CN109787574A - 一种毫米波可变增益放大器结构 - Google Patents

Abstract

一种毫米波可变增益放大器结构，涉及电子电路设计的技术领域，尤其涉及适用于毫米波相控阵系统中射频可变增益放大器设计的技术领域。本发明包括共源级晶体管构成的的第一部分电路；产生可变增益输出信号的第二部分电路；由输入匹配网络构成的第三部分电路；由输出匹配网络的第四部分电路。本发明实现了成本低，适用于CMOS工艺，高增益调节范围高精度低相移的目的。

Description

一种毫米波可变增益放大器结构

技术领域

本发明涉及电子电路设计的技术领域，尤其涉及适用于毫米波相控阵系统中射频可变增益放大器设计的技术领域。

背景技术

随着5G通信技术的发展，毫米波相控阵系统因其独特的优势开始成为研究热点。相比4G，毫米波信号传输距离变短，由于波长变短和空气吸收等因素影响，5G信号传播距离大约为200米。为了满足短距离传输范围的数据流量需求，5G将采用大规模多入多出技术（Massive MIMO），通过使用多根天线来倍增系统通信容量。除了在5G通信技术中的引用，毫米波技术在军事上的应用也很引人注目，特别是毫米波近程雷达技术和精确制导武器。毫米波导引头和弹载信号处理机的体积更小，更灵活和使用。毫米波雷达器件体积小，波束窄、旁瓣低的特点给电子战造成了截获和干扰的困难。

然而毫米波频段也存在一些问题，毫米波波长短，机械装配的极小差别，会导致较大的相位差，这就给天线毫米波器件、馈线的设计和加工带来巨大的困难。因此，需要保证天线单元及相关器件的相位一致性。另外相控阵天线需要进行波束扫描，由于各通道处于不同的状态，从而引起各通道幅度上的不一致，这也是需要解决的关键技术。

目前一般使用衰减器或可变增益放大器来保证相控阵天线各通道在移相器的不同状态下保持幅度一致性。前者的优势是可以进行宽带应用且不需要复杂的系统配置，但衰减量的控制不够精确，后者可以实现高增益调节范围和高精度调节，但由于是有源器件会带来一定的功耗。

在以往的射频电路设计中，采用了增益和效率优异的GaAs等的化合物半导体，但它们价格相对较为昂贵。在未来5G移动通信网络中，重要的是小型且低成本地实现高速率信号传输。因此，面向毫米波相控阵系统应用，需要关注在集成度、功率损耗和成本等方面表现优异的硅器件的新型射频放大器结构。

近年来，随着毫米波通信技术的发展，对毫米波相控阵技术的要求也越来越高。5G毫米波相控阵MMIC芯片主要面临的挑战有功率和集成度的折中、相位和幅度的精准控制、先行工作状态下的效率、高带宽下带内带外非理想效应。所以我们在选择幅度控制器件时，一方面，器件要具有高增益调节范围和高精度，另一方面，也要考虑器件的功率损耗、相位变化范围、线性度、功率使用容量、工作频带范围等。因此，传统的可变增益放大器结构和衰减器，很难满足毫米波相控阵应用中的高增益调节范围高精度低相移的要求。可变增益放大器，其电路一般使用高电子迁移率晶体管（high-electron mobility transistor,HEMT）单片微波集成电路（monolithic-microwave-integrated-circuit）工艺，例如氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）工艺，但它们相对较为昂贵。

发明内容

本发明目的是提供一种成本低，适用于CMOS工艺，高增益调节范围高精度低相移的毫米波可变增益放大器结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种毫米波可变增益放大器结构，包括共源级晶体管构成的的第一部分电路；产生可变增益输出信号的第二部分电路；由输入匹配网络构成的第三部分电路；由输出匹配网络的第四部分电路。

第一部分电路和第二部分电路通过级间电感串联。其中，第一部分电路和第二部分电路共同构成可变增益放大器电路，两部分电路中间的级间电感，能够减少整个可变增益放大器工作频带内的相移以及提高增益。

