構特點是，包括單芯片，所述單芯片上集成有輸入匹配電路、功率分配電路、三級PHEMT管放大器(Pseudomorphic High Electron MobilityTransistor，贗高電子遷移率晶體管)、功率合成電路和輸出匹配電路；所述輸入匹配電路的輸入端與單芯片的外部信號輸入端RF-1N相連接，用于接入外部信號輸入源；所述輸入匹配電路的輸出端與所述功率分配電路的輸入端相連接，所述功率分配電路的輸出端與三級PHEMT管放大器的輸入端相連接；所述三級PHEMT管放大器的輸出端與所述功率合成電路的輸入端相連接；所述所述功率合成電路的輸出端與所述輸出匹配電路的輸入端相連接；所述輸出匹配電路的輸出端與單芯片的外部輸出端RF-OUT相連接，用于輸出放大后的信號。
[0008]本發明的X波段單片功率放大器的結構特點也在于:
[0009]所述三級PHEMT管放大器包括第一級PHEMT管放大器、第二級PHEMT管放大器、第三級PHEMT管放大器、第一中間級功率分配合成及匹配電路和第二中間級功率分配合成及匹配電路；所述第一級PHEMT管放大器的輸入端與所述功率分配電路的輸出端相連接，所述第一級PHEMT管放大器的輸出端與所述第一中間級功率分配合成及匹配電路的輸入端相連接；所述第一中間級功率分配合成及匹配電路的輸出端與所述第二級PHEMT管放大器的輸入端相連接，所述第二級PHEMT管放大器的輸出端與第二中間級功率分配合成及匹配電路的輸入端相連接；所述第二中間級功率分配合成及匹配電路的輸出端與第三級PHEMT管放大器的輸入端相連接，所述第三級PHEMT管放大器的輸出端與所述功率合成電路的輸入端相連接。
[0010]所述第一級PHEMT管放大器包括兩個相互并聯連接的PHEMT管和兩個三級濾波電路；所述第二級PHEMT管放大器包括八個相互并聯連接的PHEMT管和兩個三級濾波電路；所述第三級PHEMT管放大器包括十六個相互并聯連接的PHEMT管和兩個三級濾波電路；所述PHEMT管的柵極和漏極通過三級濾波電路與直流供電端連接；PHEMT管為采用0.25um柵寬的贗電高電子遷移率晶體管PHEMT制作而成；
[0011]所述第一級PHEMT管放大器、第二級PHEMT管放大器和第三級PHEMT管放大器的相互并聯的PHEMT管的柵極之間連接有電阻，漏極之間也連接有電阻。
[0012]所述電阻為用于降低和阻止奇模振蕩的奇模電阻。
[0013]所述三級濾波電路為三級RC濾波電路。
[0014]與已有技術相比，本發明有益效果體現在:
[0015]本發明的X波段單片功率放大器，涉及微波毫米波集成電路設計、芯片制造與流片封裝【技術領域】，特別涉及一種廣泛應用于X波段各類有源雷達組件或相控陣雷達陣列以及微波通信系統中的單芯片功率放大器的設計與制作。本發明的X波段單片功率放大器，是在GaAs (砷化鎵)基材上，采用0.25um柵寬的贗電高電子遷移率晶體管(PHEMT)工藝進行制造。X波段單片功率放大器由三級放大電路組成，第一級為小信號放大電路、第二級為驅動放大電路、第三級為功率放大電路，級間設有匹配電路，另輸入端口與輸出端口匹配至50歐姆。本發明專利采用0.25 的T型柵工藝提供了較小的電阻和非常好的可靠性，具有輸出功率高，效率高等優點，可降低芯片面積減小損耗，其單片尺寸為4.4mm X 4.1mm，廣泛的應用于X波段雷達與微波通信系統中。
[0016]本發明的X波段單片功率放大器，利用MMIC工藝制造，工作在X波段，具有能夠提高寬帶性能、實現了功率放大器的寬帶高功率輸出、可降低芯片面積減小損耗且可靠性好等優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明所提出的X波段單片功率放大器系統的整體框圖。
