基于GaAs工艺ka波段高效率功率放大器

本技术涉及射频功率放大器领域，具体涉及一种基于gaas工艺ka波段高效率功率放大器。

背景技术：

1、在ka波段(26.5-40ghz)通信系统的链路架构中，功率放大器处于射频前端的核心位置，其性能直接决定系统的信号覆盖范围、传输可靠性与通信质量，目前，gaas基ka波段功率放大器已在多个关键领域实现规模化应用。在通信领域，5g ka波段基站的射频单元中，基于gaas phemt工艺的功率放大器已成为主流配置，全球主流通信设备厂商的ka波段基站产品均采用该类方案。尽管gaas基ka波段功率放大器已实现广泛应用，但随着通信技术向6g演进及ka波段应用场景的拓展，现有方案仍存在三大核心瓶颈：一是功率效率不足；二是线性度与带宽的平衡矛盾；三是集成度与可靠性待提升。因此研发具有高效率、高线性度、高集成度的新型ka波段gaas功率放大器，具有迫切的技术必要性与应用价值。

技术实现思路

1、本实用新型提供了一种基于0.15um gaas phemt工艺ka波段高效率功率放大器，通过三级级联、功率分配合成的方式实现高功率输出。输出级匹配网络采用二次谐波抑制技术，设计了二次谐波抑制网络结构，该二次谐波抑制网络结构采用四分之一波长微带线做偏置网络和多级电抗匹配相结合组成输出端配套网络，将二次谐波接到地，避免谐波能量在电路中来回来反射消耗。输入匹配网络用t型匹配网络结构、级间匹配网络采用lc串联结构和t型结构相结合的匹配网络可适应宽频带范围内正常工作。输入级采用一个管芯作为放大级，驱动级采用两个管芯进行两路簇丛式功率分配到下一级，输出级采用四个管芯进行四路簇丛式功率合成至两路再合成至一路到输出，实现功率合成。本实用新型在34ghz～38ghz实现三级放大，输出功率≥29.5dbm，功率附加效率≥34％。

2、所述ka波段高效率功率放大器整体电路如图1所示，电容c1作为信号输入端的隔直电容，隔离直流，避免静态工作点相互干扰，所示电路中的微带线tl1、微带线tl2和接地电容c2构成所述的输入匹配网络，电容c1的第一个端口接射频信号输入端rfin，第二个端口接微带线tl1的第一个端口，微带线tl1的第二个端口接微带线tl2的第一个端口和电容c2的第一个端口，电容c2的第二个端口接地，微带线tl2的第二个端口接微带线tl101的第一个端口和微带线tl3的第一个端口。微带线tl101的第二个端口接接地电容c101的第一个端口和输入级栅端偏置电压vgs1构成了输入级栅端偏置电路，微带线tl3的第二个端口接输入级管芯m1的1端口将输入匹配网络、输入级偏置电路和m1三者连接起来更好的实现阻抗匹配。

