CN111884606A - 基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路 - Google Patents

基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路，应用于毫米波技术领域，宽带匹配电路包括第一电容、毫米波变压器和第二电容；毫米波变压器包括初级线圈和次级线圈，第一电容与初级线圈的第一节点和地连接，第二电容与次级线圈的第三节点和第四节点连接；初级线圈包括初级线圈电感，次级线圈包括次级线圈电感；初级线圈电感和第一电容构成第一LC谐振网络；次级线圈电感和第二电容构成第二LC谐振网络。本发明通过在匹配网络中设置两个LC谐振电路，大幅度提高毫米波电路的工作频率宽度，将其应用于毫米波功率放大电路，可以大幅提高放大器的工作带宽，降低生产成本。

Description

基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，尤其涉及一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路。
背景技术
近年来，采用硅基半导体工艺实现5G毫米波频段上宽带超高速通信系统已经成为学术界和工业界的研究热点。例如，近几年提出的得3GPP 5G新射频标准N257频带(26.5-29.5GHz)、N258频带(24.25-27.5GHz)、N260频带(37-40GHz)和IEEE 802.11aj频带(42.3-48.4GHz)。以上这些标准充分利用毫米波频段丰富的频谱资源，进而大幅度提升通信系统信道容量和数据传输速率。然而，对于一个宽带5G毫米波通信系统，宽带且稳定毫米波射频前端的实现是极富挑战的，而能够实现调制信号进行充分放大进而输送到天线端进行无线辐射又是射频前端发射机中极其重要的模块，同时能够实现对接收到微弱射频调制信号进行有效放大进而输送到解调器进行解调又是射频前端接收机中极其重要的模块。因此，毫米波放大器(发射链路中的功率放大器、接收链路中的低噪声放大器)必须满足宽带要求以支持5G毫米波所覆盖频段。而影响毫米波放大器工作频率宽度范围的主要是匹配网络。
常见的毫米波匹配网络主要有两种结构：微带线和电容匹配以及变压器匹配。微带线和电容匹配的原理利用毫米波微带线的分布参数原理，结合电容的调谐特性，进而完成电路的阻抗匹配。然而，由于毫米波频率高，微带线本身会产生寄生参数，电容连接会引入寄生电感，以上这些因素会恶化毫米波微带线和电容的品质因数，大幅度恶化微带电容匹配网络的频带宽度。毫米波变压器匹配网络利用变压器的阻抗变换特性完成阻抗匹配，然而由于毫米波频率高，随之引入大量寄生产生，构成变压器初级线圈和次级线圈电感的品质因数有限，常见的变压器匹配网络的频带宽度也很有限。此外，采用分布式匹配网络设计方法可以有效地提升放大器的工作频率范围，但是由于分布式网络面积大，会大幅度增加芯片的面积，进而大大增加放大器的成本。
因此，需要发明一种基于毫米波宽带匹配网络，解决传统毫米波匹配网络因为电路寄生参数导致匹配网络频带宽度有限的缺点，进而大幅度提升毫米波放大器的频率工作范围且不恶化芯片的面积。
发明内容
技术目的：针对现有技术中毫米波宽度匹配网络应用于放大器中时难以提高工作频带范围且生产成本较大的缺陷，本发明公开了一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路，通过在匹配网络中设置两个LC谐振电路，大幅度提高毫米波电路的工作频率宽度，将其应用于毫米波功率放大电路，可以大幅改善放大器的工作带宽，降低生产成本。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，包括第一电容、毫米波变压器和第二电容；所述毫米波变压器包括初级线圈和次级线圈，初级线圈的第一节点连接输入端口，第二节点接地；次级线圈的第三节点和第四节点连接差分输出端口，第三节点和第四节点输出的信号幅度相同，相位相差180度；第一电容与初级线圈的第一节点和地连接，第二电容与次级线圈的第三节点和第四节点连接；