[0018]圖2為本發明所述X波段單片功率放大器的三級PHEMT管放大器的結構框圖。
[0019]圖1和圖2中標記:I單芯片，2輸入匹配與功率分配電路，3三級PHEMT管放大器，3-1第一級PHEMT管放大器，3-2第二級PHEMT管放大器，3-3第三級PHEMT管放大器，4輸出匹配及功率合成電路，5PHEMT管，6三級RC濾波電路，7第一中間級功率分配合成及匹配電路，8奇模電阻，9第二中間級功率分配合成及匹配電路，10功率分配電路，11功率合成電路。
[0020]以下通過【具體實施方式】，并結合附圖對本發明作進一步說明。【具體實施方式】
[0021]參見附圖1和圖2，X波段單片功率放大器，其包括單芯片1，所述單芯片I上集成有輸入匹配電路2、功率分配電路10、三級PHEMT管放大器3、功率合成電路11和輸出匹配電路4 ;所述輸入匹配電路2的輸入端與單芯片I的外部信號輸入端RF-1N相連接,用于接入外部信號輸入源；所述輸入匹配電路2的輸出端與所述功率分配電路10的輸入端相連接，所述功率分配電路10的輸出端與三級PHEMT管放大器3的輸入端相連接；所述三級PHEMT管放大器3的輸出端與所述功率合成電路11的輸入端相連接；所述所述功率合成電路11的輸出端與所述輸出匹配電路4的輸入端相連接；所述輸出匹配電路4的輸出端與單芯片I的外部輸出端RF-OUT相連接,用于輸出放大后的信號。
[0022]所述三級PHEMT管放大器包括第一級PHEMT管放大器3_1、第二級PHEMT管放大器3-2、第三級PHEMT管放大器3-3、第一中間級功率分配合成及匹配電路7和第二中間級功率分配合成及匹配電路9 ;所述第一級PHEMT管放大器3-1的輸入端與所述功率分配電路的輸出端相連接，所述第一級PHEMT管放大器3-1的輸出端與所述第一中間級功率分配合成及匹配電路7的輸入端相連接；所述第一中間級功率分配合成及匹配電路7的輸出端與所述第二級PHEMT管放大器3-2的輸入端相連接，所述第二級PHEMT管放大器3_2的輸出端與第二中間級功率分配合成及匹配電路9的輸入端相連接；所述第二中間級功率分配合成及匹配電路9的輸出端與第三級PHEMT管放大器3-3的輸入端相連接，所述第三級PHEMT管放大器3-3的輸出端與所述功率合成電路11的輸入端相連接。
[0023]所述第一級PHEMT管放大器3_1包括兩個相互并聯連接的PHEMT管5和兩個三級濾波電路6 ;所述第二級PHEMT管放大器3-2包括八個相互并聯連接的PHEMT管5和兩個三級濾波電路6 ;所述第三級PHEMT管放大器3-3包括十六個相互并聯連接的PHEMT管5和兩個三級濾波電路6 ;所述PHEMT管的柵極和漏極通過三級濾波電路與直流供電端連接；PHEMT管5為采用0.25um柵寬的贗電高電子遷移率晶體管PHEMT制作而成；
[0024]所述第一級PHEMT管放大器3_1、第二級PHEMT管放大器3_2和第三級PHEMT管放大器3-3的相互并聯的PHEMT管5的柵極之間連接有電阻，漏極之間也連接有電阻。
[0025]所述電阻為用于降低和阻止奇模振蕩的奇模電阻8。
[0026]所述三級濾波電路6為三級RC濾波電路。
[0027]本發明的X波段單片功率放大器，是一種在GaAs單基片上集成有三級PHEMT管放大電路，第一級PHEMT管放大器的輸入端接有輸入匹配電路與芯片的外部輸入端相連，第三級PHEMT管放大器的輸出端接有輸出匹配電路與芯片的外部輸出端相連，第一級與第二級、第二級與第三級PHEMT管放大器之間接有級間匹配電路。所述輸入匹配電路與輸出匹配電路均匹配于外接50歐姆阻抗，第一級PHEMT管放大器由兩個并聯PHEMT管組成，第二級PHEMT管放大器由八個并聯PHEMT管組成，第三級PHEMT管放大器由十六個并聯PHEMT管組成。各級放大電路分別包括多個PHEMT管、三級濾波電路。PHEMT管的柵極和漏極通過三級濾波電路與直流供電端連接。所述第一級、第二級、第三級PHEMT管放大器之間的匹配電路為一體化的兩個中間級功率分配與合成以及匹配電路。所述三級PHEMT管放大器均采用
