一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片及放大器的製造方法
2023-04-23 00:59:01 1
一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片及放大器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及電子通信【技術領域】，具體涉及一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片及放大器，包括晶片襯底上串聯連接第一放大電路和第二放大電路，晶片襯底設有按照順序設置的第一晶片工作電壓接口、微動射頻開關、第一副控接口、控制信號輸入埠、恆定電壓接口、第一放大電路開關、第二晶片工作電壓接口、第一放大電路輸入接口、第一放大電路地線接口、第一放大電路輸出接口、第二放大電路地線接口、第二放大電路輸入接口、第二副控接口、第二放大電路輸出接口、總副控開關和第二放大電路開關。晶片設有自適應偏置電路和負反饋電路。本發明解決了單片集成射頻功率放大器晶片線性度低、效率差的問題，同時提高了晶片的輸出功率和效率。
【專利說明】一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片及放大器
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子通信【技術領域】，具體涉及一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片及放大器。
【背景技術】
[0002]現有技術中，隨著現代通信技術的迅速發展，3G成為主流，4G已開始使用，5G正在加緊研發。射頻集成功率放大器是實現射頻前端的重要組成部分。當下，電信運營商採用了不同的無線通信系統，不同的無線通信系統使用的頻率和工作模式要求不同。高功率寬帶單片集成射頻功率放大器晶片應運而生。
[0003]現有集成射頻功率放大器晶片常採用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs工藝。CMOS工藝成本最低，但因其低的擊穿電壓和熱載流子效應很難製造出高效率和高功率的集成射頻功率放大器。GaAs工藝性能最好，但是製造成本昂貴。SiGe BiCMOS工藝與CMOS工藝完全兼容，而且具有較高擊穿電壓和截止頻率而越來越受到重視。常用線性化技術包括預失真、自適應偏置等。自適應偏置技術因其結構簡單，提高線性度明顯，功耗低等特點被普遍採用。補償射頻功率放大器的am-pm調製技術能進一步提高功率放大器的線性度。
[0004]現有集成射頻功率放大器晶片工作在AB類狀態，兼顧效率和線性度。單片集成射頻功率放大器晶片電路結構有採用單級電路結構的，也有多級電路結構的，兩級電路結構最為常見。單片集成射頻功率放大器晶片普遍存在的問題是線性度不夠高和功耗較大。
[0005]現有集成射頻功率放大器晶片在工作帶寬上，有窄帶、寬帶、超寬帶之分。隨著器件性能的提升，單片集成射頻功率放大器工作的頻帶越來越寬，輸出功率和效率越來越高。
【發明內容】
[0006]為了克服現有技術中的缺陷，本發明提供了一種全集成、高線性度、寬頻帶、低成本、小型化的射頻功率放大器晶片。使用SiGe BiCMOS工藝設計的寬帶射頻功率放大器晶片解決了普遍存在的問題是線性度不夠高。獲得了高線性度和更好地兼顧不同電信運營商的無線通信頻段。本發明提供的寬帶功率放大器屬於全集成單片晶片，提高了輸出功率，可以廣泛應用於雷達、通信、WLAN等領域。
[0007]本發明是通過如下技術方案實現的:一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，所述晶片包括晶片襯底，所述晶片襯底上串聯連接第一放大電路和第二放大電路，所述晶片襯底設有按照順序設置的第一晶片工作電壓接口、微動射頻開關、第一副控接口、控制信號輸入埠、恆定電壓接口、第一放大電路開關、第二晶片工作電壓接口、第一放大電路輸入接口、第一放大電路地線接口、第一放大電路輸出接口、第二放大電路地線接口、第二放大電路輸入接口、第二副控接口、第二放大電路輸出接口、總副控開關和第二放大電路開關。
[0008]進一步地，所述晶片設有自適應偏置電路和負反饋電路。
[0009]進一步地，所述自適應偏置電路包括按照順序串聯連接的偏置電阻、第六三極體、第四三極體和第五三極體，第四電阻一端與第二晶片工作電壓接口連接，所述第四電阻的另一端與偏置電容連接，所述第四電阻和偏置電容之間與所述第六三極體基極連接。
