CN112019168A - 一种基于慢波微带线匹配网络的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及毫米波无线通信技术，具体涉及一种基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，包括依次连接的慢波微带线变压器匹配网络S‑TLT1、驱动级电路、慢波微带线级间匹配网络、功率级电路、功率合成器；还包括射频输入端、射频输出端、电源端和地线端，慢波微带线变压器匹配网络、功率合成器分别连接射频输入端和射频输出端。该放大器采用慢波微带线匹配网络，实现了单端射频输入信号转为差分射频信号，实现了多级差分电路各级间的良好匹配，减小了阻抗失配引起的损耗，实现了两路合成的功率放大器，该功率放大器输入\输出端口的50欧姆匹配特性良好、输出功率高、传输损耗低、端口隔离度高。

Description

一种基于慢波微带线匹配网络的功率放大器

技术领域

本发明属于毫米波无线通信技术领域，尤其涉及一种基于慢波微带线匹配网络的功率放大器。

背景技术

随着智能交通的迅速发展，雷达传感器在汽车驾驶辅助系统中的运用越来越广泛，毫米波雷达传感器以其波束角度小、灵敏度高、体积小等优势迅速成为汽车驾驶辅助系统中应用最为广泛的雷达传感器。功率放大器是雷达传感器的关键部件，作为传感器中发射机的最后一级放大器，其性能的好坏直接影响着整个系统的信号传输范围和信号抗干扰能力等。硅基CMOS工艺是半导体工艺中兼容性最好的工艺，但是其供电电压低、衬底损耗高等工艺局限导致了硅基CMOS功率放大器的研究发展缓慢，高输出功率、高效率的硅基CMOS功率放大器的研发是当下的技术难题。为了提升功率放大器的增益、输出功率等性能，功率放大器的设计通常采用两路或多路功率合成的方式。对于采用功率合成方式设计的功率放大器，信号单端转差分网络、级间匹配网络、功率合成网络是必不可少的，但传统的LC单端转差分网络、级间匹配网络、功率合成网络等匹配网络规模复杂、损耗大，一直制约着功率放大器的增益、输出功率等性能，同时占用相对较大的面积，限制了高性能功率放大器的研发与应用。因此，设计新型的低损耗匹配网络，实现高增益、高输出功率功率放大器，对于现代汽车雷达传感器系统的发展具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能减小匹配网络损耗同时提高功率放大器增益和输出功率的放大器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，包括依次连接的慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1、驱动级电路、慢波微带线级间匹配网络、功率级电路、功率合成器；还包括射频输入端、射频输出端、电源端和地线端，慢波微带线变压器匹配网络、功率合成器分别连接射频输入端和射频输出端。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1包括第一、第二慢波微带线TL1、TL2，第一变压器T1；慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1输入端为单端射频输入信号RF input，输出一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，驱动级电路包括第一驱动级和第二驱动级；第一驱动级包括分别按共源共栅方式连接的第一、第二、第三、第四MOS晶体管M1、M2、M3、M4，与第二MOS晶体管M2栅极连接的第一偏置电阻R1，与漏极连接的第三慢波微带线TL3，与第四MOS晶体管M4栅极连接的第二偏置电阻R2，与漏极连接的第四慢波微带线TL4；第二驱动级包括按共源共栅方式连接的第五、第六、第七、第八MOS晶体管M5、M6、M7、M8，与第六MOS晶体管M6栅极连接的第三偏置电阻R3，与第八MOS晶体管M8栅极连接的第四偏置电阻R4；驱动级电路输入一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-；第一驱动级与慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1之间连接有第一耦合电容C1和第二耦合电容C2；第一驱动级与第二驱动级之间连接有第三耦合电容C3和第四耦合电容C4。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，慢波微带线级间匹配网络包括第一级间匹配网络S-TLT2和第二级间匹配网络S-TLT3，第一级间匹配网络S-TLT2包括第五、第六慢波微带线TL5、TL6和第二变压器T2，第二级间匹配网络S-TLT3包括第七、第八慢波微带线TL7、TL8和第三变压器T3。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，功率级电路包括第一功率级和第二功率级；第一功率级包括分别以共源方式连接的第九、第十MOS晶体管M9和M10；第二功率级包括分别以共源方式连接的第十一、第十二MOS晶体管M11和M12；与第十一MOS晶体管M11漏极连接的第九慢波微带线TL9，与第十二MOS晶体管M12漏极连接的第十慢波微带线TL10；功率级电路的输出一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-；第一功率级与第二变压器T2之间连接有第五耦合电容C5和第六耦合电容C6；第二功率级与第三变压器T3之间连接有第七耦合电容C7和第八耦合电容C8。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，功率合成器包括第四变压器T4；第四变压器T4与第二功率级之间连接有第九耦合电容C9和第十耦合电容C10；第四变压器T4的输入一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-，输出端为射频输出RFoutput。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，第一、第二慢波微带线TL1、TL2、第一变压器T1均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线，第一变压器T1的初级线圈采用生产工艺中最顶层金属，次级线圈采用生产工艺中次顶层金属；第一、第二慢波微带线TL1、TL2采用生产工艺中次顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线悬浮衬底屏蔽层。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，第三、第四慢波微带线TL3、TL4均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线；第三、第四慢波微带线TL3、TL4采用生产工艺中最顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，第五、第六第七、第八慢波微带线TL5、TL6、TL7、TL8、第二变压器T2、第三变压器T3均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线；第五、第六、第七、第八慢波微带线TL5、TL6、TL7、TL8采用生产工艺中最顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层；第二、第三变压器T2、T3的初级线圈均采用生产工艺中最顶层金属，次级线圈均采用生产工艺中次顶层金属。

