CN103281040B - 基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，主要解决了现有技术中存在的片上功率放大器的输出功率较低，同时分布式变压器的平衡性较差，无法满足远距离无线通讯的要求的问题。该基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器包括将单端信号转换为差分信号、且具有输入匹配功能的输入巴伦，与输入巴伦相连的放大电路，与放大电路相连的分布式片上变压器，与分布式片上变压器相连的输出巴伦，所述放大电路的级间连接有匹配电路。通过上述方案，本发明所述的片上功率放大器中的分布式有源变压器达到了较好的平衡性，且达到了输出功率较高的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器

技术领域

本发明涉及一种片上功率放大器，具体地说，是涉及一种基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器。

背景技术

随着社会的进步与发展，人们希望能够不受时间、空间限制，快速、方便、高效的进行交流，因而，无线电技术应运而生；随着技术的进步，人们对信息传输速率提出了更高要求，而毫米波技术恰恰能实现高速无线通信。

众所周知，收发机是实现无线通讯的必要设备，而功率放大器则是发射机中极为重要的组成部分，功率放大器作为发射机的最后一级，对整个系统的性能起着至关重要的作用，目前，无线通讯收发机中唯一难以集成在收发机中的即是功率放大器，这主要是由于随着频率升高，放大器的增益越来越低，无源器件的损耗也越来越大，因而利用CMOS技术设计出能够输出较大功率，具有较大增益的功率放大器越来越难。随着集成电路技术的发展，晶体管的特征尺寸越来越小，这使得利用CMOS工艺设计毫米波集成电路成为可能，同时，集成电路特征尺寸的减小也为功率放大器的设计带来了挑战，这主要表现在随着特征尺寸的减小，晶体管的击穿电压越来越低，晶体管击穿电压的降低会导致设计高输出功率的功率放大器越来越难，而目前能有效解决这种矛盾的方法是采用功率合成技术。

现有的功率合成方法主要有利用威尔金森功率合成器实现功率合成和利用变压器实现功率合成等。然而，由于威尔金森功率合成器所占面积较大，不适合应用于集成电路中，因而采用片上变压器实现功率合成是较为理想的方法，一般的用于实现功率合成的功率放大器虽然具有较高的增益，但输出功率却无法满足远距离无线通讯的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，主要解决现有技术中存在的片上功率放大器的输出功率较低，同时分布式变压器的平衡性较差，无法满足远距离无线通讯的要求的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，包括将单端信号转换为差分信号、且具有输入匹配功能的输入巴伦，与输入巴伦相连、将接收到的信号进行放大的放大电路，与放大电路相连、将接收到的四路差分信号进行功率合成的分布式片上变压器，与分布式片上变压器相连、将接收到的差分信号转换为单端信号输出的输出巴伦，所述放大电路的级间连接有匹配电路。

具体地说，所述输入巴伦包括上下耦合的第一原线圈和第一副线圈，第一原线圈一端接输入信号另一端接地，第一副线圈两端输出、且平衡信号端口并联有短路微带线；所述输出巴伦包括上下耦合的第二原线圈和第二副线圈，第二原线圈的两端接分布式片上变压器的差分信号输出端口、且第二原线圈的平衡信号端口并联有开路微带线，第二副线圈一端输出、另一端接地。

进一步地，所述匹配电路包括电路U1和电路U2，以及连接于电路U1和电路U2之间的电容C，所述电路U1和电路U2均为T型微带线结构。

本发明中，所述分布式片上变压器由沿x轴、y轴对称且具有八路信号端口的第三原线圈和沿x轴、y轴对称且具有两路信号端口的第三副线圈构成，所述第三副线圈上与两路信号端口中心对称的位置处设置有一对用以提高分布式片上变压器输出端口平衡性的悬浮的金属条；所述第三副线圈由两路并联交叉环绕为沿x轴、y轴对称结构的线圈构成。

考虑到实际需求，所述第三原线圈上的虚地点设置有用于进行直流电馈入的馈电点，此馈电点即为分布式片上变压器的原线圈的中心抽头。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中采用全差分放大电路，且每级放大器级间匹配电路采用片上微带线实现，最后一级采用分布式片上变压器实现功率合成，该分布式片上变压器具有对称结构，具有较好的幅度平衡性和相位平衡性，能实现四路差分信号的高效率合成，因而能够充分确保本发明具有较高的增益和输出功率，且在功率放大器的差分输出端连接有测试巴伦，使得功率放大器的测试较为方便，符合实际需求。