3、输入级管芯m1的2端口连接微带线tl4的第一个端口，3端口接地。微带线tl4的第二个端口连接微带线tl102的第一个端口和微带线tl5的第一个端口，微带线tl102和接地电容c102构成输入级管芯m1的漏极偏置电路，微带线tl102的第二个端口接接地电容c102的第一个端口和漏端输入电压vds1保证输入级管芯m1可以正常工作。微带线tl5和电容c3构成lc串联型匹配网络，tl5的第二个端口连接电容c3的第一个端口，电容c3的第二个端口和分成两路分别连接微带线tl6的第一个端口和微带线tl7的第二个端口，电容c3的作用是隔绝直流，避免静态工作点的相互影响。微带线tl6的第一个端口连接微带线tl7的第一个端口和电容c3的第一个端口，微带线tl6的第二个端口连接接地电容c4的第一个端口和微带线tl8的第一个端口，微带线tl6、接地电容c4和微带线tl7三者构成t型匹配网络，微带线tl5、电容c3、微带线tl6、接地电容c4和微带线tl8构成所述的采用lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络，实现输入级管芯m1负载端和驱动级管芯m2源端的阻抗匹配。微带线tl8的第二个端口接微带线tl103的第一个端口和微带线tl10的第一个端口，微带线tl103的第二个端口接接地电容c103的第一个端口和驱动级管芯m2的栅极偏置电压vgs2_1，微带线tl103和接地电容c103构成驱动级管芯m2的栅极偏置电路，电压vgs2_1为驱动级管芯m2提供静态工作点。微带线tl10的第二个端口接电阻r1的第一个端口和微带线tl12的第一个端口，微带线tl12的第二个端口接驱动级管芯m2的1端口；微带线tl7的第一个端口接电容c3的第二个端口和微带线tl6的第一个端口，微带线tl7的第二个端口接接地电容c5的第一个端口和微带线tl9的第一个端口，微带线tl7、接地电容c5和微带线tl9构成t型匹配网络，微带线tl5、电容c3、微带线tl7、接地电容c5和微带线tl9构成所述的采用lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络，实现输入级管芯m1负载端和驱动级管芯m3源端的阻抗匹配。微带线tl9的第二个端口接微带线tl104的第一个端口和微带线tl11的第一个端口，微带线tl104的第二个端口接接地电容c104的第一个端口和驱动级管芯m3的栅极输入电压vgs2_2，微带线tl104和接地电容c104构成驱动级管芯m3的栅极偏置电路，电压vgs2_2为驱动级管芯m3提供静态工作点。微带线tl11的第二个端口接电阻r1的第二个端口和微带线tl13的第一个端口，微带线tl13的第二个端口接驱动级管芯m3的1端口；微带线tl6、接地电容c4、微带线tl8构成的t型匹配网络与微带线tl7、接地电容c5和微带线tl9构成的t型匹配网络完全相同。微带线tl103、接地电容c103构成的栅极偏置电路与微带线tl104、接地电容c104构成的栅极偏置电路完全相同；微带线tl10、微带线tl12构成的连接结构与微带线tl11、微带线tl13构成的连接结构完全相同；驱动级管芯m2与驱动级管芯m3的尺寸完全相同，构成所述的两路簇丛式输出到下一级，栅极偏置电压vgs2_1与栅极偏置电压vgs2_2完全相同。

4、驱动级管芯m2的2端口连接微带线tl14的第一个端口，3端口接地。微带线tl14的第二个端口连接微带线tl105的第一个端口和微带线tl16的第一个端口；微带线tl105的第二个端口连接接地电容c105的第一个端口和驱动级管芯m2漏极偏置电压vds2_1，微带线tl105和接地电容c105构成驱动级管芯m2的漏极偏置电路，漏极偏置电压vds2_1为驱动级管芯m2漏极提供静态工作点。微带线tl16的第二个端口连接电容c6的第一个端口，电容c6作为所述的驱动级和输出级的隔直电容，避免静态工作点相互干扰。电容c6的第二个端口连接微带线tl107的第一个端口和微带线tl18的第一个端口，微带线tl107的第二个端口连接接地电容c107的第一个端口和栅极偏置电压vgs3_1，微带线tl107和接地电容c107构成所述输出级管芯m4、m5的栅极偏置电路，栅极偏置电压vgs3_1为输出级管芯m4、m5提供静态工作点。微带线tl18的第二个端口连接微带线tl20的第一个端口和微带线tl21的第一个端口，微带线tl20的第二个端口连接接地电容c8的第一个端口和微带线tl24的第一个端口，微带线tl24的第二个端口连接电阻r2的第一个端口和输出级管芯m4的1端口。微带线tl21的第一个端口连接微带线tl18的第二个端口和微带线tl20的第一个端口，微带线tl21的第二个端口连接接地电容c9的第一个端口和微带线tl25的第一个端口，微带线tl25的第二个端口连接电阻r2的第二个端口和输出级管芯m5的1端口。微带线tl20、接地电容c8和和微带线tl24构成t型匹配网络，微带线tl21、接地电容c9和微带线tl25构成t型匹配网络，微带线tl20、接地电容c8和和微带线tl24构成t型匹配网络与微带线tl21、接地电容c9和微带线tl25构成t型匹配网络对称且参数完全相同。微带线tl16、电容c6、微带线tl18、微带线tl20、接地电容c8和微带线构成所述的lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络，实现驱动级管芯m2负载端与输出级管芯m4源端的阻抗匹配；微带线tl16、电容c6、微带线tl18、微带线tl21、接地电容c9和微带线tl25构成所述的lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络，实现驱动级管芯m2负载端和输出级管芯m5源端的阻抗匹配；电阻r2的第一个端口连接输出级管芯m4的一端口，电阻r2的第二个端口连接输出级管芯m5的1端口，电阻r2连接m4、m5是为了防止电路震荡，提高电路的稳定性。