在上述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，第九、第十慢波微带线TL9、TL10、第四变压器T4均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线；第九、第十慢波微带线TL9、TL10采用生产工艺中最顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层；第四变压器T4的初级线圈采用生产工艺中次顶层金属，次级线圈采用生产工艺中最顶层金属。

本发明的有益效果：采用慢波微带线匹配网络，实现了单端射频输入信号转为差分射频信号，以及多级差分电路级间的良好匹配，减小了阻抗失配引起的损耗。形成了两路合成的功率放大器，该功率放大器各端口50欧姆匹配特性良好，具有较高输出功率，传输损耗低、端口隔离度高。

附图说明

图1为本发明一个实施例电路模块示意图；

图2为本发明一个实施例电路图；

图3为本发明一个实施例的慢波微带线3D模型示意图；

图4为本发明一个实施例的慢波微带线变压器匹配网络3D模型示意图；

图5为本发明一个实施例的慢波微带线级间匹配网络3D模型示意图；

图6为本发明一个实施例功率合成器3D模型示意图；

图7为本发明一个实施例慢波微带线变压器匹配网络S参数仿真曲线；

图8为本发明一个实施例功率放大器S参数仿真曲线；

图9为本发明一个实施例功率放大器输出功率仿真曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

如图1所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器电路框架图，包括依次连接的慢波微带线变压器匹配网络、驱动级电路、慢波微带线级间匹配网络、功率级电路、功率合成器；还包括射频输入端、射频输出端、电源端(VDD)和地线端(GND)。慢波微带线变压器匹配网络、功率合成器分别连接射频输入端和射频输出端。

单端射频信号由50欧姆射频输入端进入功率放大器，通过慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1转换为差分信号，慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1输出端口分别与25欧姆阻抗相匹配，将输出差分信号以最大效率传输至驱动级电路，进而实现功率的前期放大；放大后的信号经慢波微带线级间匹配网络S-TLT1进入功率级电路，在功率级电路进一步完成功率放大；放大后的信号经功率合成器合成为单端信号，最终经射频输出端输出。实现高增益、高功率的输出信号。

如图2所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器的电路图，慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1包括第一、第二慢波微带线TL1、TL2，第一变压器T1；慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1输入端信号为单端射频输入信号RF input，输入端与50欧姆阻抗相匹配，经过该网络变换，输出一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-，输出端分别与25欧姆阻抗相匹配，随后信号输入至驱动级电路。