（2）本发明中，在放大电路间设置有由微带线和电容构成的匹配电路，该匹配电路不仅能够实现电路的阻抗匹配，而且能够将接收到的一路信号分为两路信号，因而在实现阻抗匹配的同时亦能给电路添加适当的偏置，进而提高整体性能，能够满足远距离无线通讯的要求，设计较为巧妙。

（3）本发明将分布式片上变压器的原线圈和副线圈均设置为对称结构，且在副线圈的两路信号端口的对称面设置了一对与其电结构对称的悬浮的金属条，通过该种完全对称结构的设置有效提高了变压器各个端口的平衡性，使得本发明适用于功率合成、功率分配和阻抗变换等，符合实际需求。

（4）本发明突破了传统思维中分布式片上变压器副线圈形状应与原线圈一致的思维局限，将副线圈变换为两圈并联交叉环绕的对称结构，从而有效减少了工作中差模信号转化为共模信号的比例，确保了变压器各个端口的平衡性，进而使得本发明在用作阻抗变换时各个端口阻抗具有较好的一致性，用作功率合成与功率分配时具有较高的效率，具体突出的实质性特点和显著进步，适合大规模推广应用。

附图说明

图1 为本发明中输入巴伦的原理示意图。

图2 为本发明中匹配电路的原理示意图。

图3为本发明中输出巴伦的原理示意图。

图4为本发明中分布式片上变压器的平面示意图。

图5为本发明中分布式片上变压器的原理示意图。

图6为本发明的整体电路原理示意图。

图7为图6中A1的电路原理图。

图8为图6中A2和A3的电路原理图。

图9为图6中A4的电路原理图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-第三原线圈，2-第三副线圈，3-副线圈信号端口，4-悬浮的金属条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

为了解决现有技术中存在的毫米波频段功率放大器的输出功率较低，同时分布式变压器的平衡性较差，无法满足远距离无线通讯的要求的问题，如图6所示，本发明公开了一种具有高输出功率，高增益，宽带宽等特性的基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，该功率放大器采用全差分四级放大，每级放大器均采用共源结构，极间匹配电路采用片上微带线实现，放大电路优选为多级，在多级放大电路之前设置有将单端信号转换为差分信号的输入巴伦，最后一级采用完全对称的分布式片上变压器实现功率合成，该分布式片上变压器经过改进后具有较好的幅度平衡性和相位平衡性，能实现四路差分信号的高效率合成，在功率放大器的差分输出端连接有测试巴伦即输出巴伦，能够方便地实现功率放大器的测试。

在具体工作时，输入巴伦将接收到的单端信号转换为差分信号，并实现阻抗匹配，通过第一级放大之后利用匹配电路将每路信号分为两路，然后才有两级共源放大，再通过匹配网络将每路信号分为两路，并通过一级共源放大，之后采用完全对称的分布式片上变压器将四路差分信号合成为一路差分信号，最后利用输出巴伦将差分信号转换为单端信号输出。

现有技术中能够将单端信号转换为差分信号的巴伦电路较多，本发明中优选由上下耦合的第一原线圈和第一副线圈结构，第一原线圈一端接输入信号另一端接地，为了实现输入端阻抗匹配和直流电压的馈入，优选在第一副线圈的平衡信号端口并联短路微带线，第一原线圈和第一副线圈采用上下耦合的方式可以增加原、副线圈的耦合系数，减小巴伦损耗。

级间匹配电路的选择也较多，为了提高电路的整体性能，如图2所示，本发明采用π型网络电路作为级间匹配电路，主要是包括两个T型微带线结构，以及两个T型微带线之间的片上电容C。片上电容C不仅是阻抗变换网络的一部分，同时该电容还能实现隔离直流电压的功能。图2中所示的微带线的U1和U2口用于接入放大器的直流电压，该种将匹配网络和偏置网络设计在一个网络中的方法能够大大减小芯片面积。

