CN112787605A - 一种基于一体化内匹配电路的功率器件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一体化内匹配电路的功率器件，包括输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络，所述输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络依次顺序串联构成供微波信号传输到负载的电性通路，所述输入内匹配网络、输出内匹配网络分别与微波信号源和负载相连接分别用于匹配输入阻抗以使功率管从微波信号源处获得最大激励功率。本发明在输入内匹配网络中设置第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路可以有效的实现双频功能，从而提升整体器件的工作带宽、工作频率以及降低寄生影响，并且将输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络采用印制集成加工方法，有效的减小了整体器件的体积，降低了传输线类损耗，提高输出功率。

Description

一种基于一体化内匹配电路的功率器件及其加工方法

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，具体涉及一种基于一体化内匹配电路的功率器件及其加工方法。

背景技术

电子装备和通讯系统等领域的发展要求通信频带越来越宽，体积越来越小，同时要求有较高的可靠性。功率放大器件作为其中的重要模块之一，实现高频、宽带、小型化、高效率、更大功率对整个系统至关重要。

器件功率的不断提升要求管芯的总栅宽越来越大，从几毫米至30毫米以上，国内研制的已有大于6毫米的管芯。由于芯片的输入阻抗随着栅宽的增大而降低，器件的无载Q值变的很高，馈送电信号的幅度不平衡和相位不平衡的问题越来越严重，直接利用外电路进行一定带宽内的匹配非常困难，因此通常采用内匹配网络对管芯的输入、输出阻抗进行提升并减少寄生参量的影响，是实现微波功率晶体管大功率输出。

现有技术中功率器件的主要形式有单片微波集成电路、内匹配功率管和功率放大模块三种。单片微波集成电路具有体积小、带宽高、一致性高等优势，但研制成本相对较高，更重要的是由于装配对芯片面积的限制、电路的输出匹配损耗大、芯片厚度的减薄有限等原因致使其输出功率受到限制。内匹配功率放大器由于匹配电路制作在陶瓷基片或者砷化镓基片上，相对于单片微波集成电路而言，功率损耗大大降低，有利于提高器件的功率附加效率，提高输出功率，然而内匹配功率放大器的带宽由于寄生效应，只能做的更窄难以适应宽频高效的功率放大需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于一体化内匹配电路的功率器件，以解决现有技术中带宽由于寄生效应只能做窄难以适应宽频高效的微波放大需求的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种基于一体化内匹配电路的功率器件，包括输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络，所述输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络依次顺序串联构成供微波信号传输到负载的电性通路，

其中，所述输入内匹配网络、输出内匹配网络分别与微波信号源和负载相连接分别用于匹配输入阻抗以使功率管从微波信号源处获得最大激励功率和匹配输出阻抗以使负载从功率管处获得最大的输出功率。

作为本发明的一种优选方案，所述输入内匹配网络包括第一输入端、输入阻抗匹配电路和第一输出端，所述第一输入端的一端部与所述微波信号源相连接，另一端部与所述输入阻抗匹配电路的一端部相连接，所述输入阻抗匹配电路的另一端部与所述第一输出端的一端部相连接，所述第一输出端的另一端部与所述功率管的栅极相连接，其中，

所述输入阻抗匹配电路包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第一电阻、第二电阻和地线，所述第一微带线的一端部分别与输入端的另一端部、第一电容的一端部相连接，另一端部分别与所述第二微带线的一端部、第二电容的一端部、第三电容的一端部相连接，所述第二电容的另一端部分别与所述第四电容的一端部、第三微带线的一端部相连接，所述第三电容的另一端部分别与所述第五电容的一端部、第四微带线的一端部相连接，所述第三微带线的另一端部分别与第四微带线的另一端部、第二电阻的一端部、输出端的一端部相连接，所述第二电阻的另一端部分别与所述第一电阻的一端部、第六电容的一端部相连接，所述第一电阻的另一端部设有供功率管栅极偏置电源的第三输入端，所述第一电容、第二微带线、第四电容、第五电容、第六电容的另一端部的地线相连接。

