專利名稱：行波放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及行波放大器。
行波放大器包括一連串放大設(shè)備，其中的每一個都具有輸入和輸出，所述一連串放大設(shè)備連接在兩個電感器鏈之間。每個電感器鏈包括彼此串聯(lián)的一連串電感。
輸入電容與每個放大設(shè)備的輸入相關(guān)聯(lián)，并且相應(yīng)的輸出電容與每個放大設(shè)備的輸出相關(guān)聯(lián)。
所述放大設(shè)備的輸入在電感器之間的連接點處耦合到一個電感器鏈，并且所述放大設(shè)備的輸出同樣在電感器之間的連接點處耦合到另一個電感器鏈。輸入傳輸線由第一電感器鏈和與各放大設(shè)備相關(guān)聯(lián)的輸入電容來限定，輸出傳輸線由第二電感器鏈和與各放大設(shè)備相關(guān)聯(lián)的輸出電容來限定。
對于每一對相繼的放大設(shè)備，在所述放大器的操作頻率范圍內(nèi)的每個頻率下，沿著輸入傳輸線與沿著輸出傳輸線傳播的電磁能量的相位延遲基本上相等。波沿著每條傳輸線傳播，為了該放大器的正確操作，這些波需要以相同的速度傳播。
行波(或分布式)放大器的概念是眾所周知的，該放大器結(jié)構(gòu)使用場效應(yīng)晶體管(FET)作為放大設(shè)備，其被用于在一個較寬的頻率范圍內(nèi)提供對微波信號的放大。這提供了將該行波放大器與其他RF電路集成在單個半導(dǎo)體基底上的可能性。
理想地，放大器配備有匹配的輸入和輸出阻抗。上述行波放大器的輸入和輸出阻抗依賴于各個放大設(shè)備的輸入和輸出電容。在FET的情況下，輸入和輸出電容不易被控制，并且通常來說，F(xiàn)ET設(shè)計將不會導(dǎo)致行波放大器具有匹配的輸入和輸出阻抗。FET的漏極-源極(輸出)電容通常小于柵極-源極(輸入)電容。
對于所述放大器的給定的輸入和輸出特性，選擇各傳輸線中的電感以便獲得所需的相等的波傳播速度，但是這樣就沒有留下同時獲得輸入和輸出阻抗匹配的余地。
通過引入額外的電容性元件，可以使各個放大器的輸入和輸出電容相等，但是這樣也引入了額外的復(fù)雜度并且降低了性能。
因此，需要在給電路帶來最小的額外復(fù)雜度的情況下為行波放大器提供輸入和輸出阻抗匹配，同時給各個放大設(shè)備留有設(shè)計自由度并且保持在各傳輸線中的相等的傳播速度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種行波放大器，其包括第一傳輸線，其與該放大器的輸入相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第一多個電感性元件；第二傳輸線，其與該放大器的輸出相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第二多個電感性元件；以及多個放大器設(shè)備，它們連接在第一和第二傳輸線之間，其中，第一和第二傳輸線當中的至少一條進一步包括多個延遲元件，每個延遲元件被串聯(lián)提供在相應(yīng)的電感性元件對之間。
被提供在其中一條傳輸線中的延遲元件使得兩條傳輸線中的脈沖傳播速度相匹配，同時給阻抗值的選擇留下了自由度，以便提供該放大器的輸入和輸出阻抗匹配。這樣，即使當各個放大器設(shè)備具有不相等的輸入和輸出阻抗時，該放大器也能夠被配置成提供匹配的輸入和輸出阻抗以及匹配的傳播速度。
每個放大器設(shè)備優(yōu)選地包括場效應(yīng)晶體管裝置，其柵極連接到第一傳輸線，其漏極連接到第二傳輸線。這樣使得各放大器組件的IC集成成為可能。每個場效應(yīng)晶體管裝置可以包括串聯(lián)連接在第二傳輸線和公共端子之間的一個或多個場效應(yīng)晶體管。
第二傳輸線與輸出相關(guān)聯(lián)，其優(yōu)選地包括多個延遲元件。具體來說，各放大器設(shè)備輸出連接到第二傳輸線，并且各FET的較低的輸出電容導(dǎo)致第二傳輸線中的較高的傳播速度。該較高的速度由所述延遲元件來補償。
每個延遲元件可以包括集成電路延遲線，該集成電路延遲線被集成在各放大器設(shè)備的集成電路中。所述延遲線能夠容易地以已知的方式被合并到IC設(shè)計中，并且具有很少的或者沒有額外的制造復(fù)雜度或減產(chǎn)。