如图4、图5所示，八路完全对称的分布式片上变压器是本发明的重要部分，其包括第三原线圈1、第三副线圈2、副线圈信号端口3和悬浮的金属条4，本发明通过改进现有技术中变压器的副线圈的绕线方式提高了变压器的平衡性，使放大器的功率合成效率更高，然后在变压器的副线圈的差分信号的端口的对称面设计一对悬浮的金属条，图4中简称悬浮金属，以改善变压器的平衡性，其次，设计了八路合成，以提高功率放大器的功率输出能力。该八路完全对称的分布式片上变压器采用上下耦合式结构，原线圈为一圈，共有八路信号端口，副线圈为两圈并联交叉环绕，有两路信号端口，在副线圈的两路信号端口的对称面同时设置了一对悬浮的金属条，该悬浮的金属条与信号端口的金属条形中心对称的电结构，其主要作用是进一步改善变压器的平衡性。

根据图5可以看出，分布式片上变压器的原线圈上相连的两两信号端口间具有相同的自感，并联交叉环绕的副线圈上与原线圈相对应位置处采用上下耦合方式。为了方便实现直流电的馈入，本发明中在第三原线圈上每路信号的虚地点分别设置有中心抽头，由于在虚地点设置中心抽头为行业公知手段，因而本发明中不作更多说明。经验证后得出，本发明中的八路完全对称的分布式片上变压器能在毫米波频段实现高效率的功率合成，具有较好的平衡性，且适用于功率合成、功率分配和阻抗变换等，同时具有较高的合成效率。

本实施例的附图中只例举了将分布式片上变压器的原线圈和副线圈设置为“正方形”完全对称结构时的示意图，根据实际需求，也可以将原线圈和副线圈设置为圆形、八边形等正多边形结构，只要其能实现完全对称便可，由于根据本发明中的内容便能轻易推断出圆形、正八边形等时原线圈和副线圈的设置方式，因而本发明中不作更多说明，同时本施例的附图只列举了四级放大器电路的情况，根据实际需求，也可以只采用一级或者多级放大电路结构。

为了方便地进行性能测试，如图3所示，本发明提供了将差分信号转换为单端信号输出的输出巴伦，输出巴伦与输入巴伦具有较大的相似性，二者主要的不同点在于，输出巴伦的阻抗调节部分采用开路微带线，同时为了提高平衡性，在输出巴伦的设计中原线圈上设置了中心抽头，用户可以通过调节中心抽头的位置来提高巴伦的平衡性，然后通过调节输入端的开路微带线来调节巴伦的阻抗，实现巴伦与分布式片上变压器的良好匹配。

另，由于放大电路的实现电路较多，因而本发明中不作更多说明，只在图6中给出了一种实现电路，并在图7、图8、图9中给出了一种优选实现电路。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (5)

1.基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，其特征在于，包括将单端信号转换为差分信号、且具有输入匹配功能的输入巴伦，与输入巴伦相连、将接收到的信号进行放大的放大电路，与放大电路相连、将接收到的四路差分信号进行功率合成的分布式片上变压器，与分布式片上变压器相连、将接收到的差分信号转换为单端信号输出的输出巴伦，所述放大电路的级间连接有匹配电路；

所述分布式片上变压器由沿x轴、y轴对称且具有八路信号端口的第三原线圈和沿x轴、y轴对称且具有两路信号端口的第三副线圈构成，所述第三副线圈上与两路信号端口中心对称的位置处设置有一对用以提高分布式片上变压器输出端口平衡性的悬浮的金属条；所述第三副线圈由两路并联交叉环绕为沿x轴、y轴对称结构的线圈构成。

2.根据权利要求1所述的基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，其特征在于，所述输入巴伦包括上下耦合的第一原线圈和第一副线圈，第一原线圈一端接输入信号另一端接地，第一副线圈两端输出、且平衡信号端口并联有短路微带线。

3.根据权利要求2所述的基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，其特征在于，所述输出巴伦包括上下耦合的第二原线圈和第二副线圈，第二原线圈的两端接分布式片上变压器的差分信号输出端口、且第二原线圈的平衡信号端口并联有开路微带线，第二副线圈一端输出、另一端接地。

4.根据权利要求3所述的基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，其特征在于，所述匹配电路包括电路U1和电路U2，以及连接于电路U1和电路U2之间的电容C，所述电路U1和电路U2均为T型微带线结构。

5.根据权利要求4所述的基于八路完全对称变压器功率合成的片上功率放大器，其特征在于，所述第三原线圈上的虚地点设置有用于进行直流电馈入的馈电点。