【专利解密】和而泰基于匹配网络可重构的功率放大器提高雷达系统性能

【嘉勤点评】和而泰发明的基于匹配网络可重构的多功能功率放大器和雷达系统，通过对功率放大器末级匹配网络进行可重构设计，使其同时具备发射和接收功能。不仅提高了芯片集成度，也减少了组件元器件数量，同时提高了系统性能。

集微网消息，在传统雷达系统的射频收发组件中，射频前端常常使用环形器连接发射功率放大器PA和接收前端器件（限幅器LIM和接收低噪声放大器LNA），用来进行射频收发的切换。

如上图（左侧），为现有射频收发组件的环形器收发切换实施例的原理图，其中通过第一环形器Cir1和第二环形器Cir2为发射射频信号和接收射频信号提供不同的传输路径。如上图（右侧），为现有射频收发组件的单刀双掷射频收发开关收发切换实施例的原理图。在该方案中，将环形器替换为单刀双掷射频收发开关K1。其中的TX均为雷达系统的射频输入端，RX为雷达系统的射频信号接收端，COM为射频信号收发公共端。

由于环形器一般由铁氧体材料制成，体积和重量都较大，无法和射频前端芯片集成。随着射频收发组件对系统集成度和重量要求的提高，环形器的应用逐渐受到限制。而单刀双掷射频收发开关的缺点为集成度低且面积较大，虽然有些可以和芯片集成，但损耗较大，影响着系统整体性能，降低了收发组件的整体效率。

为此，和而泰在2020年5月12日申请了一项名为“一种匹配网络可重构的多功能功率放大器和雷达系统”的发明专利（申请号：202010394763.4），申请人为浙江铖昌科技有限公司，此为和而泰的子公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的匹配网络可重构的多功能功率放大器的原理框图，该功率放大器包括发射功率放大器模块100、输出级可重构匹配网络模块200以及供电控制模块300。其中，发射功率放大器模块的输入端与多功能功率放大器的射频输入端PA_TX连接，用于对待发射的射频信号进行放大后输出。

输出级可重构匹配网络模块具有输入端、输出端和公共端，输出级可重构匹配网络模块的输入端连接至发射功率放大器模块的输出端J1。输出级可重构匹配网络模块的输出端连接至多功能功率放大器的射频信号接收端PA_RX，输出级可重构匹配网络模块的公共端连接至射频信号收发公共端COM。而供电控制模块与发射功率放大器模块和输出级可重构匹配网络模块连接。

这种多功能功率放大器可以工作在两种工作状态：发射状态或者接收状态。当功率放大器实现射频信号发射功能时，发射功率放大器模块偏置上电工作，输出级可重构匹配网络模块重构为发射信号输出匹配网络，使多功能功率放大器的射频输入端的待发射的射频信号输入到发射功率放大器模块放大后，再由发射信号输出匹配网络输出至收发公共端COM输出。

当功率放大器实现射频信号接收功能时，发射功率放大器模块偏置掉电停止工作，输出级可重构匹配网络模块重构为接收信号传输网络，使接收的射频信号经过射频信号收发公共端COM输入到接收信号传输网络后，再通过多功能功率放大器的射频信号接收端输出。

如上图，为这种功率放大器中输出级可重构匹配网络模块的电路原理图，该输出级可重构匹配网络模块包括发射信号输出匹配单元210、接收信号传输单元220和匹配网络重构单元230。发射信号输出匹配单元的输入端与发射功率放大器模块的输出端J1连接，接收信号传输单元的输出端与多功能功率放大器的射频信号接收端PA_RX连接。

其中，匹配网络重构单元的第一端与发射信号输出匹配单元的输出端连接，匹配网络重构单元的第二端与接收信号传输单元的输入端连接，匹配网络重构单元的第三端连接至输出级可重构匹配网络模块的射频信号收发公共端COM。且匹配网络重构单根据供电控制模块的控制信号切换发射信号输出匹配单元或者接收信号传输单元工作，分别使输出级可重构匹配网络模块重构为发射信号输出匹配网络或者接收信号传输网络。

发射信号输出匹配单元包括：第四电感L4至第七电感L7、第三电容C3至第四电容C4。其中，第四电感、第六电感、第四电容、第七电感依次串联在发射信号输出匹配单元的输入端与输出端之间。第四电感和第六电感之间的节点通过第五电感接地，第六电感和第四电容之间的节点通过第三电容接地。

接收信号传输单元包括：第五电容C5至第六电容C6以及第八电感L8。其中第五电容和第八电感串联在接收信号传输单元的输入端和输出端之间。第五电容和第八电感之间的节点通过第六电容接地。

这种方案的重构原理是利用匹配网络重构单元中并联pHEMT（赝配高电子迁移率晶体管）器件在导通和截止状态下的两种不同等效特性，即并联pHEMT器件截止时等效为并联电容，导通时等效为到地电阻。将并联pHEMT器件等效的并联电容和到地电阻作为可重构匹配网络的一个元件设计到网络中，通过控制pHEMT器件的导通或截止状态，使输出级滤波器匹配网络在不同模式下具有不同的阻抗变换特性，进而实现发射和接收模式的切换。

最后，如上图，该专利中展示的雷达系统中多功能功率放大器的连接关系图，该雷达系统为有源相控阵雷达系统，包括有射频收发组件、接收限幅器LIM和接收低噪声放大器LNA。多功能功率放大器的射频输入端PA_TX与雷达系统的射频输入端TX连接，多功能功率放大器的射频信号接收端PA_RX依次通过接收限幅器LIM和接收低噪声放大器LNA与雷达系统的射频信号接收端RX连接。

当系统处于发送状态时，雷达系统待发射的射频信号通过雷达系统的射频输入端TX进入多功能功率放大器再通过射频信号收发公共端COM输出。

系统处于接收状态时，外部接收的射频信号由射频信号收发公共端COM输入，经过多功能功率放大器的输出级可重构匹配网络模块，并由多功能功率放大器的射频信号接收端输出至接收限幅器LIM进行限幅，再经过接收低噪声放大器LNA放大后通过雷达系统的射频信号接收端RX输出给接收链路中的其他元器件。

以上就是和而泰发明的基于匹配网络可重构的多功能功率放大器和雷达系统，该方案通过对功率放大器末级匹配网络进行可重构设计，使其同时具备发射和接收功能，省去传统射频收发组件中的环形器或单刀双掷射频收发开关。不仅提高了芯片集成度，也减少了组件元器件数量，同时提高了系统性能。

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（校对/holly）