一种脉冲功率倍越式微波功率放大器的制作方法

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1.本发明属于微波集成电路技术领域，涉及的是一种微波功率放大器。


背景技术：

2.微波功率放大器通常用在发射机中，起将微波信号放大的作用，是相控阵雷达、微波通信、星际宇航等系统的核心元器件。国内基于gaas、gan工艺的微波功率放大器已得到长足发展，更高效率、更大功率、更优良的信号放大能力是其追逐的目标。
3.微波功率放大器用在发射机中末端，它将调制信号放大到足够大，以便调制信号经天线辐射出去后能够到达目标距离。脉冲雷达通过测量发射、接收的脉冲信号时间差实现目标距离的测量。根据雷达方程pr＝(p
t
g2λ2σ)/(64π3r4)可知雷达的最大探测距离r
max
∝
p
t1/4
，即在接收机灵敏度、目标散射界面、天线增益与有效面积不变的情况下，发射功率p
t
提高一倍，最大探测距离r
max
约变为原来的1.2倍。提高单个微波功率放大器的饱和输出功率po能提高发射功率p
t
，减小组件里微波功率放大器合成路数。微波功率放大器会通常会采用2-4级放大结构，这样既能获得足够的放大倍数且保持稳定，图1所示为传统的典型3级放大结构。微波功率放大器的输出功率随着输入功率增加会逐渐产生增益压缩，输出功率达到最大时称为饱和输出功率po，它不会超过末级晶体管的最大输出功率。受到末级晶体管的功率密度、击穿电压、热耗、尺寸等因素限制，po到达一定值后较难再提升，如采用mmic制作的基于gaas工艺的脉冲工作ku波段功率放大器芯片po较难做到15w，基于gan工艺的脉冲工作ku波段功率放大器芯片po较难做到100w。
4.目前，提高脉冲工作微波功率放大器饱和输出功率采用的方法有：1、提高工作电压，如采用高电压工艺的管芯、cascode(共源共栅)管芯结构提高放大器工作电压，使得在相同电流条件下饱和输出功率更大，但是前者依靠工艺的改进，后者增加设计难度和放大器尺寸，两者都会一定程度上降低可靠性；2、微波功率放大器末级采用更多的晶体管，但是设计难度更大，合成效率受影响，尺寸变大，热耗增大导致可靠性变差。目前所采用的方法均是通过提高微波功率放大器的末级晶体管的输出功率来提高饱和输出功率。