[0010]進一步地，所述負反饋電路包括串聯連接的負反饋電阻、負反饋迴路電晶體和隔直電容，所述隔直電容與第二三極體的集電極連接，所述負反饋迴路電晶體的基極按順序與第五電阻和單線協議接口串聯連接，所述負反饋電阻與功率輸入埠連接。
[0011 ] 進一步地，所述第一放大電路輸入接口與第一應用電路連接，所述第二放大電路輸出接口與第二應用電路連接，所述第一放大電路輸出接口和第二放大電路輸入接口分別連接第三應用電路的輸入端和輸出端。
[0012]進一步地，所述第一應用電路包括順序串聯連接的第一應用電路信號輸入埠、第一應用電路的第一振蕩線圈、第一應用電路的第一電容、第一應用電路的第二電容和所述第一放大電路輸入接口，所述第一應用電路的第一電容和第一應用電路的第二電容之間連接接地的第一應用電路的第二振蕩線圈。
[0013]進一步地，所述第二應用電路包括與所述第二放大電路輸出接口串聯連接的第二應用電路的第一電容、第二應用電路的第二電容、第二應用電路的第二振蕩線圈和第二應用電路信號輸出埠 ；所述第二放大電路輸出接口和第二應用電路的第一電容之間連接有由第二應用電路的第一振蕩線圈和第二應用電路的第三電容構成的振蕩電路；所述第二應用電路的第一電容和第二應用電路的第二電容之間連接有接地的第二應用電路的第三振蕩線圈。
[0014]進一步地，所述第三應用電路包括和第一放大電路輸出接口順序連接的第三應用電路的第一電容和第二放大電路輸入接口連接電路，所述第一放大電路輸出接口和第三應用電路的第一電容電路之間連接有並聯連接的第三應用電路的第一振蕩線圈、第三應用電路的第二電容和第三應用電路的第一電阻。
[0015]進一步地，本發明還提供了一種用於雷達系統寬帶功率放大器，所述放大器安裝了所述任何一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片。
[0016]與現有技術相比，優越效果在於:本發明解決了單片集成射頻功率放大器晶片線性度低、效率差的問題，將一種自適應偏置結構及補償射頻功率放大器的am-pm調製方法應用到了雷達系統寬帶功率放大器晶片設計中，提高了晶片的輸出功率和效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明所述寬帶功率放大器晶片電路簡化示意圖；
[0018]圖2為本發明所述寬帶功率放大器晶片電路示意圖；
[0019]圖3為本發明所述寬帶功率放大器晶片的管腳圖；
[0020]圖4為本發明所述寬帶功率放大器晶片應用電路圖。
[0021]附圖標記如下:
[0022]1-信號輸入埠，2-第一放大電路,3-第二放大電路,4-信號輸出埠，5-自適應偏置電路，6-負反饋電路，7-第一工作電壓接口，8-鏡像電路接口，9-控制信號輸入端，10-功率輸入埠，11-負反饋使能開關，12-功率輸出埠，13-第二工作電壓接口，14-晶片襯底，14-1-第一晶片工作電壓接口，14-2-微動射頻開關，14-3-第一副控接口，14_4_控制信號輸入埠，14-5-恆定電壓接口，14-6-第一放大電路開關,14-7-第二晶片工作電壓接口，14-8-第一放大電路輸入接口，14-9-第一放大電路地線接口，14-10-第一放大電路輸出接口，14-11-第二放大電路地線接口，14-12-第二放大電路輸入接口，14-13-第二副控開關，14-14-第二放大電路輸出接口，14-15-總副控接口，14-16-第二放大電路開關，15-第一應用電路,15-1-第一應用電路信號輸入埠，15-L1-第一應用電路的第一振蕩線圈，15-L2-第一應用電路的第二振蕩線圈，15-C1-第一應用電路的第一電容，15-C2-第一應用電路的第二電容；16_第二應用電路，16-1第二應用電路信號輸出埠，16-2-第二應用電路工作電壓埠，16-C1-第二應用電路的第一電容，16-C2-第二應用電路的第二電容，16-C3-第二應用電路的第三電容，16-L1-第二應用電路的第一振蕩線圈，16-L2-第二應用電路的第二振蕩線圈，16-L3-第二應用電路的第三振蕩線圈；17_第三應用電路，17-1第三應用電路工作電壓埠，17-C1第三應用電路的第一電容，17-C2第三應用電路的第二電容，17-L1第三應用電路的第一振蕩線圈，17-R1第三應用電路的第一電阻；Rb-偏置電阻，Rf-負反饋電阻，Rl-第一電阻，R2-第二電阻，R3-第三電阻，R4-第四電阻，R5-第五電阻；Q1_第一三極體，Q2-第二三極體，Q3-第三三極體，Q4-第四三極體，Q5-第五三極體，Q6-第六三極體；Cb-偏置電容，Cf-隔直電容，Cl-第一電容，C2-第二電容，C3-第三電容，C4-第四電容；L1-第一振蕩線圈，L2-第二振蕩線圈，L3-第三振蕩線圈，L4-第四振蕩線圈，L5-第五振蕩線圈，Mf-負反饋迴路電晶體。