0.25um柵寬的PHEMT管工藝在GaAs基材上進行麗IC (單片微波集成電路)制造。0.25um的T型柵提供了較小的電阻和非常好的可靠性，具有輸出功率高，效率高等優點。[0028]各級PHEMT管放大器采用不同數量的PHEMT管進行放大，第一級與第二級、第二級與第三級分別采用1:4和1:2的比例推動，級間配有功率分配與合成電路和匹配電路，降低芯片面積以減小損耗，實現芯片的高功率輸出。
[0029]本發明所提供的X波段單片功率放大器，整晶圓的尺寸為6英寸，便于大批量生產，晶圓厚度為70um，芯片背面減薄并電鍍熱沉以改善器件熱阻和燒結性能。在實際應用中與麗IC工藝完全兼容，單芯片中的三級PHEMT管放大電路，通過外圍供電電路控制Vd和Vg的電壓，各級PHEMT管的柵極和漏極供電均采用三級RC濾波電路，分別針對各頻率進行逐級濾波，通過芯片外接電容可以有效抑制在X波段中的低頻振蕩，以確保芯片的全頻段穩定工作。
[0030]本發明的X波段單片功率放大器，其工作頻段為8?11GHz，全頻段性能穩定，芯片尺寸為4.4mmX 4.1mm,降低芯片面積減小損耗，實現高功率輸出，可廣泛應用于X波段各類有源雷達組件或相控陣雷達陣列以及微波通信系統等領域。
[0031]如附圖1和附圖2所示，本發明的單片功率放大器，在單芯片I上集成有輸入匹配電路2，輸入匹配電路2的輸入端連接芯片外部信號輸入源。功率分配電路的輸出端按順序依次串接三級PHEMT管放大器。輸出匹配電路4后向外輸出連接芯片外部信號輸出端。所述三級PHEMT管放大器包括依次級聯的第一級PHEMT管放大器3_1、第二級PHEMT管放大器3-2、第三級PHEMT管放大器3-3，第一級PHEMT管放大器3_1與第二級PHEMT管放大器3-2、第二級PHEMT管放大器3-2與第三級PHEMT管放大器3_3之間通過一體化的兩個中間級功率分配合成與匹配電路進行級聯，所述第一級PHEMT管放大器3-1、第二級PHEMT管放大器3-2、第三級PHEMT管放大器3-3分別包括PHEMT管5、三級RC濾波電路6，所述PHEMT管5的柵極和漏極分別通過三級RC濾波電路6與供電端連接，所述第一級PHEMT管放大器3-1包括兩個PHEMT管5、第二級PHEMT管放大器3_2包括八個PHEMT管5、第三級PHEMT管放大器3-3包括十六個PHEMT管5，所述第一級PHEMT管放大器3-1、第二級PHEMT管放大器3-2、第三級PHEMT管放大器3-3中并聯PHEMT管5的柵極與漏極之間均連接有奇模電阻8。
[0032]本實施例采用MMIC工藝制造，X波段單片功率放大器實際應用中與MMIC工藝完全兼容，單芯片中的三級PHEMT管放大器3，通過外圍供電電路控制電壓Vd、Vg，各級PHEMT管放大器的Vdl、Vd2、Vd3和Vgl、Vg2、Vg3供電均采用三級RC濾波電路6，分別對8?12GHz、3?10GHz、l?5GHz進行逐級濾波，再通過外接芯片外電容，提高X波段功率放大器的全頻段穩定性和寬帶性能。該芯片采用了三級PHEMT管放大器，各級PHEMT管放大器分別采用了兩個、八個、十六個PHEMT管，且各PHEMT管直接連接有一體化功率分配合成與匹配電路，使得輸出阻抗匹配與功率分配合成電路一體化實現，有效降低芯片面積以減小損耗，實現芯片的高功率輸出。