第一部分电路包括第一个差分电路、差分输入信号，所述第一个差分电路包括两对并联电阻电容结构；上述第二部分电路包括第二个差分电路、差分输出信号，所述第二个差分电路包含七级用于控制增益调节的共栅晶体管阵列。第一部分电路与第二部分电路共同构成可变增益放大器结构。

第一个差分电路包括由第一个晶体管和第二个晶体管构成的差分共源晶体管对，所述第一个晶体管的栅极接收第一差分输入信号RF_IN-，第二个晶体管的栅极接收第二差分输入信号RF_IN+；第一个晶体管的栅极与第一差分输入信号RF_IN-之间并联电阻电容，第二个晶体管的栅极与第二差分输入信号RF_IN+之间并联电阻电容。提高了电路的稳定性和增益。

本发明的第二个差分电路包括源极连接在第一个晶体管的漏极的第三个晶体管；源极连接在第二个晶体管的漏极的第四个晶体管，其目的是在第三个晶体管的漏极和第四个晶体管的漏极之间输出放大后的信号RF_OUT-、RF_OUT+。

进一步，本发明将七级尺寸不同的共栅晶体管阵列分别并联在第一个晶体管的栅极和第二个晶体管的栅极上，其目的是为了形成七级增益调节网络。

进一步，本发明的每对晶体管由一个工作在开关模式的共栅晶体管和一个复制晶体管构成，目的是为了通过控制晶体管栅极电压来控制晶体管的工作状态，从而控制从晶体管漏级到输出的电流，以达到最终控制增益的目的。

进一步，本发明在每组晶体管的栅极分别连接反相器，其目的是为了便于数字控制，只需给出对应的7位二进制码便可控制七级调节网络。

进一步，本发明的第一个晶体管、第二个晶体管、第三个晶体管和第四个晶体管可由N型晶体管（N-Metal-Oxide-Semiconductor）构成。

进一步，本发明的第三部分电路包括第一变压器，用其代替传统电感电容网络及微带线匹配网络，其目的是为了将单端信号转换为差分信号。

进一步，本发明的第四部分电路包括第二变压器、电容，其中，电容分别并联在第二变压器两侧，其目的是为了分别与第二变压器的初级线圈和次级线圈达到谐振，以满足输出宽带匹配的要求。

本发明作为射频功率放大器时的增益和稳定性等性能与第一个电容、第二个电容、第一个电阻和第二个电阻有关。

通过本发明设计的新型可变增益放大器结构，有效提高了增益调节范围及精度，同时也降低了工作频带内的相移，具有较好的线性度和稳定性。对于X波段和K_u波段信号来说，该可变增益放大器可以提供15dB的增益调节范围及0.5dB的增益调节精度。

本发明的毫米波可变增益放大器作为射频可变增益放大器时的涉及的应用领域包括：发射机/接收机系统、相控阵系统的幅度加权、功放的温度补偿等等。

附图说明

图1A是含有负载的射频可变增益放大器电路结构示意图。

图1B是产生可变增益输出信号电路部分中共栅晶体管对电路结构示意图。图中（a）为高增益模式，（b）为低增益模式。

图2A是最终产生15dB增益调节范围和0.5dB调节精度的效果示意图，表示S21的幅度。

图2B是频带内相移的示意图，表示S21的相位。

图2C是输入输出匹配情况的示意图。

图2D是输入输出匹配情况的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图例，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1A所示，一种毫米波可变增益放大器结构，包括共源级晶体管构成的的第一部分电路100；产生可变增益输出信号的第二部分电路200；由输入匹配网络构成的第三部分电路300；由输出匹配网络的第四部分电路400。