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0024]結合說明書附圖1-4所示，具體說明本發明，本發明提供了一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，所述晶片包括晶片襯底14，本實施例提供的一種用於雷達系統寬帶功率放大器晶片採用兩級放大的電路結構。兩級電路結構是一樣的，只是器件參數不一樣，第一級SiGe HBT功率電晶體的發射極面積為230.4um2 (20個HBT單元，每個HBT單元包含2個發射結，每個發射結的長和寬分別為6.4um和0.9um)，第二級SiGe HBT功率電晶體的發射極面積為792.72um2 (30個HBT單元，每個HBT單元包含4個發射結，每個發射結的長和寬分別為7.34um和0.9um)。本實施例提供的晶片典型電壓增益為14dB，OpldB為24dBm, PAE為20%，噪聲係數3.5dB，採用3.3V單電源供電，消耗總電流100mA，晶片面積
0.84X0.73_2。本技術方案在達到同等高線性度條件下降低了功耗，同時晶片面積小，提供了效率，降低了成本，實用頻帶寬，領域廣。為了解決單片集成射頻功率放大器晶片線性度低、效率差等問題，將一種自適應偏置結構及補償射頻功率放大器的am-pm調製方法應用到了雷達系統寬帶功率放大器晶片設計中，提高了晶片的輸出功率和效率。如圖1所示，該圖是省去了輸入、輸出及級間匹配的簡化示意圖，包括所述晶片襯底14上串聯連接信號輸入埠 1、第一放大電路2、第二放大電路3和信號輸送埠 4。如圖3所不,所述晶片襯底14設有按照順序設置的第一晶片工作電壓接口 14-1、微動射頻開關14-2、第一副控接口
14-3、控制信號輸入埠 14-4、恆定電壓接口 14-5、第一放大電路開關14-6、第二晶片工作電壓接口 14-7、第一放大電路輸入接口 14-8、第一放大電路地線接口 14-9、第一放大電路輸出接口 14-10、第二放大電路地線接口 14-11、第二放大電路輸入接口 14-12、第二副控接口 14-13、第二放大電路輸出接口 14-14、總副控開關14-15和第二放大電路開關14-16。本發明所述晶片中還設有自適應偏置電路5和負反饋電路6。如圖2所示，圖中虛線框的一個結構為自適應偏置電路5，另一個為負反饋結構6，自適應偏置電路5為了增加功率放大器的線性度。如圖2所示，本發明的電路分別包括第一工作電壓接口 7、控制信號輸入端9、功率輸入埠 10、功率輸出埠 12和第二工作電壓接口 13，本實施例採用了兩種偏置電路結構:鏡像電路接口 8 (IREF)由恆定電壓電路(BandGap)提供鏡像偏置電流，為第二三級管Q2的基極提供偏置電壓；如圖2中虛線框中的自適應偏置電路5，它與鏡像偏置電路一起設定第二三級管Q2的直流工作電流。鏡像偏置電路中第一電容Cl的作用是對偏置電流進行濾波，以降低偏置引入的噪聲，降低功率放大器的噪聲係數。當輸入信號增大時，第六三極體Q6的基極電壓升高，第六三極體Q6的發射極注入到第二三級管Q2基極的電流變大，因此第二三級管Q2的動態工作電流會變大，線性度會提高。自適應偏置電路5對功率放大器的線性度提高明顯，通常可以提高3-5dBm，而且其靜態工作電流較小，PA的效率會提高。該寬帶功率放大器晶片的頻帶為700M-2700M。就產品而言，NXP (恩智浦半導體)公司產品BGA7124採用單級矽工藝成功製造了 0.25W的寬帶高線性度集成功率放大器，其靜態工作電流超過130mA ；RFMD公司採用SiGe HBT工藝的寬帶集成功率放大器產品SGA9089Z輸出IdB壓縮點典型值達到了 23.7dBm，其靜態工作電流超過了 200mA。自適應偏置電路5包括按照順序串聯連接的偏置電阻Rb、第六三極體Q6、第四三極體Q4和第五三極體Q5，所述第四電阻R4 —端與第二晶片工作電壓接口 13連接，所述第四電阻R4的另一端與偏置電容Cb連接，所述第四電阻R4和所述偏置電容Cb之間與所述第六三極體Q6基極連接。所述負反饋電路6包括串聯連接的負反饋電阻Rf、負反饋迴路電晶體Mf和隔直電容Cf，所述隔直電容Cf與第二三極體Q2的集電極連接，所述負反饋迴路電晶體Mf的基極按順序與第五電阻R5和負反饋使能開關11串聯連接，所述負反饋電阻Rf與功率輸入埠 10連接提高功率放大器線性度，負反饋迴路電晶體Mf可以補償PA的am-pm調製，提高了射頻功率放大器的線性度。如圖4所示，晶片外元件數值是應用於S波段無線雷達系統的元件值，可以通過更換片外元件以滿足不同領域和不同頻段的應用要求。所述第一放大電路輸入接口 14-8與第一應用電路15連接，所述第二放大電路輸出接口 14-14與第二應用電路16連接，所述第一放大電路輸出接口 14-10和第二放大電路輸入接口 14-12分別連接第三應用電路17的輸入端和輸出端。所述第一應用電路15包括順序串聯連接的第一應用電路信號輸入埠
