分布式放大器

摘要

本发明涉及一种分布式放大器系统(10)，包括：输入传输线(50)，该输入传输线表现出多个区段(60)；输出传输线(70)；放大器级(90)，该放大器级的输出端耦接到输出传输线，并且放大器级的输入端在多个区段中的相应对之间耦接到输入传输线；PIN二极管(40)，该PIN二极管耦接在输入传输线的第一端与公共电位之间；以及电路，该电路耦接在输入传输线的第二端与公共电位之间，该第二端与第一端相反，使得存在经过第一单向电子阀、输入传输线和电路的直流(DC)电流。

说明书

技术领域

本申请涉及分布式放大器领域，并且具体地涉及保护高频分布式放大器的系统和方法。

背景技术

当今雷达的前端处的接收器面临越来越高的带宽要求和日益恶劣的环境。为了解决这些问题，将微波差分放大器(MWDA)置于雷达前端处。MWDA是低噪声的，并且在其输入处在相对高的射频(RF)和微波功率电平下提供非常好的匹配和高线性度。尽管能够处理高功率电平，但是在输入信号变得极高的情况下需要额外的保护电路。此类高信号可能对MWDA的放大器级中的晶体管造成损坏。

发明内容

鉴于上面提供的讨论和其他考虑，本公开提供了克服现有技术分布式放大器的一些或全部缺点的方法和设备。这在一个实施方案中由差分放大器提供，所述差分放大器包括：输入传输线，所述输入传输线表现出多个区段；输出传输线；至少一个放大器级，所述至少一个放大器级中的每一个放大器级的输出端耦接到所述输出传输线，并且所述至少一个放大器级中的每一个放大器级的输入端在所述多个区段中的相应对之间耦接到所述输入传输线；保护电路，所述保护电路耦接在所述输入传输线的第一端与公共电位之间，所述保护电路包括PIN二极管；以及电阻电路，所述电阻电路耦接在所述输入传输线的第二端与所述公共电位之间，所述第二端与所述第一端相反，使得存在经过所述PIN二极管、所述输入传输线和所述电阻电路的直流(DC)电流。

从以下附图和描述中，本发明的附加特征和优点将变得显而易见。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出可如何实行本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图，在附图中，相同的数字始终表示对应的元件或区段。

现在具体参考附图，强调了所示的细节仅为示例且仅用于说明性讨论本发明的优选实施方案的目的，并且为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和易于理解的描述的原因而被呈现。就此而言，没有试图比对本发明的基本理解所需更详细地示出本发明的结构细节，关于附图进行的描述使得本发明的若干形式可如何在实践中体现对于本领域技术人员而言是显而易见的。在附图中：

图1A示出了根据某些实施方案的包括分布式放大器和第一保护电路的分布式放大器系统的高级示意图；

图1B示出了PIN二极管的高级框图；

图1C示出了PIN二极管的电阻的曲线图；

图2A示出了图1的分布式放大器系统的高级示意图，该系统还包括第二保护电路；

图2B示出了PIN二极管的高级框图；

图2C示出了根据某些实施方案的所生成的DC电流的曲线图；

图3A示出了图2的分布式放大器系统的更详细的实施方案；并且

图3B示出了图3A的分布式放大器系统的保护电路的有效功率衰减的曲线图。

具体实施方式

在详细解释本发明的至少一个实施方案之前，应当理解，本发明的应用不限于在下面的描述中阐述的或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明适用于其他实施方案或以各种方式实践或进行。而且，应当理解，本文所采用的措辞和术语是用于描述的目的并且不应当被认为是限制性的。