作为本发明的一种优选方案，所述输出内匹配网络包括第二输入端、输出阻抗匹配电路和第二输出端，所述第二输入端的一端部与所述功率管的漏极相连接，另一端部与所述输出阻抗匹配电路的一端部相连接，所述输出阻抗匹配电路的另一端部与所述第二输出端的一端部相连接，所述第二输出端的另一端部与所述负载相连接，其中，

所述输出阻抗匹配电路包括第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线和地线，所述第二输入端的另一端部分别与所述第五微带线的一端部、第六微带线的一端部相连接，所述第五微带线的另一端部与所述第七电容相连接并设有供功率管漏极偏置电源的第四输入端，所述第六微带线的另一端部分别与所述第八电容的一端部、第九电容的一端部相连接，所述第九电容的另一端部分别与所述第八微带线的一端部、第七微带线的一端部相连接，所述第八电容的另一端部与所述第二输出端的一端部相连接，所述第七电容、第八电容、第十电容、第七微带线的另一端部与地线相连接。

作为本发明的一种优选方案，所述功率管的源极与地线相连接。

作为本发明的一种优选方案，所述第一电容、第一微带线、第二微带线、第二电容、第三微带线、第四电容、第二电阻和第一电阻构成供第一激励功率传输的第一微波频段输入通路，所述第一电容、第一微带线、第二微带线、第三电容、第四微带线、第五电容、第二电阻和第一电阻构成供第二激励功率传输的第二微波频段输入通路，所述第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路分别在所述第一微波频段和第二微波频段下独立传输。

作为本发明的一种优选方案，本发明提供了一种基于所述的基于一体化内匹配电路的功率器件的加工方法，所述以下步骤：

步骤S1、依据所述输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络的电路原理图生成一体化印制电路板；

步骤S2、将所述输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络中的电学元件依次组装到一体化印制电路板上；

步骤S3、封装所述组装完成的一体化印制电路板获得基于一体化内匹配电路的功率器件。

作为本发明的一种优选方案，在所述一体化印制电路板中，所述第二电容、第三微带线、第四电容与所述第三电容、第四微带线、第五电容呈平行对称结构用以保证第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路的结构一致性。

作为本发明的一种优选方案，在所述步骤S2中，用于组装的所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容均采用MOM电容，所述第二电阻、第一电阻均采用贴片电阻。

作为本发明的一种优选方案，在所述步骤S3中，封装所述一体化印制电路板将所述第一输入端、第三输入端、第四输入端、第二输出端和地线分别外留有第一输入引脚、第三输入引脚、第四输入引脚、第二输出引脚和地线引脚。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明在输入内匹配网络中设置第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路可以有效的实现双频功能，从而提升整体器件的工作带宽、工作频率以及降低寄生影响，并且将输入内匹配网络、功率管和输出内匹配网络采用印制集成加工方法，有效的减小了整体器件的体积，降低了传输线类损耗，提高输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的功率器件结构框图；

图2为本发明实施例提供的功率器件电路图；

图3为本发明实施例提供的功率器件仿真功率图；

图4为本发明实施例提供的功率器件仿真效率图。

图中的标号分别表示如下：

1-输入内匹配网络；2-功率管；3-输出内匹配网络；4-第三输入端；5-第四输入端；6-地线；

101-第一输入端；102-输入阻抗匹配电路；103-第一输出端；

301-第二输入端；302-输出阻抗匹配电路；303第二输出端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和2所示，本发明提供了一种基于一体化内匹配电路的功率器件，包括输入内匹配网络1、功率管2和输出内匹配网络3，输入内匹配网络1、功率管2和输出内匹配网络3依次顺序串联构成供微波信号传输到负载的电性通路，