15-1、第一應用電路的第一振蕩線圈15-L1取值為2nH、第一應用電路的第一電容15-C1取值為1.8pF、第一應用電路信號的第二電容15-C2取值為1.8pF和所述第一放大電路輸入接口 14-8，所述第一應用電路的第一電容15-C1和第一應用電路的第二電容15-C2之間連接接地的第一應用電路的第二振蕩線圈15-L2取值為4.5nH。所述第二應用電路16包括與所述第二放大電路輸出接口 14-14串聯連接的第二應用電路的第一電容16-C1取值為1.5pF、第二應用電路的第二電容16-C2取值為1.5pF、第二應用電路的第二振蕩線圈16-L2取值為2.2nH和第二應用電路的信號輸出埠 16-1 ;所述第二放大電路輸出接口 14-14和第二應用電路的第一電容16-C1之間連接有由第二應用電路的第一振蕩線圈16-L1取值為7nH和第二應用電路的第三電容16-C3構成的振蕩電路，第二應用電路的第一電容16-C1取值為
1.5pF ;所述第二應用電路的第一電容16-C1和第二應用電路的第二電容16-C2之間連接有接地的第二應用電路的第三振蕩線圈16-L3取值為2.8nH,第三電容16-C3取值為lpF。所述第三應用電路17包括和第一放大電路輸出接口 14-10順序連接的第三應用電路的第一電容17-C1和第二放大電路輸入接口 14-12連接電路，第三應用電路的第一電容17-C1取值為2Pf，所述第一放大電路輸出接口 14-10和第三應用電路的第一電容17-C1電路之間連接有並聯連接的第三應用電路的第一振蕩線圈17-L1、第三應用電路的第二電容17-C2和第三應用電路的第一電阻17-R1，第三應用電路的第二電容17-C2取值為IPf,第三應用電路的第一電阻17-R1取值100歐姆，第三應用電路的第一振蕩線圈17-L1取值為ΙΟηΗ。
[0025]如圖2所示，第二三級管Q2是功率放大器的大尺寸放大電晶體，虛線框中的負反饋電路6中的隔直電容Cf和電晶體Rf組成並聯的電阻負反饋結構用於提高射頻功率放大器的線性度，Cf是隔直電容，電晶體Mf工作時的動態寄生電容還可以補償功率放大器的am-pm調製，進一步提高射頻功率放大器的線性度。SWP為負反饋使能開關。功率放大器採用集電極開路輸出，通過晶片外的負載電感接電源電壓，以使第二三級管Q2正常工作，同時通過晶片外匹配網絡完成50歐姆負載阻抗的最大功率匹配。
[0026]本發明中提供的晶片電路採用了兩種偏置電路結構:鏡像電路接口 8(IREF)由恆定電壓電路(BandGap)提供鏡像偏置電流，為第二三級管Q2的基極提供偏置電壓；如圖2中虛線框中的自適應偏置電路5，它與鏡像偏置電路一起設定第二三級管Q2的直流工作電流。鏡像偏置電路中第一電容Cl的作用是對偏置電流進行濾波，以降低偏置引入的噪聲，降低功率放大器的噪聲係數。當輸入信號增大時，第六三極體Q6的基極電壓升高，第六三極體Q6的發射極注入到第二三級管Q2基極的電流變大，因此第二三級管Q2的動態工作電流會變大，線性度會提高。自適應偏置電路5能夠提高功率放大器的線性度，通常可以提高3-5dBm，而且降低了其靜態工作電流，PA的效率會提高。
[0027]本發明還提供了一種用於雷達系統寬帶功率放大器，所述放大器安裝了上述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片。
[0028]本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員可以想到的任何變形、改進、替換均落入本發明的範圍。
【權利要求】
