CN109510608B - 用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器 - Google Patents

用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，主要解决了现有技术带宽过窄，插入损耗过大的问题。其包括，两个输入端口、输出端口、功率合成与分配模块。功率功率合成与分配模块包扩四个双向放大单元、六个电感、三个吸收电阻。电感抵消了双向放大单元中的寄生电容引起的增益下降，扩展了带宽；吸收电阻通过电感和双向放大单元内部寄生电容的阻抗变换作用，使输入输出端口匹配良好，同时双向放大单元具有增益，使本发明具有较低的插入损耗。本发明可用于25GHz以下频段的多输入多输出通信系统的接收和发射前端的功率合成和分配。

Description

用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器
技术领域
本发明属于物理技术领域，更进一步涉及集成电路技术领域中一种用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器。本发明可用于25GHz以下频段的多输入多输出通信系统的接收和发射前端的功率合成和分配。
背景技术
目前，在多输入多输出系统中，功率分配用于给每个输出通道产生相同的输出信号，而功率合成则可以将接收到的多路信号合成一路用于信号处理；在信号发射端，为了获得足够的发射功率，也需要将多路输出合成到一路用于发射信号。传统的功率合成、分配电路大多是无源的，如威尔金森功率合成，魔T功率合成器等，这种结构在25GHz以下的工作频率信号会发生较大衰减，影响功率合成分配效率。
中国电子科技集团公司第四十一研究所在其申请的专利文献“一种宽带大功率低损耗环形功率分配合成器”(申请号CN201310589944.2，公开号CN105978499A，公开日2016-09-28)中公开了一种无源的宽带大功率低损耗功率分配合成器。该功率合成分配器使用微带环形电桥组成一个功率分配环，用于取代传统的Wilkinson功率合成器来完成功率合成和分配，其外部增加了一个隔离环，连接到环形电桥上的1/4波长处，用于输入信号的隔离。这种结构的两支路之间具有很高的相辐一致性，在一定程度上，减小了分配合成器的损耗。但是，该分配合成器仍然存在的不足之处是，在25GHz以下较低的频段，片上的1/4波长的传输线阻值较大，导致其插入损耗仍然很大，而且这种结构对带宽的扩展能力有限，不能满足宽带的应用。
豪威科技(上海)有限公司在其申请的专利文献“功率合成器”(申请号CN201610184109.4，公开号CN105933011A，公开日2016-09-07)中公开了一种功率合成器。该功率合成器使用两个共用次级线圈的差分片上变压器，每个变压器有至少两个差分输入端组，每个差分输入端组包括至少两个差分输入端对，各个差分输入端组具有差分输入端的对数相同，功率合成器的次级线圈上设置有差分输出端对；每个差分输入端组中所有差分输入端对共用部分初级线圈。该功率合成器可以满足多协议和多频带的需求，但是，该功率合成器仍然存在的不足之处是，由于差分片上变压器的Q值不高，导致该功率合成器的带宽不高，只能用于窄带的功率合成，此外该合成器只能用于合成功率，在多输入多输出系统中还需要额外的功率分配电路。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，它解决了传统功率合成分配器采用无源结构导致的带宽过窄，插入损耗过大的问题，同时本发明提出的功率合成分配器输入端口之间具有良好的隔离性，且不需要额外的电路就可以对增益进行调节。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，包括两个输入端口，输出端口，功率合成与分配模块。