技术实现要素：

5.技术目的：本发明的目的是在同等晶体管功率密度的和可靠性的前提下，提高脉冲工作微波功率放大器的饱和输出功率，从而提高信号发射距离，减小组件复杂度和体积。
6.技术方案：本发明采用如下技术手段加以实现：
7.一种脉冲功率倍越式微波功率放大器，其特征在于：包括前级放大匹配电路、末级晶体管、偏置电路、匹配电路和时延电路，采用mmic或者hmic制作，所述前级放大匹配电路、末级晶体管、匹配电路、时延电路沿着微波信号传输方向依次连接，所述偏置电路提供末级晶体管所需要的脉冲工作电压，所述前级放大匹配电路提供末级晶体管的驱动信号，所述末级晶体管将信号放大，输出高功率脉冲调制信号，所述匹配电路提供末级晶体管与时延电路之间的匹配，所述时延电路对信号具有时延作用，步进为一个脉冲周期，通过外加信号
控制延迟时间长短；
8.经末级晶体管放大输出后的高功率脉冲调制信号，在前一个脉冲上升沿到达时延电路前，时延电路已设置为延迟时间长的模式，并保持至此脉冲峰值结束，接着在后一个脉冲上升沿到达时延电路前，时延电路的延迟时间减小一个步进，并保持至此脉冲峰值结束，不断重复，每k次开始循环，则相邻k个脉冲信号依次产生延迟时间减小一个周期的时延，它们的脉冲峰值将同时到达输出端并进行叠加，所述微波功率放大器输出k倍饱和输出功率，k为正整数，当k取不同值时输出不同饱和输出功率。
9.进一步地，所述末级晶体管包括一个或多个微波功率晶体管，数量根据输出功率值与晶体管功率密度确定。
10.进一步地，所述微波功率晶体管是基于gaas或gan工艺的fet或hemt。
11.进一步地，所述时延电路为用于延缓信号释放的n位时延器，延迟时间多档可调。
12.进一步地，所述时延电路切换至不同时延模式需要一定的切换时间，该切换时间小于脉冲周期与脉冲宽度之差。
13.本发明的有益效果：
14.本发明不仅在同等晶体管功率密度的和可靠性的前提下，实现了脉冲工作微波功率放大器饱和输出功率倍增，还可通过控制时延电路，使得微波功率放大器输出1、2、
…
m(m为正整数)倍饱和输出功率，具有饱和输出功率大、饱和输出功率可调的特点，有助于减小组件复杂度和体积，值得在业内推广。
附图说明：
15.图1为传统功率放大器典型的3级放大结构图；
16.图2为本发明提出的脉冲功率倍越式微波功率放大器结构框图；
17.图3为实施例一结构框图；
18.图4为匹配电路原理图；
19.图5为时延电路原理图；
20.图6为实施例一工作过程分析图；
21.图7为实施例二结构框图；
22.图8为实施例二工作过程分析图；
23.附图标记说明：1—前级放大匹配电路；2—末级晶体管；3—偏置电路；4—匹配电路；5—时延电路。
具体实施方式：
24.本发明提出一种脉冲功率倍越式微波功率放大器，结构如图2所示。本发明放大器包括前级放大匹配电路1、末级晶体管2、偏置电路3、匹配电路4、时延电路5，采用mmic或者hmic形式制作。前级放大匹配电路1、末级晶体管2、匹配电路4、时延电路5沿着微波信号传输方向依次连接。偏置电路3提供末级晶体管2所需要的脉冲工作电压；前级放大匹配电路1提供末级晶体管2的驱动信号；末级晶体管2将信号放大，输出高功率脉冲调制信号；匹配电路4实现末级晶体管2到时延电路5的匹配，应具有损耗小频带宽的特点。时延电路5对信号具有时延作用。时延电路5不同时延路径组合实现多种时延模式，步进为一个脉冲周期，通
过外加ttl信号控制开关选择时延路径，从而控制延迟时间长短。
25.经末级晶体管2放大后的脉冲调制信号，在前一个脉冲上升沿到达时延电路5前，时延电路5已切换为延迟时间长的模式，并保持至此脉冲峰值结束，接着在后一个脉冲上升沿到达时延电路5前，时延电路5的延迟时间减小一个步进，并保持至此脉冲峰值结束，不断重复，每k(k为正整数)次开始循环，这样相邻k个脉冲信号依次产生延迟时间减小一个周期的时延，它们的脉冲峰值将同时到达输出端并进行叠加，所述放大器输出k倍饱和输出功率(峰值)，当k取不同值时输出不同饱和输出功率。
26.本发明的工作原理：微波信号经前级放大匹配电路、末级晶体管放大后，经匹配电路到达时延电路。直流脉冲电压通过偏置电路加到功率放大器上，控制其是否工作，实现脉冲调制。经末级晶体管放大后的脉冲调制信号，在前一个脉冲上升沿到达时延电路前，时延电路已设置为延迟时间长的模式，并保持至此脉冲峰值结束；接着在后一个脉冲上升沿到达时延电路前，时延电路的延迟时间减小一个步进，并保持至此脉冲峰值结束；不断重复，每k(k为正整数)次开始循环。这样相邻k个脉冲信号依次产生延迟时间减小一个周期的时延，它们的脉冲峰值将同时到达输出端并进行叠加，从而放大器输出k倍饱和输出功率(峰值)。时延电路具有多种时延模式，可以对m(m为正整数)个连续脉冲进行上述操作，这样就可以通过控制信号进行1、2、
…
m个连续脉冲峰值叠加，实现饱和输出功率m档可调。
27.实施例一：
28.实施例一的结构框图见图3。放大器在周期t、脉宽τ＝t/2的脉冲电压下工作，微波输入信号经前级放大匹配电路1、末级晶体管2、偏置电路3、匹配电路4共同作用，输出功率为p