5、驱动级管芯m3的2端口连接微带线tl15的第一端口，3端口接地。微带线tl15的第二个端口连接微带线tl106的第一个端口和微带线tl17的第一个端口，微带线tl106的第二个端口连接接地电容c106的第一个端口和漏极偏置电压vds2_2，微带线tl106和接地电容c106构成所述驱动级管芯m3的漏极偏置电压，漏极偏置电压vds2_2为驱动级管芯m3提供静态工作点。微带线tl17的第二个端口连接电容c7的第一个端口，电容c7作为所述驱动级和输出级的隔直电容，避免静态工作点的相互影响，电容c7的第二个端口连接微带线tl108的第一个端口和微带线tl19的第一个端口，微带线tl108的第二个端口连接接地电容c108的第一个端口和栅极偏置电压vgs3_2，微带线tl108和接地电容c108构成所述输出级管芯m6、m7的栅极偏置电路，栅极偏置电压vgs3_2为输出级管芯m6、m7提供静态工作点。微带线tl19的第二个端口连接微带线tl22的第一个端口和微带线tl23的第一个端口，微带线tl22的第二个端口连接接地电容c10的第一个端口和微带线tl26的第一个端口，微带线tl26的第二个端口连接电容r3的第一个端口和输出级管芯m6的1端口；微带线tl22、接地电容c10和微带线tl26构成t型匹配网络。微带线tl23的第一个端口连接微带线tl19的第二个端口和微带线tl22的第一个端口，微带线tl23的第二个端口连接接地电容c11的第一个端口和微带线tl27的第一个端口，微带线tl27的第二个端口连接电阻r3的第二个端口和输出级管芯m7的1端口；微带线tl23、接地电容c11和微带线tl27构成t型匹配网络。电阻r3连接m6、m7防止电路震荡，提高电路稳定性；微带线tl22、接地电容c10和微带线tl26构成t型匹配网络与微带线tl23、接地电容c11和微带线tl27构成t型匹配网络对称且参数完全相同。微带线tl17、电容c7、微带线tl19、微带线tl22、接地电容c10和微带线tl26构成所述的lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络，实现驱动级管芯m3的负载端与输出级管芯m6源极的阻抗匹配。微带线tl17、电容c7、微带线tl19、微带线tl23、接地电容c11和微带线tl27构成所述的lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络，实现驱动级管芯m3负载端和输出级管芯m7源端的阻抗匹配。微带线tl105和接地电容构成的漏极偏置网络与微带线tl106和接地电容c106构成的漏极偏置电路完全对称且参数完全相同；漏极偏置电压vds2_1与漏极偏置电压vds2_1参数完全相同。微带线tl16、电容c6、微带线tl18、微带线tl20、接地电容c8、微带线tl24、微带线tl21、接地电容c9和微带线tl25构成所述的lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络与微带线tl17、电容c7、微带线tl19、微带线tl22、接地电容c10、微带线tl26、微带线tl23、接地电容c11和微带线tl27构成所述的lc串联结构和t型结构相结合的级间匹配网络完全对称且参数相同。微带线tl107和接地电容c107构成的栅极偏置电路与微带线tl108和接地电容c108构成的栅极偏置电路完全对称且参数完全相同；栅极偏置电压vgs3_1与栅极偏置电压vgs3_2参数完全相同；电阻r2与电阻r3参数完全相同；输出级管芯m4、m5、m6、m7参数完全相同构成所述的四路簇丛式输出。

6、输出级管芯m4的2端口连接电阻r4的第一个端口和微带线tl28的第一个端口，3端口接地。微带线tl28的第二个端口连接接地电容c12和微带线tl32第一个端口，微带线tl28、接地电容c12和微带线tl32构成t型匹配网络。微带线tl32的第二个端口连接微带线tl109的第一个端口、微带线tl33的第二个端口和tl36的第一个端口，微带线tl36第二个端口连接接地电容c16的第一个端口和微带线tl38的第一个端口，微带线tl38的第二个端口连接接地电容c18的第一个端口和电容c19的第一个端口；电容c19的第二个端口接到射频信号输出端rfout。微带线tl109的第二个端口连接接地电容c109的第一个端口和漏极偏置电压vds3_1，微带线tl109和接地电容c109构成所述的输出级管芯m4、m5的四分之一波长微带线做偏置网络电路，漏极偏置电压vds3_1为输出级管芯提供静态工作点，保证电路的正常工作。