本发明的共源级晶体管构成的的第一部分电路100由两个N型场效应管101、102构成。两个N型场效应管101、102的源极耦合接地，形成共源差分对，其栅极分别接输入电压RF_IN+，RF_IN-。另外，第一个级间电感107串接在第一个共栅极晶体管201的源极和第一个共源晶体管101的漏极上，第二个级间电感108串接在第二个共栅极晶体管202的源极和第二个共源晶体管102的漏极上。加入第一个级间电感107、第二个级间电感108，其目的是为了减少整个可变增益放大器工作频带内的相移并且提高增益。两个电阻电容并联网络103、104；105、106分别加在第一个共源晶体管101和第二个共源晶体管102的栅极，用来消除共源晶体管栅极和漏极之间寄生电容对电路的影响，提高了放大器增益和稳定性。

如图1A所示，本发明产生可变增益输出信号的第二部分电路200包括两个和差分中和电容共源级放大器101、102自上而下连接形成共源共栅放大器结构N型场效应管201、202，以及七组不同尺寸的共栅晶体管对（图1中只画出第一组203、204；205、206）。第一个共栅晶体管201和第二个共栅晶体管202的栅极共同连接至偏置信号，漏极分别输出输出信号RF_OUT-和RF_OUT+。第一个共栅晶体管201的源级与第三个共栅晶体管203和第五个共栅晶体管205的源级相连，共同连接到级间电感108的上端。第二个共栅晶体管202的源级与第四个共栅晶体管204和第六个共栅晶体管206的源级相连，共同连接到级间电感107的上端。第三个共栅晶体管203和第四个共栅晶体管204的漏级连接到输出信号RF_OUT-和RF_OUT+。第五个共栅晶体管205和第六个共栅晶体管206的漏级连接到高电压V_dd。第三个共栅晶体管203、第四个共栅晶体管204、第五个共栅晶体管205和第六个共栅晶体管206的栅极分别连接到反相器207、208、209、210，便于实现数字化步进控制。

如图1A所示，本发明由输入匹配网络构成的第三部分电路300包括一个匹配第一变压器301，初级线圈一端接地，另一端连接到输入信号RF_IN；次级线圈的两端分别连接通过并联的电阻电容网络连接到第一个共源晶体管101和第二个共源晶体管102的栅极。用其代替传统电感电容网络及微带线匹配网络，其目的是为了将单端信号转换为差分信号。

如图1A所示，本发明由输出匹配网络构成的第四部分电路400包括一个匹配第二变压器401和两个电容402、403，其中，变压器401的初级线圈通过并联的电容402连接到第一个共栅晶体管201和第二个共栅晶体管202的漏极；次级线圈通过并联电容403一端接地，一端接输出信号RF_OUT。

如图1B所示，本发明中应用共栅晶体管阵列进行幅度控制，以图中的单元为例,来解释其具体的工作原理。每一级共栅晶体管对的尺寸都不相同，带来的增益也不同，第一级的共栅晶体管尺寸最小，此后每一级的尺寸依次递增。每一级共栅晶体管对由一个工作在开关状态下的共栅晶体管和一个复制晶体管组成，当该级的数字控制输入信号为1时，该级工作在高增益模式之下，共栅晶体管M_S的栅极输入高电压，管子开启工作，漏级输出电流到RF_out-；复制晶体管M_R的栅极输入低电压，管子处于关闭状态。当该级的数字控制输入信号为0时，该级工作在低增益模式之下，共栅晶体管M_S的栅极输入低电压，管子处于关闭状态，漏级没有电流到RF_out-；复制晶体管M_R的栅极输入高电压，管子处于开启状态，但漏级连接到电源V_dd，流入输出端的电流由此减小。当只开启第一级共栅晶体管对时，它能在最低增益模式的基础上带来0.5dB的增益，但当随着增益越来越高，第一级共栅晶体管对带来的增益就会越来越小，所以我们要实现15dB调节范围0.5dB的步进，就必须采用七级的增益调节网络。引入复制晶体管M_R的目的是保持共源级流出的电流恒定，从而使整个共源级的输入输出电容保持恒定。另外，引入M_R也可以使共栅晶体管对的输入电容在高低两个工作模式下都保持在C_gs,on+C_gs,off，从而使整个共栅晶体管阵列的输入电容维持不变。