所述初级线圈包括初级线圈电感，次级线圈包括次级线圈电感；初级线圈电感和第一电容构成第一LC谐振网络；次级线圈电感和第二电容构成第二LC谐振网络。
优选地，所述第一LC谐振网络和第二LC谐振网络的谐振频率点相同。
优选地，所述毫米波变压器的初级线圈和次级线圈匝数比为1∶n，n为大于等于1的整数；毫米波变压器的耦合系数为k。
优选地，所述毫米波变压器结构为相邻的两层金属层形成的堆叠式结构，或为同层金属构成内外圈平行式的结构。
优选地，所述第一电容和第二电容均为金属-绝缘层-金属电容。
一种毫米波功率放大电路，应用以上任一所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，包括依次连接的输入匹配网络、功率放大器和输出匹配网络；所述功率放大器为若干晶体管构成的差分放大器结构，所述输入匹配网络和输出匹配网络为以上任一所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路；
所述毫米波功率放大电路还包括片上直流偏置网络，用于为功率放大器提供直流电。
优选地，所述输入匹配网络和输出匹配网络内毫米波变压器均为单圈毫米波变压器。
优选地，所述输入匹配网络、功率放大器和输出匹配网络均采用硅基双极性互补金属氧化物半导体集成电路工艺制作。
有益效果：
1、本发明通过在匹配网络中设置两个LC谐振电路，大幅度提高毫米波电路的工作频率宽度，将其应用于毫米波功率放大电路，可以大幅提高放大器的工作带宽，简化电路结构，降低生产成本；
2、本发明中的宽带匹配网络适用于宽频带毫米波的应用场合，对放大器没有特殊要求，该放大器可以是功率放大器或低噪声放大器等。
附图说明
图1为本发明的宽带匹配电路结构示意图；
其中C1为第一电容，2为毫米波变压器，21为初级线圈，22为次级线圈，A为第一节点，B为第二节点，C为第三节点，D为第四节点，C2为第二电容；
图2为两个LC谐振腔构成的宽带匹配网络的基本结构原理图；
图3为图2中宽带匹配网络的Smith圆图匹配流程；
图4为本发明的一种毫米波功率放大电路的实施例结构示意图；
图5为图4实施例中功率放大器的输出宽带匹配网络的等效电路原理图；
图6为图4实施例中功率放大器的输出宽带匹配网络的Smith圆图匹配流程；
图7为图4中放大器增益曲线的仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本方案的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路及毫米波功率放大电路做进一步的说明的解释。
附图2为两个LC谐振腔构成的匹配网络的基本结构原理图，该宽带匹配网络由一个并联LC谐振网络电感Lp、电容Cp和一个串联LC谐振网络电感Ls、电容Cs构成，附图3的Smith圆图中给出了从10GHz到85GHz、该负载输入阻抗随频率变化的曲线图。从Smith圆图中可以看出，随着两个LC谐振网络的频率调谐特性，在频率范围wL到wH范围内大于50GHz，该匹配网络的反射系数S11均小于-10dB，大幅度改善了匹配网络的带宽，其中wL为15GHz，wH为60GHz，wC为30GHz。但以上电感Lp、Ls和电容Cp、Cs均由理想元件进行设计，在毫米波频带，由于电感Lp、Ls和电容Cp、Cs有限的品质因数，该方法已不再使用。
如附图1所示，一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，包括第一电容C1、毫米波变压器2和第二电容C2；毫米波变压器2包括初级线圈21和次级线圈22，初级线圈21的第一节点A连接输入端，第二节点B接地；次级线圈22的第三节点C和第四节点D连接输出端，第三节点C和第四节点D输出的信号幅度相同，相位相差180度；第一电容C1与初级线圈21的第一节点A和地连接，第二电容C2与次级线圈22的第三节点C和第四节点D连接。毫米波变压器2的初级线圈21和次级线圈22匝数比为1：n，n为大于等于1的整数；毫米波变压器2的耦合系数为k。其中，毫米波变压器2结构为相邻的两层金属层形成的堆叠式结构，或为同层金属构成内外圈平行式的结构，第一电容C1和第二电容C2均为金属-绝缘层-金属MIM电容，其容值约为50fF，。