图1A示出了根据某些实施方案的分布式放大器系统10的高级示意图。分布式放大器系统10包括：分布式放大器20；以及包括PIN二极管40的保护电路30。分布式放大器20包括：输入传输线50，所述输入传输线包括多个区段60；输出传输线70，所述输出传输线包括区段80；放大器级90；电路100，所述电路包括与电容器115并联的电阻器110；输入端子120；以及输出端子130。还示出了经由隔直流电容器耦接在公共电位与输入端子120和PIN二极管40的阳极的连结点之间的高频信号。PIN二极管是在p型半导体与n型半导体区之间具有本征半导体区的二极管。分布式放大器被示为包括输入传输线50上的一对区段60、输出传输线70上的单个区段80、和单个放大器级90，然而这并不意在以任何方式进行限制。在另一个实施方案中，提供了多个放大器级90，并且相应地增加了区段60和区段80的数量。在一个实施方案中，高频信号源140提供可由天线提供的射频(RF)信号或微波频率。图1B示出了PIN二极管40的高级框图，图1A至图1B一起描述。

PIN二极管40的阳极耦接到输入端子120和高频信号源140。PIN二极管40的阴极耦接到公共电位。输入端子120耦接到输入传输线50的第一端。放大器级90在其第一端子处的输入端耦接到传输线50的结点150，结点150位于第一区段60与第二区段60之间。第一区段60在结点150与输入端子120之间，并且第二区段60在结点150与输入传输线50的第二端之间，输入传输线50的第二端与输入传输线50的第一端相反。电路100的电阻器110和电容器150中的每一者的第一端耦接到输入传输线50的第二端，并且电阻器110和电容器150中的每一者的第二端耦接到公共电位。放大器级90在其第二端子处的输出端耦接到输出传输线70的区段80。区段80在放大器级90的输出端与输出端子130之间。放大器级90的第三端子耦接到公共电位。虽然示出了阳极耦接到输入端子120的PIN二极管40，但这并不意在以任何方式进行限制，并且在另一个实施方案中，PIN二极管40的阴极耦接到输入端子120。

在操作中，高频信号由高频信号源140输出，该高频信号在结点150处的放大器级90的输入端处被接收。放大器级90放大所接收的信号，然后在输出端子130处输出，如本领域的技术人员在本发明时已知的并且如下文将进一步描述的那样。只要来自高频信号源140的信号表现出低于预定阈值的峰值正电压，PIN二极管40就没有效果。信号的功率被确定为V

如果来自高频信号源140的信号表现出大于预定阈值的峰值正电压，则PIN二极管40的耗尽区将塌缩并且电流将开始从中流过，从而限制允许进入分布式放大器20的功率量。当PIN二极管40被反向偏置时，在高频信号源140的周期的负的一半期间，本征区放电，从而提供反向电流流动。对PIN二极管40进行选择，使得放电时间长于由高频信号源140提供的信号的时段。因此，通过PIN二极管40的电阻为整个信号周期提供功率限制。在信号周期的正的一半期间，跨PIN二极管40的电压受到限制，并且这种限幅导致跨PIN二极管40的平均反向自偏置。

除了功率限制之外，当PIN二极管40导通时，经由由电容器115保持的公共电位并通过输入传输线50，形成通过PIN二极管40到电阻器110的直流(DC)路径。因此，DC电位在结点150处呈现给放大器级90的输入端，并且负DC电位出现在输入端子120处。具体地讲，由电容器115平滑的表示为I的DC电流通过公共电位并通过电阻器110进入输入传输线50而从阳极流过PIN二极管40到达阴极。PIN二极管40的极性和放大器级90的特性被布置成使得所生成的DC电位关闭放大器级90，如下文将进一步描述的。