每個延遲元件可以具有依據(jù)每個放大器設(shè)備的輸出電容和第二傳輸線中的各電感器元件的電感而選擇的阻抗。該阻抗值被選擇成提供輸入和輸出阻抗匹配。然而，每個延遲元件具有所選擇的時間延遲，以便確保通過第一和第二傳輸線的傳播速度相等。
輸入16優(yōu)選地被提供到第一傳輸線的一端，第一傳輸線的另一端通過第一端接電阻連接到公共電位。輸出優(yōu)選地從第二傳輸線的一端提供，第二傳輸線的另一端通過第二端接電阻連接到公共電位。這樣限定了一種已知的結(jié)構(gòu)。
每個延遲元件的阻抗大小優(yōu)選地等于第二端接電阻的電阻。
現(xiàn)在參考附圖詳細描述本發(fā)明的一個實例，其中

圖1示出了已知的行波放大器；圖2示出了圖1的放大器優(yōu)于單級放大器的益處；圖3示出了在圖1的電路中使用的其中一個放大器設(shè)備的等效電路以用于分析的目的；圖4示出了使用圖3的等效電路的圖1的電路，以便分析圖1的電路的行為；圖5示出了本發(fā)明的行波放大器的一個實例；圖6示意性地示出了如何在集成電路中實施本發(fā)明；以及圖7示出了本發(fā)明的行波放大器的另一實例。
圖1示出了已知的行波放大器，其包括提供在第一傳輸線12和第二傳輸線14之間的多個共射-共基單元10。
第一傳輸線12與該放大器的輸入16相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第一多個電感性元件。如圖所示，在任何一對共射-共基單元之間的電感性元件都具有電感Lg，而第一個和最后一個電感性元件具有1/2Lg的電感。
第二傳輸線14與該放大器的輸出18相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第二多個電感性元件。如圖所示，在任何一對共射-共基單元之間的電感性元件都具有電感Ld，而第一個和最后一個電感性元件具有1/2Ld的電感。
輸入16被提供到第一傳輸線12的一個(輸入)端點，第一傳輸線的另一個(輸出)端點通過第一端接電阻Rg連接到公共電位。輸出18從第二傳輸線14的輸出端提供，第二傳輸線14的輸入端通過第二端接電阻Rd連接到公共電位。所述端接電阻防止沿傳輸線的反射，并且所述公共電位通常是地。
在該實例中，每個放大器設(shè)備10被示出為兩個串聯(lián)的場效應(yīng)晶體管，規(guī)定為共射-共基結(jié)構(gòu)。其中一個場效應(yīng)晶體管的柵極連接到第一傳輸線12，另一個場效應(yīng)晶體管的漏極連接到第二傳輸線14。
圖2示出了圖1的放大器優(yōu)于單級放大器的益處。曲線20示出了單級放大器的增益對頻率的關(guān)系曲線，曲線22示出了所述行波放大器的增益對頻率的關(guān)系曲線，其在相同的總柵極長度下具有比單級放大器更寬的帶寬。
在描述本發(fā)明之前，提供對圖1的電路的簡化分析。出于該目的，圖3示出了在圖1的電路中所使用的其中一個放大器設(shè)備的簡化的等效電路以用于分析的目的。
在圖3中，每個放大器設(shè)備10被表示為具有輸入(柵極-源極)電容Cin和輸出(源極-漏極)電容Cout的壓控電流源30。這種表示忽略了在放大器設(shè)備10內(nèi)部的電阻，但是該模型對于說明本發(fā)明原理的分析而言已經(jīng)足夠了。
圖4示出了使用圖3的等效電路的圖1的電路，以便分析圖1的電路的行為。
兩個波通過傳輸線傳播，這些波被表示為對應(yīng)于輸出傳輸線14的“漏極波”和對應(yīng)于輸入傳輸線12的“柵極波”。
在輸入16處施加電壓脈沖，該電壓脈沖沿傳輸線12向端接電阻Rg傳播，該傳輸線12包括電感器Lg和輸入電容Cin。
每次該脈沖到達放大器設(shè)備10的其中一個晶體管輸入時，其向該放大器設(shè)備10的輸出晶體管的漏極發(fā)射一個電流脈沖。該脈沖沿著包括電感器Ld和輸出電容Cout的輸出傳輸線14向輸出18傳播。
為了正確的信號放大，這兩個波必須具有相同的速度。
在圖1的電路中存在兩個相互沖突的所希望的電路參數(shù)。其中一個是輸入和輸出阻抗的匹配，另一個是速度匹配。
阻抗匹配條件輸入和輸出阻抗由下式給出(Lg/Cin)-0.5＝Rg＝Rsource(Ld/Cout)-0.5＝Rd＝Rload為了阻抗匹配，要求Rg＝Rd。因此