1.一種用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述晶片包括晶片襯底(14)，所述晶片襯底(14)上串聯連接第一放大電路(2)和第二放大電路(3)，所述晶片襯底(14)設有按照順序設置的第一晶片工作電壓接口(14-1)、微動射頻開關(14-2)、第一副控接口(14-3)、控制信號輸入埠(14-4)、恆定電壓接口(14-5)、第一放大電路開關(14-6)、第二晶片工作電壓接口(14-7)、第一放大電路輸入接口(14-8)、第一放大電路地線接口(14-9)、第一放大電路輸出接口(14-10)、第二放大電路地線接口(14-11)、第二放大電路輸入接口(14-12)、第二副控接口(14-13)、第二放大電路輸出接口(14-14)、總副控開關(14-15)和第二放大電路開關(14-16)。
2.根據權利要求1所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述晶片設有自適應偏置電路(5)和負反饋電路(6)。
3.根據權利要求2所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述自適應偏置電路(5)包括按照順序串聯連接的偏置電阻(Rb)、第六三極體(Q6)、第四三極體(Q4)和第五三極體(Q5)，第四電阻(R4) —端與第二晶片工作電壓接口(13)連接，所述第四電阻(R4)的另一端與偏置電容(Cb)連接，所述第四電阻(R4)和偏置電容(Cb)之間與所述第六三極體(Q6)基極連接。
4.根據權利要求2所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述負反饋電路(6)包括串聯連接的負反饋電阻(Rf)、負反饋迴路電晶體(Mf)和隔直電容(Cf)，所述隔直電容(Cf)與第二三極體(Q2)的集電極連接，所述負反饋迴路電晶體(Mf)的基極按順序與第五電阻(R5)和單線協議接口(11)串聯連接，所述負反饋電阻(Rf)與功率輸入埠(10)連接。
5.根據權利要求1所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述第一放大電路輸入接口(14-8)與第一應用電路(15)連接，所述第二放大電路輸出接口(14-14)與第二應用電路(16)連接，所述第一放大電路輸出接口(14-10)和第二放大電路輸入接口(14-12)分別連接第三應用電路(17)的輸入端和輸出端。
6.根據權利要求5所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述第一應用電路(15)包括順序串聯連接的第一應用電路信號輸入埠(15-1)、第一應用電路的第一振蕩線圈(15-L1)、第一應用電路的第一電容(15-C1)、第一應用電路的第二電容(15-C2)和所述第一放大電路輸入接口(14-8)，所述第一應用電路的第一電容(15-C1)和第一應用電路的第二電容(15-C2)之間連接接地的第一應用電路的第二振蕩線圈(15-L2)。
7.根據權利要求5所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述第二應用電路(16)包括與所述第二放大電路輸出接口(14-14)串聯連接的第二應用電路的第一電容(16-C1)、第二應用電路的第二電容(16-C2)、第二應用電路的第二振蕩線圈(16-L2)和第二應用電路信號輸出埠(16-1);所述第二放大電路輸出接口(14-14)和第二應用電路的第一電容(16-C1)之間連接有由第二應用電路的第一振蕩線圈(16-L1)和第二應用電路的第三電容(16-C3)構成的振蕩電路；所述第二應用電路的第一電容(16-C1)和第二應用電路的第二電容(16-C2)之間連接有接地的第二應用電路的第三振蕩線圈(16-L3)。
8.根據權利要求5所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片，其特徵在於，所述第三應用電路(17)包括和第一放大電路輸出接口(14-10)順序連接的第三應用電路的第一電容(17-C1)和第二放大電路輸入接口(14-12)連接電路，所述第一放大電路輸出接口(14-10)和第三應用電路的第一電容(17-C1)電路之間連接有並聯連接的第三應用電路的第一振蕩線圈(17-L1)、第三應用電路的第二電容(17-C2)和第三應用電路的第一電阻(17-R1)。
9.一種用於雷達系統寬帶功率放大器，其特徵在於，所述放大器安裝了根據權利要求1-8任一所述用於雷達系統的寬帶功率放大器晶片。
【文檔編號】H03F3/20GK104378071SQ201410641725
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】萬佳, 趙新強, 李棟, 謝李萍, 楊宗帥 申請人:北京愛潔隆技術有限公司, 萬佳