因此，在来自高频信号源140的输入信号的电压超过预定阈值的情况下，分布式放大器20关闭，直到电压返回到可接受的电平，从而反映适当的功率电平。在达到可接受的电压电平时，PIN二极管40将停止导通，并且DC电位将从结点150移除。更详细地说，PIN二极管40通过在高功率条件下传导DC电流时有效地产生短路而将RF功率反射回信号源140从而充当限制器。该DC电流流过电阻器11O并在结点150上产生由电容器115保持的DC电压。对于PIN二极管40的典型硅PIN二极管实施方式，PIN二极管40在信号源140的功率达到17dBm-20dBm时开始导通，并且来自信号源140的功率的任何进一步增加将导致通过PIN二极管40的DC电流增加，从而导致结点150处的更负的电压。在一个实施方案中，当来自信号源140的功率为20dBm时，约1mA-2mA的电流将流动，并且当来自信号源140的功率增加至27dBm-30dBm时，该电流将增加至约20mA-30mA，然而，响应于PIN二极管40的功率限制能力，跨PIN二极管40出现的有效RF电压将保持固定在1V-1.5V的峰值。因此，随着跨PIN二极管40的自偏置由于功率而增加，放大器级90的放大减小。

将PIN二极管40用于保护电路30的另一个优点是PIN二极管可以吸收大量的电流，同时在关断状态下呈现相对低的寄生电容(shunting capacitance)。此外，在RF和微波范围内，PIN二极管的行为类似于线性电阻器，如图1C中的曲线图200的示例所示，其中x轴表示PIN二极管40的正向偏置电流幅值，并且y轴表示PIN二极管40的串联RF电阻。如曲线图200所示，作为正向偏置电流幅值的函数的电阻变化类似于线性参数电阻器的电阻变化，因此谐波不像电压限幅二极管诸如PN或肖特基二极管的情况那样产生。它是线性参数电阻器，即，值响应于流过它的DC电流的值的线性电阻器。

图2A示出了还包括第二保护电路300的分布式放大器系统10的高级示意图。第二保护电路300包括极性与PIN二极管40的极性相反的单向电子阀310。在一个优选的实施方案中，单向电子阀310是PIN二极管并如本文所述。图2B示出了PIN二极管310的高级框图，图2A至图2B一起描述。PIN二极管310的阴极耦接到电阻器110的第一端，并且PIN二极管310的阳极耦接到公共电位。

如上所述，当来自高频信号源140的输入信号的电压超过预定阈值时，PIN二极管40开始导通，并且在输入传输线50的结点150处呈现DC电位。图2C的曲线图400示出了DC电流I的幅值，其中x轴表示由高频信号源140输出的功率，单位为dBm，并且y轴表示电流I的幅值，单位为安培。如曲线图400所示，DC电流I的幅值响应于由高频信号源140输出的功率的增加而快速增加。为了避免损坏放大器级90，应当优选地限制结点150处的DC电位。因此，在DC电流I的幅值超过预定值的情况下，PIN二极管310的阴极处的负电位将超过PIN二极管310的阈值电压，并且PIN二极管310将开始导通，从而限制出现在输入传输线50的第二端处的负电压的范围。

图3A示出分布式放大器系统10的更详细的实施方案。具体地，示出了多个放大器级90，每个放大器级90包括：第一假晶高电子迁移率场效应晶体管(PHEMT FET)T1；第二PFTEMT FET T2；电阻器RB；电容器CB；以及电容器CG。每个附加放大器级90在输入传输线50上设有相应的区段60，并且在输出传输线70上设有相应的区段80。另外，提供了RF/微波扼流圈500以及多个隔直流电容器C1、C2和C3。电路100包括：电阻器110、电阻器510；以及电容器115。还提供了电阻器530。放大器级90各自在本文中被示出和描述为包括PHEMT FET，然而这并不意在以任何方式进行限制，并且可以在不超出范围的情况下提供其他晶体管类型。另外，放大器级90各自在本文中被示出和描述为包括两个晶体管，然而这并不意在以任何方式进行限制。还提供了包括单向电子阀310的第二保护电路300。