驱动级电路包括第一驱动级和第二驱动级，第一驱动级包括分别按共源共栅方式连接的第一、第二、第三、第四MOS晶体管M1、M2、M3、M4；第二MOS晶体管M2栅极连接第一偏置电阻R1，漏极连接第三慢波微带线TL3；第四MOS晶体管M4栅极连接第二偏置电阻R2，漏极连接第四慢波微带线TL4；第二驱动级包括按共源共栅方式连接的第五、第六、第七、第八MOS晶体管M5、M6、M7、M8，第六MOS晶体管M6栅极连接第三偏置电阻R3；第八MOS晶体管M8栅极连接第四偏置电阻R4；驱动级电路的输入一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-。

慢波微带线级间匹配网络包括第一级间匹配网络S-TLT2和第二级间匹配网络S-TLT3，第一级间匹配电路S-TLT2包括第五、第六慢波微带线TL5、TL6和第二变压器T2，第二级间匹配电路S-TLT3包括第七、第八慢波微带线TL7、TL8和第三变压器T3；

功率级电路包括第一功率级和第二功率级，第一功率级包括分别以共源方式连接的第九、第十MOS晶体管M9、M10；第二功率级包括分别以共源方式连接的第十一、第十二MOS晶体管M11、M12；第十一MOS晶体管M11漏极连接第九慢波微带线TL9，第十二MOS晶体管M12漏极连接第十慢波微带线TL10；功率级电路的输出一端正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-。

功率合成器包括巴伦第四变压器T4；巴伦第四变压器T4的输入一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-，输出信号为单端射频输出RF output。

慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1和第一驱动级之间连接有第一耦合电容C1和第二耦合电容C2；第一驱动级和第二驱动级之间连接有第三耦合电容C3和第四耦合电容C4；第二变压器T2和第一功率级之间连接有第五耦合电容C5和第六耦合电容C6；第三变压器T3和第二功率级之间连接有第七耦合电容C7和第八耦合电容C8；巴伦第四变压器T4与第二功率级之间连接有第九耦合电容C9和第十耦合电容C10。

第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十慢波微带线TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10均采用0.13μm CMOS工艺互连线设计，第一、第二慢波微带线TL1、TL2利用工艺中次顶层金属作为上层微带线，利用工艺中最底层金属作为慢波微带线悬浮衬底屏蔽层；第三～第十慢波微带线TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10利用工艺中最顶层金属作为上层微带线，利用工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层。

第一～第三变压器T1、T2、T3均采用0.13μm CMOS工艺互连线设计，初级线圈1均采用工艺中最顶层金属设计，次级线圈2均采用工艺中次顶层金属设计。

图2中共包含有12个MOS晶体管M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12；10个电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10；10个慢波微带线电感TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10；4个负载电阻R1，R2，R3，R4，4个变压器、第一变压器T1，第二变压器T2，第三变压器T3，巴伦第四变压器T4。

如图3所示，本实施例的慢波微带线3D模型，在0.13μm CMOS工艺下，使用工艺中的顶层或次顶层金属设计的半包围八边形结构作为上层微带线，最底层金属作为悬浮条状衬底屏蔽层，其作用是在微带线与每个悬浮金属条之间形成一定的耦合电容，从而减慢信号传输的波速，减小微带线的阻抗；与此同时，悬浮条状衬底屏蔽层可以屏蔽信号在衬底中的电磁耦合，减小信号在衬底中的损耗，从而有效地降低射频信号的在衬底中的损耗。

如图4所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，慢波微带线变压器匹配网络3D模型，具有阻抗变换作用的慢波微带线变压器匹配网络基于0.13μm CMOS工艺设计；慢波微带线变压器匹配网络包括第一变压器T1和第一、第二慢波微带线TL1、TL2，其中第一变压器T1采用工艺中最顶层金属作为初级线圈1，采用工艺中次顶层金属作为次级线圈2，最底层金属作为变压器地金属层；慢波微带线变压器匹配网络共有3个端口，包含1个射频输入端口41、两个对称的射频输出端口，分别是端口42、端口43；其中射频输入、输出端口分别位于慢波微带线变压器匹配网络左右两侧，单端射频输入信号经慢波微带线变压器匹配网络转换为差分输出信号，同时端口阻抗由输入端口41处50欧姆转换为输出端口42、端口42处分别为25欧姆，随后信号输入至驱动级电路。