[0033]本實施例可廣泛應用于X波段各類有源雷達組件或相控陣雷達陣列以及微波通信系統等領域，其工作頻帶在8?IlGHz內性能穩定,芯片尺寸為4.4mmX4.1mm。
[0034]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.X波段單片功率放大器，其特征是，包括單芯片(I )，所述單芯片(I)上集成有輸入匹配電路(2 )、功率分配電路(10 )、三級PHEMT管放大器(3 )、功率合成電路(11)和輸出匹配電路(4);所述輸入匹配電路(2)的輸入端與單芯片(I)的外部信號輸入端RF-1N相連接，用于接入外部信號輸入源；所述輸入匹配電路(2)的輸出端與所述功率分配電路(10)的輸入端相連接，所述功率分配電路(10)的輸出端與三級PHEMT管放大器(3)的輸入端相連接；所述三級PHEMT管放大器(3)的輸出端與所述功率合成電路(11)的輸入端相連接；所述所述功率合成電路(11)的輸出端與所述輸出匹配電路(4)的輸入端相連接；所述輸出匹配電路(4)的輸出端與單片芯片(I)的外部輸出端RF-OUT相連接，用于輸出放大后的信號。
2.根據權利要求1所述的X波段單片功率放大器，其特征是，所述三級PHEMT管功率放大器包括第一級PHEMT管放大器(3-1)、第二級PHEMT管放大器(3_2)、第三級PHEMT管放大器(3-3)、第一中間級功率分配合成及匹配電路(7)和第二中間級功率分配合成及匹配電路(9);所述第一級PHEMT管放大器(3-1)的輸入端與所述功率分配電路的輸出端相連接，所述第一級PHEMT管放大器(3-1)的輸出端與所述第一中間級功率分配合成及匹配電路(7)的輸入端相連接；所述第一中間級功率分配合成及匹配電路(7)的輸出端與所述第二級PHEMT管放大器(3-2)的輸入端相連接，所述第二級PHEMT管放大器(3_2)的輸出端與第二中間級功率分配合成及匹配電路(9)的輸入端相連接；所述第二中間級功率分配合成及匹配電路(9)的輸出端與第三級PHEMT管放大器(3-3)的輸入端相連接，所述第三級PHEMT管放大器(3-3)的輸出端與所述功率合成電路(11)的輸入端相連接。
3.根據權利要求2所述的X波段單片功率放大器，其特征是，所述第一級放大器(3-1)包括兩個相互并聯連接的PHEMT管(5)和兩個三級濾波電路(6);所述第二級PHEMT管放大器(3-2 )包括八個相互并聯連接的PHEMT管(5 )和兩個三級濾波電路(6 );所述第三級PHEMT管放大器(3-3)包括十六個相互并聯連接的PHEMT管(5)和兩個三級濾波電路(6);所述PHEMT管的柵極和漏極通過三級濾波電路與直流供電端連接；PHEMT管(5)為采用0.25um柵寬的贗電高電子遷移率晶體管PffiMT制作而成； 所述第一級PHEMT管放大器(3-1)、第二級PHEMT管放大器(3_2)和第三級PHEMT管放大器(3-3)的相互并聯的PHEMT管(5)的柵極之間連接有電阻，漏極之間也連接有電阻。
4.根據權利要求3所述的X波段單片功率放大器，其特征是，所述電阻為用于降低和阻止奇模振蕩的奇模電阻(8 )。
5.根據權利要求3所述的X波段單片功率放大器，其特征是，所述三級濾波器(6)為三級RC濾波電路。
【文檔編號】H03F3/20GK103812458SQ201410040266
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】張忠祥, 陳明生, 魯世斌, 范程華, 張量, 水泉, 沈濱翼, 靳振龍, 許瑩瑩 申請人:合肥師范學院, 安徽易科技術有限公司