初级线圈21包括初级线圈电感，次级线圈22包括次级线圈电感；初级线圈电感和第一电容C1构成第一LC谐振网络；次级线圈电感和第二电容C2构成第二LC谐振网络，其中初级线圈电感、第一电容C1、次级线圈电感和第二电容C2的设定值可以根据实际情况进行调整，第一LC谐振网络和第二LC谐振网络的谐振频率点相同，两个谐振网络的频率点均设为f，相同频率点f的控制可根据LC谐振频率点的计算公式
Figure BDA0002549432540000041
来设定初级线圈电感、第一电容C1、次级线圈电感和第二电容C2的值，将两个谐振网络的频率点设定为待应用电路中的功率放大器的中心频点，实现宽带输出匹配，进而实现宽带功率放大器的目的。本发明通过在匹配网络中设置两个LC谐振电路，大幅度提高毫米波电路的工作频率宽度，将其应用于毫米波功率放大电路，可以大幅改善放大器的工作带宽，简化电路结构，降低生产成本。
一种毫米波功率放大电路，包括依次连接的输入匹配网络、功率放大器和输出匹配网络；功率放大器为若干晶体管构成的差分放大器结构，该放大器可以是共射极的若干晶体管结构或共基极的若干晶体管结构。输入匹配网络和输出匹配网络为以上提到的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其中输入匹配网络和输出匹配网络内的毫米波变压器2均为单圈毫米波变压器，即变压器的初级线圈和次级线圈匝数比为1∶1。该毫米波功率放大电路还包括片上直流偏置网络，用于为功率放大器提供直流电。输入匹配网络、功率放大器和输出匹配网络均采用硅基双极性互补金属氧化物半导体集成电路工艺制作。
实施例
如附图4所示，一种毫米波功率放大电路，其频段范围为10-90GHz，其中功率放大器包括晶体管一Q1、晶体管二Q2、晶体管三Q3和晶体管四Q4，晶体管一Q1和晶体管三Q3为共基极结构，晶体管二Q2和晶体管四Q4为共集电极结构，
晶体管一Q1和晶体管三Q3的基极分别与输入宽带匹配电路的第三节点C和第四节点D连接，晶体管一Q1和晶体管三Q3的发射极接地，晶体管二Q2和晶体管四Q4的发射极分别与晶体管一Q1和晶体管三Q3的集电极连接，晶体管二Q2和晶体管四Q4的集电极分别与输出宽带匹配电路的第一节点A和第二节点B连接，晶体管二Q2和晶体管四Q4的基极与片上直流偏置网络连接，片上直流偏置网络为晶体管二Q2和晶体管四Q4增加直流电。
其输入匹配网络是由1∶1单圈毫米波变压器和并联金属-绝缘层-金属电容C1、C2构成的宽带匹配电路，其中，初级线圈21包括节点A和节点B，次级线圈22包括节点C和节点D，次级线圈22上的中心抽头节点E与片上直流偏置网络连接。
其输出匹配网络是由1∶1单圈毫米波变压器和并联金属-绝缘层-金属电容C3、C4构成的宽带匹配电路，其中，初级线圈21包括节点H和节点I，次级线圈22包括节点F和节点G，初级线圈21上的中心抽头节点J与片上直流偏置网络连接。片上直流偏置网络通过节点E和节点J为功率放大器中的晶体管提供直流电。
附图5是附图4中功率放大器的输出宽带匹配网络的等效电路原理图。为了简化分析，将毫米波变压器2采用经典方法等效为一个T型等效网络，其中M为毫米波变压器2的初级线圈21和次级线圈22之间的互感值，Lp为变压器初级线圈21的电感值，Ls为变压器次级线圈22的电感值。从图中可以看出并联电容C3和C4与变压器形成的电感构成了两个LC谐振网络。由于功率放大器的输出采用最大输出功率阻抗匹配方法，故输出阻抗由PA负载牵引得到的阻抗进行匹配，即根据PA负载牵引方法不断调节输出端阻抗，找到使功率放大器输出功率最大的输出阻抗。从附图6中的Smith圆图可以看出负载输入阻抗随频率变化曲线形成了图3中所分析的二LC宽带匹配网络的阻抗曲线图，故该变压器和电容C3、C4构成了宽带二LC谐振腔阻抗匹配网络。