内匹配电路主要用于微波传输电路的阻抗匹配，以此达到所有高频的微波信号能传递至负载点的目的，减少信号的反射，从而提升能源效益。微波信号源内阻与所接传输电路的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输电路的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输电路的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配；否则，便称为阻抗失配。输入内匹配网络1、输出内匹配网络3分别与微波信号源和负载相连接分别用于匹配输入阻抗以使功率管2从微波信号源处获得最大激励功率和匹配输出阻抗以使负载从功率管2处获得最大的输出功率。

输入内匹配网络1包括第一输入端101、输入阻抗匹配电路102和第一输出端103，第一输入端101的一端部与微波信号源相连接，另一端部与输入阻抗匹配电路102的一端部相连接，输入阻抗匹配电路102的另一端部与第一输出端103的一端部相连接，第一输出端103的另一端部与功率管2的栅极相连接，其中，

输入阻抗匹配电路102包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一微带线L1、第二微带线L2、第三微带线L3、第四微带线L4、第一电阻R1、第二电阻R2和地线6，第一微带线L1的一端部分别与输入端的另一端部、第一电容C1的一端部相连接，另一端部分别与第二微带线L2的一端部、第二电容C2的一端部、第三电容C3的一端部相连接，第二电容C2的另一端部分别与第四电容C4的一端部、第三微带线L3的一端部相连接，第三电容C3的另一端部分别与第五电容C5的一端部、第四微带线L4的一端部相连接，第三微带线L3的另一端部分别与第四微带线L4的另一端部、第二电阻R2的一端部、输出端的一端部相连接，第二电阻R2的另一端部分别与第一电阻R1的一端部、第六电容C6的一端部相连接，第一电阻R1的另一端部设有供功率管2栅极偏置电源的第三输入端4，第一电容C1、第二微带线L2、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6的另一端部的地线6相连接。

输出内匹配网络3包括第二输入端301、输出阻抗匹配电路302和第二输出端303，第二输入端301的一端部与功率管2的漏极相连接，另一端部与输出阻抗匹配电路302的一端部相连接，输出阻抗匹配电路302的另一端部与第二输出端303的一端部相连接，第二输出端303的另一端部与负载相连接，其中，

输出阻抗匹配电路302包括第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第五微带线L5、第六微带线L6、第七微带线L7、第八微带线L8和地线6，第二输入端301的另一端部分别与第五微带线L5的一端部、第六微带线L6的一端部相连接，第五微带线L5的另一端部与第七电容C7相连接并设有供功率管2漏极偏置电源的第四输入端5，第六微带线L6的另一端部分别与第八电容C8的一端部、第九电容C9的一端部相连接，第九电容C9的另一端部分别与第八微带线L8的一端部、第七微带线L7的一端部相连接，第八电容C8的另一端部与第二输出端303的一端部相连接，第七电容C7、第八电容C8、第十电容C10、第七微带线L7的另一端部与地线6相连接。

其中，第一微带线L1到第八微带线L8在电路中的作用与电感相一致，利用微带线传输速度快、损耗小的优势，可进一步降低微波信号在输入阻抗匹配电路102和输出阻抗匹配电路302中的传输损耗，以在负载处获得最大的传输效率，降低寄生影响。

功率管2的源极与地线6相连接。

第一电容C1、第一微带线L1、第二微带线L2、第二电容C2、第三微带线L3、第四电容C4、第二电阻R2和第一电阻R1构成供第一激励功率传输的第一微波频段输入通路，第一电容C1、第一微带线L1、第二微带线L2、第三电容C3、第四微带线L4、第五电容C5、第二电阻R2和第一电阻R1构成供第二激励功率传输的第二微波频段输入通路，第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路分别在第一微波频段和第二微波频段下独立传输。

在实际使用中，输入阻抗匹配电路102在第一微波频段时，第二电容C2、第三微带线L3处于通路状态，第三电容C3、第四微带线L4处于开路状态，此时第一微波频段输入通路独立实现第一微波频段以第一激励功率传输的最佳传输功能，输入阻抗匹配电路102在第一微波频段时，第三电容C3、第四微带线L4处于通路状态，第二电容C2、第三微带线L3处于开路状态，此时第二微波频段输入通路独立实现第二微波频段以第二激励功率传输的最佳传输功能，可有效的实现第一微波频段传输和第二微波频段传输的隔离性，避免相互干扰，影响整体器件传输性能，同时第一微波频段传输和第二微波频段相加获得更宽的工作带宽、更高的工作频率。

