X波段單片功率放大器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種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。本實用新型的X波段單片功率放大器，具有能夠提高寬帶性能、實現(xiàn)了功率放大器的寬帶高功率輸出、可靠性好等優(yōu)點。
【專利說明】X波段單片功率放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種X波段單片功率放大器。

【背景技術(shù)】
[0002] 功率放大器是雷達(dá)通信、衛(wèi)星通信、微波通信等領(lǐng)域中高靈敏度發(fā)射與接收機(jī)中 的關(guān)鍵部件，通過功率放大器實現(xiàn)信號的放大和功率的輸出。
[0003] MMIC(Monolithic 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(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點，并可 縮小的電子設(shè)備體積、減輕重量、降低價格，成為設(shè)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(shù)的X波段功率放大器在雷達(dá)、無線通信與微波成像 等軍民用途中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)IEEE521-2002標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)展的"調(diào)幅廣播。
[0004] 穩(wěn)定性問題是功率放大器設(shè)計中的一個重點和難點，因為在較低頻段內(nèi)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(wěn)定工作。為了降低低頻振蕩提高穩(wěn) 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(jié) 構(gòu)形式，該耦合電路采用較小的電阻和電容即可使電路達(dá)到穩(wěn)定，但其需占用較大的電路 面積，且該匹配電路屬于窄帶結(jié)構(gòu)，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(xiàn)功率放大器的寬帶高功率輸出。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型是為避免上述已有技術(shù)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(xiàn)功率放大器的寬帶高功率輸出。
[0006] 本實用新型為解決技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案。
[0007] X波段單片功率放大器，其結(jié)構(gòu)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 Mobility Transistor，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-IN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-0UT相連接，用于輸出放大后的 信號。
[0008] 本實用新型的X波段單片功率放大器的結(jié)構(gòu)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(shù)相比，本實用新型有益效果體現(xiàn)在：
[0015] 本實用新型的X波段單片功率放大器，涉及微波毫米波集成電路設(shè)計、芯片制造 與流片封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種廣泛應(yīng)用于X波段各類有源雷達(dá)組件或相控陣?yán)走_(dá)陣 列以及微波通信系統(tǒng)中的單芯片功率放大器的設(shè)計與制作。本實用新型的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(jìn)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(qū)動放大電路、第三級為功率放大電路，級間設(shè)有匹配電路，另輸入端口與輸出端 口匹配至50歐姆。本實用新型專利采用0. 25 μ m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(yōu)點，可降低芯片面積減小損耗，其單片尺寸為 4. 4mmX 4. 1mm，廣泛的應(yīng)用于X波段雷達(dá)與微波通信系統(tǒng)中。
[0016] 本實用新型的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(xiàn)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(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本實用新型所提出的X波段單片功率放大器系統(tǒng)的整體框圖。
[0018] 圖2為本實用新型所述X波段單片功率放大器的三級PHEMT管放大器的結(jié)構(gòu)框 圖。
[0019] 圖1和圖2中標(biāo)記：1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(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)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1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1的外部信號輸入端RF-IN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1的外部輸出端RF-0UT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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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] 本實用新型的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(lián)PHEMT管組 成，第二級PHEMT管放大器由八個并聯(lián)PHEMT管組成，第三級PHEMT管放大器由十六個并聯(lián) 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 器均采用〇. 25um柵寬的PHEMT管工藝在GaAs基材上進(jìn)行MMIC (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(yōu)點。
[0028] 各級ΡΗΕΜΤ管放大器采用不同數(shù)量的ΡΗΕΜΤ管進(jìn)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(xiàn)芯片的高功率輸出。
[0029] 本實用新型所提供的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(chǎn)，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(jié)性能。在實際應(yīng)用 中與麗1C工藝完全兼容，單芯片中的三級ΡΗΕΜΤ管放大電路，通過外圍供電電路控制Vd和 Vg的電壓，各級ΡΗΕΜΤ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(jìn)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(wěn)定工作。
[0030] 本實用新型的X波段單片功率放大器，其工作頻段為8?11GHz，全頻段性能穩(wěn)定， 芯片尺寸為4. 4mmX 4. 1mm，降低芯片面積減小損耗，實現(xiàn)高功率輸出，可廣泛應(yīng)用于X波段 各類有源雷達(dá)組件或相控陣?yán)走_(dá)陣列以及微波通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。
[0031] 如附圖1和附圖2所示，本實用新型的單片功率放大器，在單芯片1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ΡΗΕΜΤ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ΡΗΕΜΤ管放大器包括依次級聯(lián)的第一級ΡΗΕΜΤ管放大器3-1、第二級ΡΗΕΜΤ管 放大器3-2、第三級ΡΗΕΜΤ管放大器3-3,第一級ΡΗΕΜΤ管放大器3-1與第二級ΡΗΕΜΤ管放 大器3-2、第二級ΡΗΕΜΤ管放大器3-2與第三級ΡΗΕΜΤ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(jìn)行級聯(lián)，所述第一級ΡΗΕΜΤ管放大器3-1、第二級ΡΗΕΜΤ 管放大器3-2、第三級ΡΗΕΜΤ管放大器3-3分別包括ΡΗΕΜΤ管5、三級RC濾波電路6,所述 ΡΗΕΜΤ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ΡΗΕΜΤ管 放大器3-1包括兩個ΡΗΕΜΤ管5、第二級ΡΗΕΜΤ管放大器3-2包括八個ΡΗΕΜΤ管5、第三級 ΡΗΕΜΤ管放大器3-3包括十六個ΡΗΕΜΤ管5,所述第一級ΡΗΕΜΤ管放大器3-1、第二級ΡΗΕΜΤ 管放大器3-2、第三級ΡΗΕΜΤ管放大器3-3中并聯(lián)ΡΗΕΜΤ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(yīng)用中與MMIC工藝完全 兼容，單芯片中的三級ΡΗΕΜΤ管放大器3,通過外圍供電電路控制電壓Vd、Vg，各級ΡΗΕΜΤ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、1?5GHz進(jìn)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(wěn)定性和寬帶性能。該芯片采用了三級ΡΗΕΜΤ管放大器，各級ΡΗΕΜΤ管放大器分別采 用了兩個、八個、十六個ΡΗΕΜΤ管，且各ΡΗΕΜΤ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(xiàn)，有效降低芯片面積以減小損耗，實 現(xiàn)芯片的高功率輸出。
[0033] 本實施例可廣泛應(yīng)用于X波段各類有源雷達(dá)組件或相控陣?yán)走_(dá)陣列以及微波通 信系統(tǒng)等領(lǐng)域，其工作頻帶在8?11GHz內(nèi)性能穩(wěn)定，芯片尺寸為4. 4mmX4. 1mm。
[0034] 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. x波段單片功率放大器，其特征是，包括單芯片（1)，所述單芯片（1)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（1)的外部信號輸入端RF-IN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⑷的輸出端與單芯片⑴的外部輸出端RF-OUT相連接，用于輸出放大后的信號； 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(jìn)行MMIC 制造；芯片尺寸為4. 4mmX4. 1謹(jǐn)。
2. 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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PHEMT管放 大器（3-1)包括兩個相互并聯(lián)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(lián)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(lián)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； 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(lián)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求3所述的X波段單片功率放大器，其特征是，所述三級濾波電路（6)為 三級RC濾波電路。
【文檔編號】H03F1/42GK203851103SQ201420053739
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月27日
【發(fā)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(xué)院, 安徽易科技術(shù)有限公司