如图2A所示，最终从128个状态中选出31个状态，实现0.5dB步进，增益调节范围15dB。

如图2B所示，在工作频段范围内，相移可以保证小于10°，满足低相移的要求。

如图2C所示，在工作频段范围内，S11最低点基本可以满足小于-15dB。

如图2D所示，在工作频段范围内，S22可满足小于-10dB，最低可到-60dB，可以满足宽带匹配的要求。

采用本发明涉及的可变增益放大器结构的器件适用于发射机/接收机系统、相控阵系统的幅度加权、功放的温度补偿等等。随着近年来技术的不断进步,其在应用上也越发受到现代军事应用的青睐,在雷达探测、无线通信等领域的应用不断得到开发,可满足高精度多维搜索测量、目标特征提取和分类识别、小目标和近距离探测、抗电子战干扰、宽带大容量无线通信,以及天线体积重量小型化集成化等多种应用需求场合。目前已有的典型应用场景有:雷达探测领域,包括空间目标探测、地面战术火控雷达、机载毫米波雷达、弹载雷达制导、智能炮弹、着陆雷达、战场成像与侦察、直升机多功能射频、太赫兹成像、机场异物检测(FOD)、高分辨安检成像、无人驾驶及避障,以及非接触式检测等;通信领域,包括卫星通信与中继、战术移动热点、无线通信骨干网、移动宽带通信、短距离宽带无线通信、大数据高速回传等。此外,随着探测与通信应用需求的融合,毫米波技术还将在多传感器(如无人机)协同探测、雷达前后端分离等复合应用中发挥优势作用。

Claims (10)

1.一种毫米波可变增益放大器结构，其特征在于包括：相互串联的共源级晶体管构成的第一部分电路（100）、产生可变增益输出信号的第二部分电路（200）、由输入匹配网络构成的第三部分电路（300）、由输出匹配网络的第四部分电路（400）；第一部分电路（100）和第二部分电路（200）通过级间电感串联。

2.根据权利要求1所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第一部分电路包括第一个差分电路、差分输入信号，所述第一个差分电路包括两对并联电阻电容结构；上述第二部分电路包括第二个差分电路、差分输出信号，所述第二个差分电路包含七级用于控制增益调节的共栅晶体管阵列。

3.根据权利要求2所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第一个差分电路包括由第一个晶体管（101）和第二个晶体管（102）构成的差分共源晶体管对，所述第一个晶体管（101）的栅极接收第一差分输入信号（RF_IN-），第二个晶体管（102）的栅极接收第二差分输入信号（RF_IN+）；第一个晶体管（101）的栅极与第一差分输入信号（RF_IN-）之间并联电阻电容（103、104），第二个晶体管（102）的栅极与第二差分输入信号（RF_IN+）之间并联电阻电容（105、106）。

4.根据权利要求2或3所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第二个差分电路包括源极连接在第一个晶体管（101）漏极的第三个晶体管（201）；源极连接在第二个晶体管（102）的漏极的第四个晶体管（202），在第三个晶体管（201）的漏极和第四个晶体管（202）的漏极之间输出放大后的信号（RF_OUT-、RF_OUT+）。

5.根据权利要求4所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第一个晶体管（101）、第二个晶体管（102）、第三个晶体管（201）、第四个晶体管（202）为N型晶体管。

6.根据权利要求4所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第一个晶体管的栅极和第二个晶体管的栅极上分别并联七级共栅晶体管阵列。

7.根据权利要求6所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述每对共栅晶体管由一个工作在开关模式的共栅晶体管和一个复制晶体管构成。

8.根据权利要求6所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述每组晶体管（203、204；205、206）的栅极分别连接反相器（207、208、209、210）。

9.根据权利要求1所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第三部分电路（300）包括第一变压器（301）。

10.根据权利要求1所述的毫米波可变增益放大器结构，其特征在于上述第四部分电路（400）包括第二变压器（401）、电容（402、403），其中，电容（402、403）分别并联在第二变压器（401）两侧。