7、输出级管芯m5的第二个端口连接电阻r4的第二个端口和微带线tl29的第一个端口，3端口接地。微带线tl29的第二个端口连接接地电容c13的第一个端口和微带线tl33的第一个端口，微带线tl33的第二个端口连接tl32的第二个端口、微带线t109的第一个端口和微带线tl36的第一个端口。微带线tl29、接地电容c13和微带线tl33构成t型匹配网络，微带线tl28、接地电容c12和微带线tl32构成的t型匹配网络与微带线tl29、接地电容c13和微带线tl33构成的t型匹配网络对称且参数完全相同。微带线tl28、接地电容c12和微带线tl32构成的t型匹配网络、微带线tl29、接地电容c13和微带线tl33构成的t型匹配网络、微带线tl109和接地电容c109构成的四分之一波长微带线做偏置网络电路、微带线tl36、接地电容c16、微带线tl38和接地电容c18构成的电抗匹配网络四部分共同构成所述的四分之一波长微带线做偏置网络和多级电抗匹配相结合组成的输出端配套网络。

8、输出级管芯m6的2端口连接电阻r5的第一个端口和微带线tl30的第一个端口，3端口接地。微带线tl30的第二个端口连接接地电容c14的第一个端口和微带线tl34的第一个端口，微带线tl30、接地电容c14和微带线tl34构成t型匹配网络。微带线tl34的第二个端口连接微带线tl110的第一个端口、微带线tl35的第一个端口和微带线tl37的第一个端口，微带线tl37的第二个端口连接接地电容c17的第一个端口和微带线tl38第一个端口，微带线tl38第二个端口连接接地电容c18第一个端口和电容c19的第一个端口。

9、输出级管芯m7的2端口连接电阻r5的第二个端口和微带线tl31的第一个端口，3端口接地。微带线tl31的第二个端口连接接地电容c15的第一个端口和微带线tl35的第一个端口，微带线tl31、接地电容c15和微带线tl35构成t型匹配网络。微带线tl35的第二个端口连接微带线110第一个端口、微带线tl34的第二个端口和微带线tl35的第一个端口；微带线tl110第二个端口连接接地电容c110的第一个端口和漏极偏置电压vds3_2。微带线tl110和接地电容c110构成所述的输出级管芯m6、m7的四分之一波长微带线做偏置网络电路，漏极偏置电压vds3_2为输出级管芯m6、m7提供静态工作点。微带线tl30、接地电容c14和微带线tl34构成t型匹配网络与微带线tl31、接地电容c15和微带线tl35构成t型匹配网络完全对称且参数完全相同。微带线tl30、接地电容c14和微带线tl34构成的t型匹配网络、微带线tl31、接地电容c15和微带线tl35构成的t型匹配网络、微带线tl110和接地电容c110构成的四分之一波长微带线做偏置网络电路、微带线tl37、接地电容c17、微带线tl38和接地电容c18构成的电抗匹配网络四部分共同构成所述的四分之一波长微带线做偏置网络和多级电抗匹配相结合组成的输出端配套网络。微带线tl28、接地电容c12和微带线tl32构成的t型匹配网络、微带线tl29、接地电容c13和微带线tl33构成的t型匹配网络、微带线tl109和接地电容c109构成的四分之一波长微带线做偏置网络电路、微带线tl36、接地电容c16、微带线tl38和接地电容c18构成的电抗匹配网络四部分共同构成所述的四分之一波长微带线做偏置网络和多级电抗匹配相结合组成的输出端配套网络与微带线tl30、接地电容c14和微带线tl34构成的t型匹配网络、微带线tl31、接地电容c15和微带线tl35构成的t型匹配网络、微带线tl110和接地电容c110构成的四分之一波长微带线做偏置网络电路、微带线tl37、接地电容c17、微带线tl38和接地电容c18构成的电抗匹配网络四部分共同构成所述的四分之一波长微带线做偏置网络和多级电抗匹配相结合组成的输出端配套网络完全相同。漏极偏置电压vds3_1与漏极偏置电压vds3_2参数完全相同；电阻r4与电阻r5的参数完全相同，电阻r4的第一个端口连接输出级管芯m4的2端口，电阻r4的第二个端口连接输出级管芯m5的2端口起到防止电路震荡的作用；电阻r5的第一个端口连接输出级管芯m6的2端口，电阻r5的第二个端口连接输出级管芯m7的2端口起到防止电路震荡的作用。