所述的功率合成与分配模块包括四个双向放大单元、六个电感、三个吸收电阻，每个电感跨接在双向放大单元之间或双向放大单元与吸收电阻之间，每个吸收电阻跨接在电感和高电位之间。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，由于本发明的每个电感跨接在双向放大单元之间或双向放大单元与吸收电阻之间，电感抵消了双向放大单元中的寄生电容引起的增益下降，大大提高了合成分配器增益下降3dB时的频率，克服了现有技术中功率合成分配器带宽过窄的问题，使本发明具有很宽的带宽，能够完成25GHz以下频段通信系统中的功率合成和分配。
第二，由于本发明每个吸收电阻跨接在电感和高电位之间，通过电感和双向放大单元内部寄生电容的阻抗变换作用，使输入输出端口匹配良好，同时双向放大单元使本功率合成分配器具有增益，克服了现有技术中功率合成分配器插入损耗过大的问题，使本发明具有较低的插入损耗。
附图说明
图1是本发明的电原理图；
图2是本发明双向放大单元的电原理图；
图3是本发明的仿真图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细的说明。
参照图1，对本发明的功率合成分配器做进一步的详细描述。
本发明的功率合成分配器包括两个输入端口1、2，输出端口3，功率合成与分配模块4。所述的功率合成与分配模块包括四个双向放大单元、六个电感、三个吸收电阻，每个电感跨接在双向放大单元之间或双向放大单元与吸收电阻之间，每个吸收电阻跨接在电感和高电位之间。
每个电感跨接在双向放大单元之间或双向放大单元与吸收电阻之间是指，第一电感L1跨接在第一双向放大单元5和第二双向放大单元6之间。第二电感L2串联在第二双向放大单元6和第一吸收电阻Z1之间。第三电感L3跨接在第三双向放大单元7和第四双向放大单元8之间的，第四电感L4串联在第四双向放大单元8和第二吸收电阻Z2之间。第五电感L5一端连接在第一、三双向放大单元5、7的连接处，另一端连接在第二、四双向放大单元6、8连接处。第六电感L6一端连接在第二、四双向放大单元6、8连接处，另一端连接输出端口3。
六个电感L1、L2、L3、L4，L5，L6的每个电感的取值不同，满足Li＝Z0 2·2C，其中，Li表示第i个电感的电感值，i取值范围为[1，6]，Z0表示吸收电阻的阻值，C表示与第i个电感一端相连的所有双向放大单元内部寄生电容的总和。
每个吸收电阻跨接在电感和高电位之间是指，第一吸收电阻Z1的一端接电感L2，另一端接高电位，为第一、二双向放大单元5、6提供反向放大偏置；第二吸收电阻Z2的一端接电感L4，另一端接高电位，为第三、四双向放大单元7、8提供偏置；第三吸收电阻Z3的一端接电感L2，另一端接高电位，分别为第一、二、三、四双向放大单元5、6、7、8提供正向放大偏置。。
三个吸收电阻Z1，Z2，Z3的阻值为30Ω。
第一输入端口1接在第一电感L1和双向放大单元1的连接处。第二输入端口2接在第三电感L3和双向放大单元7的连接处。输出端口3接在双向放大单元6、8的连接处。
参照图2，对本发明的双向放大单元做进一步的详细描述。
本发明的每个双向放大单元包括八个晶体管，其中，第一晶体管M1的基极接正向控制信号，源极接第二晶体管M2的集电极。第二晶体管M2的基极通过第一耦合电容C1接第七晶体管M7的集电极，源极接第三晶体管M3的集电极、基极以及第四晶体管M4的基极。第三、四晶体管M3、M4源极接地；第四晶体管M4集电极接第二晶体管M2的集电极。第七晶体管M7的基极接反向控制信号，源极接第六晶体管M6的集电极。第六晶体管M6的基极通过第二耦合电容C2接第一个晶体管M1的集电极，源极接第五晶体管M5的集电极、基极以及第八晶体管M8的基极。第五、八晶体管M5、M8的源极接地。第八晶体管M8的集电极接第六晶体管M6的集电极。第一、七晶体管M1、M7的集电极用于输入输出信号。