Lg/Cin＝Ld/Cout…(1)速度匹配條件沿兩條傳輸線的傳播時間由下式給出Tg＝(Lg×Cin)-0.5Td＝(Ld×Cout)-0.5為了速度匹配，要求Tg＝Td。因此Lg×Cin＝Ld×Cout…(2)上面的兩個條件是相互矛盾的，并且只有當Cin＝Cout以及Ld＝Lg時才能得到滿足。然而在放大器10的實際實現(xiàn)方式中，Cin與Cout不同，因此必須有一個折衷。典型地，Cin高于Cout。
在這種情況下，阻抗匹配條件(1)導(dǎo)致阻抗值Ld＜Lg。這又導(dǎo)致了關(guān)系式Ld*Cout＜Lg*Cin。
因此，將圖1的電路設(shè)定成阻抗匹配條件導(dǎo)致在兩條傳輸線中的傳播速度不匹配。具體來說，漏極波的速度大于柵極波的速度。
根據(jù)本發(fā)明，第一和第二傳輸線的至少其中之一進一步包括多個延遲元件，每個延遲元件被串聯(lián)提供在相應(yīng)的電感性元件對之間。在阻抗匹配導(dǎo)致較大的漏極波速度的上述情況下，通過其傳播漏極波的輸出傳輸線14配備了多個延遲元件。
這種安排在圖5中示出，延遲線形式的延遲元件被顯示為元件50。
延遲元件50使得在兩條傳輸線中的脈沖傳播速度相匹配，同時給阻抗值的選擇留下了自由度，以便提供放大器的輸入和輸出阻抗匹配。這樣，即使當各個放大器設(shè)備10具有不相等的輸入和輸出阻抗時，該放大器也能被配置成提供匹配的輸入和輸出阻抗以及匹配的傳播速度。
將延遲線阻抗與端接電阻Rd相匹配，并且把延遲線阻抗選擇成滿足阻抗匹配條件Zd＝Rd＝(Ld/Cout)-0.5…(3)因此，依據(jù)每個放大器設(shè)備10的輸出電容和第二傳輸線中的各電感器元件的電感來選擇每個延遲元件阻抗。
選擇所述延遲線延時以便提供匹配的傳播速度Td＝(Lg*Cin)-0.5-(Ld*Cout)-0.5…(4)
對于具有所期望的阻抗的給定的延遲線設(shè)計，通過選擇該延遲線的長度而改變該延時(通常，該延時隨者延遲線長度的平方而變化)。
每個延遲元件可以包括集成電路延遲線，其被集成在所述放大器設(shè)備的集成電路中。所述延遲線能夠容易地以已知的方式被合并到IC設(shè)計中，并且具有很小的或者設(shè)確額外的制造復(fù)雜度或者減產(chǎn)。
圖6示意性地示出了如何在集成電路中實施本發(fā)明。延遲線50被顯示為具有所期望的長度、寬度和材料的軌道部分，以便提供所期望的阻抗和延時。例如，所述阻抗可以被選擇為50歐姆。
在上面的實例中，僅有輸出傳輸線配備了延遲元件。然而，當操作頻率很高時，例如大約150GHz，所需的電感器尺寸變得小于放大器電路10的寬度。圖7示出了其中傳輸線12、14都配備了延遲元件的安排。在兩條傳輸線中使用延遲元件能夠伸展電路，并且防止放大器電路在區(qū)域52的物理重疊。如圖7所示，輸出傳輸線14具有延遲為Td1的延遲元件，輸入傳輸線12具有延遲為Td2的延遲元件，這些延遲元件都具有相同的阻抗。
所需的有效延時由下式給出Td1-Td2＝(Lg*Cin)-0.5-(Ld*Cout)-0.5…(5)Td1和Td2的值因此能夠被相應(yīng)地選擇。
本發(fā)明能被應(yīng)用于所有已知的行波放大器的用途，特別是當需要寬帶放大時。行波放大器被用于廣播發(fā)射機和接收機、有線電視網(wǎng)絡(luò)、宇宙通信和許多其他應(yīng)用中。
本發(fā)明能在MMIC(單片微波IC)中實現(xiàn)，并且適用于高頻下的電信號處理，例如與在光學(xué)通信系統(tǒng)中使用的高比特率相對應(yīng)，例如10GB/s-40GB/s。
在上面的實例中，所述放大器設(shè)備被顯示為雙TFT共射-共基單元。然而，單一TFT也可以起到放大設(shè)備的作用。本發(fā)明還可以應(yīng)用于真空管行波放大器，其被用于極高功率的放大。放大設(shè)備的其他設(shè)計也是可能的。
上面僅給出了兩個詳細的實例，但是行波放大器的其他電路結(jié)構(gòu)也是可能的，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。本發(fā)明適用于其中提供了兩條傳輸線的任何此類電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的延遲元件的使用實現(xiàn)了利用延遲元件來使傳播速度相匹配，從而保持了其他電路參數(shù)的設(shè)計自由度，以便例如提供阻抗匹配。然而，該設(shè)計自由度可以用于其他目的，并且本發(fā)明不限于具有匹配的輸入和輸出阻抗的放大器。