本发明提供了一种基于的基于一体化内匹配电路的功率器件的加工方法，以下步骤：

步骤S1、依据输入内匹配网络1、功率管2和输出内匹配网络3的电路原理图生成一体化印制电路板；

步骤S2、将输入内匹配网络1、功率管2和输出内匹配网络3中的电学元件依次组装到一体化印制电路板上；

步骤S3、封装组装完成的一体化印制电路板获得基于一体化内匹配电路的功率器件。

在一体化印制电路板中，第二电容C2、第三微带线L3、第四电容C4与第三电容C3、第四微带线L4、第五电容C5呈平行对称结构用以保证第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路的结构一致性。

在步骤S2中，用于组装的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10均采用MOM电容，第二电阻R2、第一电阻R1均采用贴片电阻。

利用MOM电容寄生电容小、安装时无需Mask以及无需分极性的优势，可以有效的降低组装面积以及组装难度，更利于加工生产，同时寄生电容小进一步减少了整体器件的寄生影响。

在步骤S3中，封装一体化印制电路板将第一输入端101、第三输入端4、第四输入端5、第二输出端303和地线6分别外留有第一输入引脚、第三输入引脚、第四输入引脚、第二输出引脚和地线引脚。

第一输入引脚、第三输入引脚、第四输入引脚、第二输出引脚和地线引脚分别用于外接微波信号源、栅极偏置电源、漏极偏置电源、负载和地线6相连接。

如图3和4所示，本实施例在漏电压V_D等于36V的情况下输出功率特性测试结果，从图中可以看出，在2.0GHz～4.0GHz频率范围内输出功率和输出功率的效率的数值，其中从输出功率中满足第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路隔离度要求，并且第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路中的第一微波频段和第二微波频段之和可以使工作带宽扩展到2.0GHz～4.0GHz，并且输出功率的效率也可获得较高的值，实现提升输出功率的目的。

本发明在输入内匹配网络1中设置第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路可以有效的实现双频功能，从而提升整体器件的工作带宽、工作频率以及降低寄生影响，并且将输入内匹配网络1、功率管2和输出内匹配网络3采用印制集成加工方法，有效的减小了整体器件的体积，降低了传输线类损耗，提高输出功率。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于一体化内匹配电路的功率器件，其特征在于：包括输入内匹配网络(1)、功率管(2)和输出内匹配网络(3)，所述输入内匹配网络(1)、功率管(2)和输出内匹配网络(3)依次顺序串联构成供微波信号传输到负载的电性通路，其中，

所述输入内匹配网络(1)、输出内匹配网络(3)分别与微波信号源和负载相连接分别用于匹配输入阻抗以使功率管(2)从微波信号源处获得最大激励功率和匹配输出阻抗以使负载从功率管(2)处获得最大的输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于一体化内匹配电路的功率器件，其特征在于：所述输入内匹配网络(1)包括第一输入端(101)、输入阻抗匹配电路(102)和第一输出端(103)，所述第一输入端(101)的一端部与所述微波信号源相连接，另一端部与所述输入阻抗匹配电路(102)的一端部相连接，所述输入阻抗匹配电路(102)的另一端部与所述第一输出端(103)的一端部相连接，所述第一输出端(103)的另一端部与所述功率管(2)的栅极相连接，其中，