out
的脉冲调制信号，周期t，脉宽τ。匹配电路4的原理图如图4所示，为无源匹配电路，实现具有四个管胞的末级晶体管2到时延电路5的匹配，损耗小频带宽。时延电路5采用如图5所示的通过切换不同时延路径的方式实现。时延电路子单元为spdt开关型恒阻网络。开关选通λ/4恒阻网络时工作在延时态，具有良好的延时精度和幅度起伏；开关选通公共路径时工作在参考态。多个这样的子单元构成时延电路。延时态和参考态之间切换时间ts≤t-τ。时延电路工作在延时态时，延迟时间为3t/2，包含延迟时间为t的时延网络、延时时间为t/2的开关响应时间与公共路径；时延电路工作在参考态时，延迟时间为t/2，包含开关响应时间与公共路径。这样延时态相比参考态信号传输时间滞后一个周期t。
29.实施例一工作过程分析如图6所示。末级晶体管2与时延电路5之间的初始脉冲调制信号周期为t，脉宽为τ，峰值功率为p
out
。第一个脉冲c1上升沿(出现时间是t/2)到达时延电路5之前，时延电路5工作在延时态，于4t/2到达输出端，持续时间τ；第一个脉冲c1下降沿出现时，时延电路5输入切换至参考态，切换时间小于t-τ，这样第二个脉冲c2(上升沿出现时间是3t/2)经延时t/2，于4t/2到达输出端,持续时间τ。第二个脉冲c2下降沿出现时，时延电路5输入再切换至延时态，开关切换时间小于t-τ，第三个脉冲c3(上升沿出现时间是5t/2)经延时3t/2，于8/2t到达输出端，持续时间τ
……
如此重复，第2n-1(n为正整数)个脉冲c
2n-1
与第2n个脉冲c
2n
峰值始终同时到达输出端，输出功率为2p
out
，周期2t，脉宽τ。若时延电路5一直工作在参考态或延时态，输出端的输出功率为p
out
，周期t，脉宽τ。实现了在同等晶体管功率密度的和可靠性的前提下，脉冲工作微波功率放大器饱和输出功率翻倍，且饱和输出功率两档可调。
30.实施例二：
31.实施例二的结构框图见图7。实施例二前级放大匹配电路1、末级晶体管2、偏置电路3、匹配电路4实施方式同实施例一，工作电压仍然是周期t、脉宽τ＝t/2的脉冲电压。时延电路5为三位时延电路，为a1、a2、a3三个相同的时延模块串联，每个时延模块中参考态延时为t/4，延时态延时为5t/4(含公共路径延时)，模式转换时间t/4，这样每个时延模块延时态相比参考态信号传输时间滞后一个周期t。
32.实施例二工作过程分析如图8所示。末级晶体管2与时延电路5之间的初始脉冲调制信号周期为t，脉宽为τ，峰值功率为p
out
。第一个脉冲c1上升沿(出现时间是t/2)到达时延电路5之前，a1、a2、a3均处于延时态，经a1延时5t/4，于7t/4到达a2，9t/4后c1下降沿离开a1进入a2；在5t/4时a1输入切换至参考态(此时第一个脉冲c1峰值已在a1延时路径中传输)，第二个脉冲c2上升沿(出现时间是3t/2)经a1延时t/4，于7t/4到达a2，9t/4时c1下降沿离开a1进入a2；在10t/4时a2输入切换至参考态(此时c1、c2峰值已在a2延时路径中传输)，第三个脉冲c3上升沿(出现时间是5t/2)经a1延时t/4,于11t/4到达a2,经a2参考态延时t/4后于12t/4到达a3，c1、c2经a2延时态延时5t/4同样于12t/4到达a3，它们的下降沿都是14t/4到达a3；在15t/4时a3输入切换至参考态(此时c1、c2、c3峰值已在a3延时路径中传输)，第四个脉冲c4上升沿(出现时间是7t/2)经a1、a2延时2t/4，于16t/4到达a3，经a3参考态延时t/4后于17t/4到达输出端，c1、c2、c3经a3延时态延时5t/4同样于17t/4到达输出端，输出功率为4p
out
。20t/4时a1输入再切换至延时态，25t/4时a2输入再切换至延时态，以此类推，不断重复。这样第4n-3、4n-2、4n-1、4n(n为正整数)个脉冲峰值均能在上升沿到达前完成路径切换，且完整的脉冲传输不被阻断。四个连续脉冲会依次经过3个延时态、1个参考态2个延时态、2个参考态1个延时态，3个参考态，同时到达输出端，输出4p
out
。特别的若时延电路5只在相邻两个时延模块之间进行模式切换，输出端的输出功率为3p
out
，周期3t，脉宽τ，依此类推。实施例二实现了在同等晶体管功率密度的和可靠性的前提下，脉冲工作微波功率放大器饱和输出功率分别变为原来的4倍、3倍、2倍、1倍，且饱和输出功率四档可调。
33.值得说明的是：本发明公布的放大器不仅限于实施例，实施例中所给具体参数只是为方便说明给出了一个确定值，它们可以是满足本发明所阐述原理的其它值，如脉冲宽度τ不必一定是t/2，可以是比t小的任意正值；时延电路延时不一定非要是3t/4，可以是任意正值。
34.应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改进或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。