附图7给出了实施例中功率放大器增益曲线的仿真结果，本实施例中将功率放大器的输出宽带匹配网络中，两个谐振网络的谐振频率点f均设置为45GHz，利用LC谐振频率点的计算公式
Figure BDA0002549432540000051
由仿真得到两个线圈电感的感值，利用公式求得对应的电容值即可。从图中可以看出该放大器的3dB工作频率范围覆盖14.5-78.5GHz；3dB带宽达到137.6％，这大大超过了目前的宽带毫米波放大器3dB带宽不超过70％的工作频率范围。
实施例中的宽带匹配网络及其所应用在10-90GHz频段毫米波功率放大器电路中均采用硅基双极性互补金属氧化物半导体集成电路工艺实现。从实施例中可看成，本发明可通过宽带匹配网络的设计将功率放大器的工作带宽扩展到14.5-78.5GHz，大大提高了功率放大器的工作频带范围，本发明中的宽带匹配网络适用于其他宽频带毫米波的应用场合，对放大器没有特殊要求，该放大器可以是功率放大器或低噪声放大器等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其特征在于，包括第一电容(C1)、毫米波变压器(2)和第二电容(C2)；所述毫米波变压器(2)包括初级线圈(21)和次级线圈(22)，初级线圈(21)的第一节点(A)连接输入端口，第二节点(B)接地；次级线圈(22)的第三节点(C)和第四节点(D)连接差分输出端口，第三节点(C)和第四节点(D)输出的信号幅度相同，相位相差180度；第一电容(C1)与初级线圈(21)的第一节点(A)和地连接，第二电容(C2)与次级线圈(22)的第三节点(C)和第四节点(D)连接；
所述初级线圈(21)还包括初级线圈电感，次级线圈(22)还包括次级线圈电感；初级线圈电感和第一电容(C1)构成第一LC谐振网络；次级线圈电感和第二电容(C2)构成第二LC谐振网络。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其特征在于：所述第一LC谐振网络和第二LC谐振网络的谐振频率点相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其特征在于：所述毫米波变压器(2)的初级线圈(21)和次级线圈(22)匝数比为1∶n，n为大于等于1的整数；毫米波变压器(2)的耦合系数为k。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其特征在于：所述毫米波变压器(2)结构为相邻的两层金属层形成的堆叠式结构，或为同层金属构成内外圈平行式的结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其特征在于：所述第一电容(C1)和第二电容(C2)均为金属-绝缘层-金属(MIM)电容。
6.一种毫米波功率放大电路，应用如权利要求1-5任一所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路，其特征在于：包括依次连接的输入匹配网络、功率放大器和输出匹配网络；所述功率放大器为若干晶体管构成的差分放大器结构，所述输入匹配网络和输出匹配网络为如权利要求1-5任一所述的一种基于毫米波变压器的宽带匹配电路；
所述毫米波功率放大电路还包括片上直流偏置网络，用于为功率放大器提供直流电。
7.根据权利要求6所述的一种毫米波功率放大电路，其特征在于：所述输入匹配网络和输出匹配网络内毫米波变压器(2)均为单圈毫米波变压器。
8.根据权利要求6所述的一种毫米波功率放大电路，其特征在于：所述输入匹配网络、功率放大器和输出匹配网络均采用硅基双极性互补金属氧化物半导体集成电路工艺制作。
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