[发明专利]一种Ka波段SiGeBiCMOS射频功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及射频功率放大器领域，具体涉及一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器。

背景技术

射频功率放大器是无线发射机中不可或缺的重要组成部分，它主要用于将无线通信中的发射机的已调信号进行功率放大，以满足无线通信射频信号的功率需求，其工作带宽、输出功率、附加效率等性能严重影响无线通信系统的质量。

如图1所述，现有的射频功率放大器采用NM0S器件实现，即采用CMOS工艺就能实现。随着CMOS工艺的进步，CMOS器件的高频性能得到了改善，这也使采用CMOS工艺实现的射频功率放大器的高频性能得到了改善。但同时也给射频功率放大器带来了一些困难，如CMOS器件的氧化层击穿电压过低，电流驱动能力差，衬底耦合严重等。另外，片上无源器件性能差，尤其片上电感的Q值过低，严重影响了功率放大器性能，因此电感等元件往往采用片外方式，即现有CMOS工艺实现的射频功率放大器的无源器件如电感和有源器件如CMOS器件往往不能形成于同一芯片上，即不能实现整个射频功率放大器的全片集成。由于电感需要采用片外制造，故相对于所有组成部件都集成于同一芯片上的全片集成的射频功率放大器，现有射频功率放大器的成本会很高，应用也不方便。

除了如图1所示的现有CMOS工艺实现的射频功率放大器外，现有射频功率放大器还有采用砷化镓异质结双极型晶体管来实现，GaAs HBT虽然性能较好，但是无法与硅工艺集成；在半导体制造领域中，只有硅基器件才能实现大规模的制造，而GaAs由于无法实现也硅工艺的集成，故成本很高。

针对通信系统对Ka波段毫米波功放等通用模块的急切需求，一方面现有的业界普遍采用的基于III-V族半导体工艺的毫米波功放芯片价格昂贵，限制了其大规模的使用。与此同时，III-V族芯片存在体积大、工序繁杂和不易于集成等不利因素。而锗硅半导体工艺成本相对较低，在大批量的情况下将大幅减小芯片的成本。此外，锗硅半导体工艺具有多层金属，利于集成和芯片的小型化设计。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器。

本发明通过下述技术方案实现：

一种Ka波段SiGe BiCMOS射频功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路和阻抗变换网络；

所述前级增益放大电路、后级功率放大电路均包括SiGe BiCMOS；

所述前级增益放大电路、后级功率放大电路的输入端分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路。SiGe晶体管具有功率密度和增益高、相位噪声低、线性度好、芯片面积小和价格性能比低等特点。本方案采用二级放大，且采用SiGe BiCMOS作为放大管，能够满足在较高的效率下实现足够的增益和输出功率，解决CMOS性能差，III-V族半导体成本高、体积大等问题，而且其具有比较高的特征频率和噪声特性，更利于集成。由于作为功率放大器组件的晶体管自身要有一定的功率消耗，并且各种电路元件要消耗一定的功率，譬如电阻、电感、电容等，为了评估功率放大器的效率，有三种常用的定义：漏极效率、功率附加效率和整体转换效率。由于本发明中的晶体管采用的是具有宽带隙的发射区的异质结结构SiGe晶体管，大大提高了发射结的载流子注入效率，从而使漏极效率、功率附加效率和整体转换效率均得到了提高，使得本发明满足所需的增益和输出功率。

作为优选，所述输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络的电路结构相同。输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络采用相同的结构，其不仅可提高一致性，且可保证电路的稳定性。

进一步的，所述输入匹配网络包括串联在输入端的第一电感和第一电容、连接在输入端且另一端接地的第二电容。输入匹配网络采用集总原件匹配网络，第一电容起隔直作用，使偏置电流不受来自输入端的影响，很好地提高了前级增益放大电路的线性度。输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络采用相同的电路结构，级间匹配网络和阻抗变换网络采用上述电路结构，即在前级增益放大电路、后级功率放大电路之间采用级间共轭匹配的方式进行连接，使前级增益放大电路放大后的信号可顺利的流入后级功率放大电路。

在上述方案上进一步的，所述第一电容的容值为1425pF至1575pF。第一电容与第一电感相串联，第一电容主要起隔直作用，但是，在该电路中，合理的选择电容大小，使该电容既具备阻抗变换的作用，也具有隔直作用，提高级间匹配度。

在上述方案上进一步为了如提高级间匹配度，所述第一电容的容值为1500.1pF。