每个晶体管T1的源极耦接到相应电阻器RB和电容器CB中的每一者的第一端。每个电阻器RB和电容器CB的第二端耦接到公共电位。每个晶体管T1的栅极耦接到相应的结点150。每个晶体管T1的漏极耦接到相应的晶体管T2的源极。每个晶体管T2的栅极耦接到相应的电容器CG的第一端和表示为VG的栅极电压。相应的电容器CG的第二端耦接到公共电位。除了耦接在第一区段80、RF/微波扼流圈500的第一端和电阻器530的第一端之间的第一放大器级90之外，每个晶体管T2的漏极在区段80的相应对之间耦接到输出传输线。RF/微波扼流圈500的第二端耦接到隔直流电容器C1的第一端并且耦接到表示为VDD的主电源电压。隔直流电容器C1和电阻器530中的每一者的第二端耦接到公共电位。隔直流电容器C2置于高频信号源140与PIN二极管40的阳极之间。隔直流电容器C3置于输出传输线70的最后区段80与输出端子130之间。电阻器110和电容器115中的每一者并联耦接在电阻器510的第二端与公共电位之间。电阻器510的第一端和二极管310的阴极耦接到输入传输线50的第二端。电阻器510通常被设定为50欧姆，并且充当传输线60的RF端子负载。因此，电阻器510提供终端，并且电阻器100和电容器115的并联组合提供用于关闭放大器级90的DC电平。二极管310防止DC电压尖峰超过晶体管T1、T2的可持续电平。

在操作中，每个放大器级90的晶体管T1和T2由电压VDD和相应的电阻器RB偏置。具体地讲，DC电流从输出传输线70流过晶体管T1和T2，并且流过电阻器RB。跨电阻器RB的电压降为晶体管T1提供所需的DC偏置。有利的是，跨电阻器RB偏置晶体管T1提供负反馈回路，以用于保持流过晶体管T1和T2的固定DC电流。例如，响应于电流的幅值的增大(例如，由于温度变化)，跨电阻器RB的电压将相应地增大。因此，晶体管T1的栅极-源极电压将减小，从而减小从中流过的电流的幅值。

晶体管T1的栅极由在相应结点150处从高频信号源140接收的相应高频电位控制，并且信号由晶体管级联布置而放大，如本领域的技术人员在本发明时已知的那样。如上所述，在电压电平超过预定阈值的情况下，PIN二极管40接通，从而限制到分布式放大器20的功率输出并生成经过输入传输线50的DC电流I的流动，从而生成跨电容器115的负电压。在每个结点150处生成的相应的负电位关闭相应的晶体管T1，如上所述。具体地讲，如上所述，每个结点150处的电位为负，从而在相应晶体管T1处提供负栅极-源极电压，这将关闭晶体管T1。

在一个非限制性示例中，每个晶体管T1的夹断电压为-1V，并且每个晶体管T1的栅极处的最大允许安全电压电平为-2.5V。分布式放大器20的输入端处允许的最大功率为12dBm，或对于高频信号源140的输出端处的50W的输出电阻而言为约1.3V的电压摆幅。因此，如果将-1V的DC夹断电压施加到晶体管T1的栅极，则包括高频电压摆幅的实际栅极电压将为-2.3V，其不超过-2.5V的最大值。

图3B的曲线图600示出了由PIN二极管40产生的随串联电阻变化的有效功率衰减，其中x轴表示PIN二极管40的串联电阻，并且y轴表示以dBm为单位的功率衰减。如曲线图600所示，大约10欧姆的串联电阻提供超过10dB的衰减。如图1C的曲线图200所示，这种串联电阻在本发明的非限制性示例中通过幅值为约0.2mA的电流值实现。因此，为了在晶体管T1的栅极处提供-1V的电压，电阻器110和510的串联电阻应等于约5kΩ。然而，大的电阻可增加电阻器510和电容器520的RC网络的充电/放电时间。因此，可能需要较低的电阻。

应当理解，为了清楚起见而在单独实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为简洁起见而在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的方法类似或等同的方法可以用于本发明的实践或测试，但本文描述了合适的方法。

本文中提及的所有公开、专利申请、专利和其他参考都通过引用以其整体并入。如发生冲突，以专利说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和示例仅是说明性的并且不旨在是限制性的。

本领域技术人员将理解，本发明不限于以上特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的并且不在现有技术中的各种特征的变化和修改。