本發(fā)明特別在所需的帶寬上以改進的阻抗匹配實現(xiàn)了改進的增益。本發(fā)明還能改進放大器的穩(wěn)定性因素。
各種其他修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)國際局于2006年3月15日(15.03.2006)收到，以修改的權(quán)利要求1-14代替原始權(quán)利要求1-14項1、一種行波放大器，包括第一傳輸線(12)，其與該放大器的輸入相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第一多個電感性元件(Lg)；第二傳輸線(14)，其與該放大器的輸出相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第二多個電感性元件(Ld)；以及連接在第一和第二傳輸線之間的多個放大器設(shè)備(10)，每個放大器設(shè)備(10)連接在(i)和(ii)之間，其中(i)是第一傳輸線的相鄰電感性元件之間的連接點，(ii)是第二傳輸線的相鄰電感性元件之間的連接點，其中，第一和第二傳輸線(12，14)當中的至少一條進一步包括多個延遲元件(50)，每個延遲元件被串聯(lián)提供在相應(yīng)的電感性元件對之間。
2、如權(quán)利要求1中所要求的放大器，其中，每個放大器設(shè)備(10)包括場效應(yīng)晶體管裝置，其柵極連接到第一傳輸線(12)，其漏極連接到第二傳輸線(14)。
3、如權(quán)利要求2中所要求的放大器，其中，每個場效應(yīng)晶體管裝置包括串聯(lián)連接在第二傳輸線和公共端子之間的一個或多個場效應(yīng)晶體管。
4、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，第二傳輸線(14)包括所述多個延遲元件(50)。
5、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，每個延遲元件(50)包括集成電路延遲線，其被集成在所述放大器設(shè)備(10)的集成電路中。
6、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，每個延遲元件(50)具有依據(jù)每個放大器設(shè)備(10)的輸出電容和第二傳輸線(14)中的各電感器元件(Ld)的電感而選擇的阻抗(Zd)。
7、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，每個延遲元件(50)具有延時(Td)，該延時被選擇成確保通過第一和第二傳輸線(12，14)的傳播速度相等。
8、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，所述輸入被提供到第一傳輸線(12)的一端，第一傳輸線的另一端通過第一端接電阻(Rg)連接到公共電位。
9、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，所述輸出從第二傳輸線(14)的一端提供，第二傳輸線的另一端通過第二端接電阻(Rd)連接到公共電位。
10、如權(quán)利要求9中所要求的放大器，其中，每個延遲元件的阻抗(Zd)的大小等于第二端接電阻(Rd)的電阻值。
11、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，通過第一和第二傳輸線(12，14)的傳播速度基本上相等，并且該放大器的輸入和輸出阻抗基本上相等。
12、如權(quán)利要求11中所要求的放大器，其中，每個放大器設(shè)備的輸入和輸出電容不相等。
13、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，第一和第二傳輸線(12，14)各包括多個具有不同延遲值(Td2，Td1)的延遲元件(54，50)。
14、如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其包括微波RF放大器。
權(quán)利要求