所述输入阻抗匹配电路(102)包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第一微带线L1、第二微带线L2、第三微带线L3、第四微带线L4、第一电阻R1、第二电阻R2和地线(6)，所述第一微带线L1的一端部分别与输入端的另一端部、第一电容C1的一端部相连接，另一端部分别与所述第二微带线L2的一端部、第二电容C2的一端部、第三电容C3的一端部相连接，所述第二电容C2的另一端部分别与所述第四电容C4的一端部、第三微带线L3的一端部相连接，所述第三电容C3的另一端部分别与所述第五电容C5的一端部、第四微带线L4的一端部相连接，所述第三微带线L3的另一端部分别与第四微带线L4的另一端部、第二电阻R2的一端部、输出端的一端部相连接，所述第二电阻R2的另一端部分别与所述第一电阻R1的一端部、第六电容C6的一端部相连接，所述第一电阻R1的另一端部设有供功率管(2)栅极偏置电源的第三输入端(4)，所述第一电容C1、第二微带线L2、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6的另一端部的地线(6)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于一体化内匹配电路的功率器件，其特征在于：所述输出内匹配网络(3)包括第二输入端(301)、输出阻抗匹配电路(302)和第二输出端(303)，所述第二输入端(301)的一端部与所述功率管(2)的漏极相连接，另一端部与所述输出阻抗匹配电路(302)的一端部相连接，所述输出阻抗匹配电路(302)的另一端部与所述第二输出端(303)的一端部相连接，所述第二输出端(303)的另一端部与所述负载相连接，其中，

所述输出阻抗匹配电路(302)包括第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第五微带线L5、第六微带线L6、第七微带线L7、第八微带线L8和地线(6)，所述第二输入端(301)的另一端部分别与所述第五微带线L5的一端部、第六微带线L6的一端部相连接，所述第五微带线L5的另一端部与所述第七电容C7相连接并设有供功率管(2)漏极偏置电源的第四输入端(5)，所述第六微带线L6的另一端部分别与所述第八电容C8的一端部、第九电容C9的一端部相连接，所述第九电容C9的另一端部分别与所述第八微带线L8的一端部、第七微带线L7的一端部相连接，所述第八电容C8的另一端部与所述第二输出端(303)的一端部相连接，所述第七电容C7、第八电容C8、第十电容C10、第七微带线L7的另一端部与地线(6)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于一体化内匹配电路的功率器件，其特征在于：所述功率管(2)的源极与地线(6)相连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于一体化内匹配电路的功率器件，其特征在于：所述第一电容C1、第一微带线L1、第二微带线L2、第二电容C2、第三微带线L3、第四电容C4、第二电阻R2和第一电阻R1构成供第一激励功率传输的第一微波频段输入通路，所述第一电容C1、第一微带线L1、第二微带线L2、第三电容C3、第四微带线L4、第五电容C5、第二电阻R2和第一电阻R1构成供第二激励功率传输的第二微波频段输入通路，所述第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路分别在所述第一微波频段和第二微波频段下独立传输。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的基于一体化内匹配电路的功率器件的加工方法，其特征在于，所述以下步骤：

步骤S1、依据所述输入内匹配网络(1)、功率管(2)和输出内匹配网络(3)的电路原理图生成一体化印制电路板；

步骤S2、将所述输入内匹配网络(1)、功率管(2)和输出内匹配网络(3)中的电学元件依次组装到一体化印制电路板上；

步骤S3、封装所述组装完成的一体化印制电路板获得基于一体化内匹配电路的功率器件。

7.根据权利要求6所述的一种加工方法，其特征在于，在所述一体化印制电路板中，所述第二电容C2、第三微带线L3、第四电容C4与所述第三电容C3、第四微带线L4、第五电容C5呈平行对称结构用以保证第一微波频段输入通路和第二微波频段输入通路的结构一致性。

8.根据权利要求7所述的一种加工方法，其特征在于，在所述步骤S2中，用于组装的所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10均采用MOM电容，所述第二电阻R2、第一电阻R1均采用贴片电阻。

9.根据权利要求8所述的一种加工方法，其特征在于，在所述步骤S3中，封装所述一体化印制电路板将所述第一输入端(101)、第三输入端(4)、第四输入端(5)、第二输出端(303)和地线(6)分别外留有第一输入引脚、第三输入引脚、第四输入引脚、第二输出引脚和地线引脚。

Images