下面对本发明的功率合成分配器的工作原理做详细的描述。
本发明的四个双向放大单元均使用相同的正向控制信号和反向控制信号，双向放大单元通过正向控制信号和反向控制信号调节该放大单元的放大方向和增益。
当正向控制信号不为0，反向控制信号为0时，该双向放大单元正向放大，本发明的的功率合成分配器合成功率。
信号从第一输入端口1进入后，沿第三、四电感L3、L4和第三、四双向放大单元内部寄生电容组成的匹配网络传输，一部分能量经过第三、四双向放大单元的放大作用传递到输出端口3所在的匹配网络，即第五、六电感L5、L6和与之相连的双向放大单元的内部寄生电容组成的匹配网络，另一部分能量被吸收第三电阻Z3所吸收。而传递到输出端口3所在的匹配网络的能量则会继续向该匹配网络的两端传播，一部分能量被第二吸收电阻Z2吸收，另一部分传递到输出端口3。同样，来自第二输入端口2的信号也会发生上述过程，使能量传输到输出端口3，从而实现功率的合成。
当正向控制信号为0，反向控制信号不为0时，该双向放大单元反向放大，电路完全反向工作，使本发明的功率合成分配器分配功率。
信号从输出端口3进入，沿第五、六电感L5、L6和与之相连的双向放大单元的内部寄生电容组成的匹配网络传输，一部分能量经过第三、四双向放大单元的放大作用传递到输入端口2所在的匹配网络，进而再传播到吸收电阻Z3和输入端口2，同样还有一部分能量经过第一、二双向放大单元的放大作用传递到输入端口1所在的匹配网络，进而再传播到吸收电阻Z1和输入端口1，其他的能量被吸收电阻Z2吸收，从而实现功率分配。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真条件与仿真内容：
本发明的仿真实验采用JAZZ 0.18μm SiGe BiCMOS器件工艺库，在Cadence软件中，对本发明的功率合成分配器的特性进行S参数仿真，本发明功率合成分配器的特性包括端口匹配、隔离度、增益共三个特性。仿真的功率合成分配器高电位为1.5V。
2.仿真结果分析：
图3是本发明功率合成分配器S参数仿真图。其中，图3(a)是本发明功率合成分配器作功率合成器使用时的S参数仿真图。图3(a)中的横坐标表示频率扫描范围，单位为GHz，图3(a)中的纵坐标表示S参数值，单位为dB。图3(a)中的S31曲线表示功率合成器的增益曲线，S11曲线表示功率合成器输入端口1、2的匹配曲线，S33曲线表示功率合成器输出端口3的匹配曲线，S12曲线表示功率合成器输入端口1、2之间的隔离度曲线。
从图3(a)的S参数仿真图中可以看出，S13曲线在25GHz以下保持在8dB左右，衰减不超过3dB，满足带宽要求。S11曲线和S33曲线在25GHz以下均小于-10dB，说明输入端口与输出端口的阻抗匹配良好。S12曲线在25GHz以下小于-15dB，说明输入端口1、2之间的隔离良好。可见，本发明的功率合成分配器作合成器使用时，有25GHz的带宽，同时由于本发明的功率合成分配器作功率合成器使用时，输入端口与输出端口的阻抗匹配良好，且具有8dB的增益，使得本发明的功率合成分配器作功率合成器使用时具有较低的插入损耗。
图3(b)是本发明功率合成分配器作功率分配器使用时的S参数仿真图。图3(b)中的横坐标表示频率扫描范围，单位为GHz，图3(b)中的纵坐标表示S参数值，单位为dB。本发明功率合成分配器作功率分配器使用时，信号从输出端口3输入，从输入端口1、2输出。图3(b)中，S21曲线表示功率分配器的增益曲线，S11曲线表示功率分配器输出端口3的匹配曲线，S22曲线表示功率分配器输入端口1、2的匹配曲线，S23曲线表示功率分配器输出端口之间的隔离度曲线。