1.一種行波放大器包括第一傳輸線(12)，其與該放大器的輸入相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第一多個電感性元件(Lg)；第二傳輸線(14)，其與該放大器的輸出相關(guān)聯(lián)，并且包括串聯(lián)的第二多個電感性元件(Ld)；以及連接在第一和第二傳輸線之間的多個放大器設(shè)備(10)，其中，第一和第二傳輸線(12，14)當中的至少一條進一步包括多個延遲元件(50)，每個延遲元件被串聯(lián)提供在相應(yīng)的電感性元件對之間。
2.如權(quán)利要求1中所要求的放大器，其中，每個放大器設(shè)備(10)包括場效應(yīng)晶體管裝置，其柵極連接到第一傳輸線(12)，其漏極連接到第二傳輸線(14)。
3.如權(quán)利要求2中所要求的放大器，其中，每個場效應(yīng)晶體管裝置包括串聯(lián)連接在第二傳輸線和公共端子之間的一個或多個場效應(yīng)晶體管。
4.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，第二傳輸線(14)包括所述多個延遲元件(50)。
5.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，每個延遲元件(50)包括集成電路延遲線，其被集成在所述放大器設(shè)備(10)的集成電路中。
6.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，每個延遲元件(50)具有依據(jù)每個放大器設(shè)備(10)的輸出電容和第二傳輸線(14)中的各電感器元件(Ld)的電感而選擇的阻抗(Zd)。
7.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，每個延遲元件(50)具有延時(Td)，該延時被選擇成確保通過第一和第二傳輸線(12，14)的傳播速度相等。
8.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，所述輸入被提供到第一傳輸線(12)的一端，第一傳輸線的另一端通過第一端接電阻(Rg)連接到公共電位。
9.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，所述輸出從第二傳輸線(14)的一端提供，第二傳輸線的另一端通過第二端接電阻(Rd)連接到公共電位。
10.如權(quán)利要求9中所要求的放大器，其中，每個延遲元件的阻抗(Zd)的大小等于第二端接電阻(Rd)的電阻值。
11.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，通過第一和第二傳輸線(12，14)的傳播速度基本上相等，并且該放大器的輸入和輸出阻抗基本上相等。
12.如權(quán)利要求11中所要求的放大器，其中，每個放大器設(shè)備的輸入和輸出電容不相等。
13.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其中，第一和第二傳輸線(12，14)各包括多個具有不同延遲值(Td2，Td1)的延遲元件(54，50)。
14.如任一前述權(quán)利要求中所要求的放大器，其包括微波RF放大器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種行波放大器，其具有兩條電感性傳輸線(12，14)，多個放大器設(shè)備連接在它們之間。這兩條傳輸線當中的至少一條(14)進一步包括多個延遲元件(50)，每個延遲元件被串聯(lián)提供在相應(yīng)的電感性元件對之間。所述延遲元件使得兩條傳輸線中的脈沖傳播速度相匹配，同時給阻抗值的選擇留下了自由度，以便提供該放大器的輸入和輸出阻抗匹配。這樣，即使當各個放大器設(shè)備具有不相等的輸入和輸出阻抗時，該放大器也能被配置成提供匹配的輸入和輸出阻抗以及匹配的傳播速度。
文檔編號H03F3/58GK1998135SQ200580012609
公開日2007年7月11日 申請日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月21日
發(fā)明者F·奧夫里 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司