从图3(b)的仿真图中可以看出，S21曲线在25GHz以下保持在8dB左右，衰减在25GHz到达3dB，满足带宽要求。S22曲线在25GHz以下均小于-10dB，S22曲线在25GHz以下均小于-15dB，说明输入输出端口的阻抗匹配良好。S23曲线的值在25GHz以下小于-16dB，输入端口1、2之间隔离良好。可见本发明的功率合成分配器作分配器使用时，有25GHz的带宽，同时由于本发明的功率合成分配器作功率分配器使用时，输入端口与输出端口的阻抗匹配良好，且具有8dB的增益，使得本发明的功率合成分配器作功率分配器使用时具有较低的插入损耗。

Claims (4)

1.一种用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，包括两个输入端口(1)(2)、输出端口(3)、功率合成与分配模块(4)，其特征在于，所述的功率合成与分配模块包括四个双向放大单元、六个电感、三个吸收电阻，每个电感跨接在双向放大单元之间或双向放大单元与吸收电阻之间，每个吸收电阻跨接在电感和高电位之间；其中，所述每个电感跨接在双向放大单元之间或双向放大单元与吸收电阻之间是指，第一电感L1跨接在第一双向放大单元(5)和第二双向放大单元(6)之间；第二电感L2串联在第二双向放大单元(6)和第一吸收电阻Z1之间；第三电感L3跨接在第三双向放大单元(7)和第四双向放大单元(8)之间的，第四电感L4串联在第四双向放大单元(8)和第三吸收电阻Z3之间；第五电感L5一端连接在第一、三双向放大单元(5)、(7)的连接处，另一端连接在第二、四双向放大单元(6)、(8)连接处；第六电感L6一端连接在第二、四双向放大单元(6)、(8)连接处，另一端连接输出端口(3)；所述每个吸收电阻跨接在电感和高电位之间是指，第一吸收电阻Z1的一端接电感L2，另一端接高电位，为第一、二双向放大单元(5)、(6)提供反向放大偏置；第三吸收电阻Z3的一端接电感L4，另一端接高电位，为第三、四双向放大单元(7)、(8)提供偏置；第二吸收电阻Z2的一端接电感L2，另一端接高电位，分别为第一、二、三、四双向放大单元(5)、(6)、(7)、(8)提供正向放大偏置；所述的两个输入端口中的第一输入端口(1)接在第一电感L1和第一双向放大单元(5)的连接处；第二输入端口(2)接在第三电感L3和第三双向放大单元(7)的连接处；输出端口(3)接在第二、四双向放大单元(6)、(8)的连接处电感L6的另一端。
2.根据权利要求1所述的用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，其特征在于：所述的六个电感L1、L2、L3、L4，L5，L6的每个电感的取值不同，满足Li＝Z0 2·2C，其中，Li表示第i个电感的电感值，i的取值范围为[1，6]，Z0表示吸收电阻Z1、Z2、Z3的阻值，C表示与第i个电感一端相连的所有双向放大单元内部寄生电容的总和。
3.根据权利要求1所述的用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，其特征在于：所述的三个吸收电阻Z1，Z2，Z3的阻值均为30Ω。
4.根据权利要求1所述的用于25GHz以下频段通信系统的功率合成分配器，其特征在于：所述的四个双向放大单元均使用相同的正向控制信号和反向控制信号，每个双向放大单元包括八个晶体管，其中，第一晶体管M1的基极接正向控制信号，源极接第二晶体管M2的集电极；第二晶体管M2的基极通过第一耦合电容C1接第七晶体管M7的集电极，源极接第三晶体管M3的集电极、基极以及第四晶体管M4的基极；第三、四晶体管M3、M4源极接地；第四晶体管M4集电极接第二晶体管M2的集电极；第七晶体管M7的基极接反向控制信号，源极接第六晶体管M6的集电极；第六晶体管M6的基极通过第二耦合电容C2接第一晶体管M1的集电极，源极接第五晶体管M5的集电极、基极以及第八晶体管M8的基极；第五、八晶体管M5、M8的源极接地；第八晶体管M8的集电极接第六晶体管M6的集电极；第一、七晶体管M1、M7的集电极用于输入输出信号。
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