如图5所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，慢波微带线级间匹配网络的3D模型示意图。慢波微带线级间匹配网络包括第一级间匹配网络S-TLT2和第二级间匹配网络S-TLT3。第一级间匹配网络S-TLT2包括第五、第六慢波微带线TL5、TL6，第二变压器T2；其中第二变压器T2采用工艺中最顶层金属作为变压器初级线圈，采用工艺中次顶层金属作为变压器次级线圈，最底层金属作为变压器地金属层；慢波微带线级间匹配网络共有6个端口，包含2个对称的射频输入端口，分别是端口51、端口52；还包含2个对称的DC端，分别是VDD1、VDD2；包含2个射频输出端口，分别是端口53、端口54；其中射频输入、输出端口分别位于慢波微带线变压器匹配网络左右两侧，DC端口分别位于慢波微带线变压器匹配网络上下两侧；通过调整慢波微带线尺寸以及变压器尺寸以实现前后级电路之间的阻抗变换与阻抗匹配，以减小传输损耗；供电电源经DC端口连接到慢波微带线级间匹配网络，通过第二变压器T2以及慢波微带线的互连通路，经端口51、端口52送至晶体管，实现级间阻抗匹配的同时为晶体管的供电。′

第二级间匹配网络S-TLT3包括第七、第八慢波微带线TL7、TL8和第三变压器T3。其中第三变压器T3采用工艺中最顶层金属作为变压器初级线圈，采用工艺中次顶层金属作为变压器次级线圈，最底层金属作为变压器地金属层。第二级间匹配网络同第一级间匹配网络，慢波微带线级间匹配网络共有6个端口，包含2个对称的射频输入端口，分别是端口51′、端口52′；还包含2个对称的DC′端，分别是VDD1′、VDD2′；包含2个射频输出端口，分别是端口53′、端口54′；其中射频输入、输出端口分别位于慢波微带线变压器匹配网络左右两侧，DC′端口分别位于慢波微带线变压器匹配网络上下两侧；通过调整慢波微带线尺寸以及变压器尺寸以实现前后级电路之间的阻抗变换与阻抗匹配，以减小传输损耗；供电电源经DC′端口连接到慢波微带线级间匹配网络，通过第三变压器T3以及慢波微带线的互连通路，经端口51′、端口52′送至晶体管，实现级间阻抗匹配的同时为晶体管的供电。

如图6所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，功率合成器的3D模型示意图。功率合成器采用具有阻抗匹配和功率合成作用的Balun第四变压器T4，基于0.13μm CMOS工艺设计，采用生产工艺中次顶层金属作为巴伦第四变压器T4的初级线圈，采用工艺中最顶层金属作为巴伦第四变压器T4的次级线圈；巴伦第四变压器T4共有3个端口分别是端口61、端口62、端口63，巴伦第四变压器T4端口61、端口62作为射频输入端口，巴伦第四变压器T4端口63作为射频输出端口，并且输出端口所在的线圈中另一对称端口与地金属层相连；差分射频信号经端口61、端口62输入至功率合成器，经巴伦第四变压器T4功率合成为单端信号后经端口63输出，输出端口63与50欧姆阻抗相匹配。

如图7所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器中，慢波微带线变压器匹配网络S参数仿真曲线，其中S21、S31为插入损耗，S11为输入端口回波损耗。由图可知，输入端口回波损耗S11在工作频率处小于-15dB，插入损耗S21、S31在工作频率附近分别为-4.3dB、-4.4dB。

如图8所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器S参数仿真曲线，其中S21为小信号增益，S11为输入端口回波损耗，S22为输出端口回波损耗。由图可知，回波损耗S11、S22在中心频点附近均小于-10dB，工作频率24GHz处可以达到-15dB；小信号增益S21的-3dB带宽为22.5GHz-25.5GHz,工作频率24GHz处可以达到22dB。

如图9所示，本实施例基于慢波微带线匹配网络的功率放大器的输出功率曲线。其中输出功率1dB压缩点P_1dB为10.9dBm,输出饱和功率P_sat为14.4dBm。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，包括依次连接的慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1、驱动级电路、慢波微带线级间匹配网络、功率级电路、功率合成器；还包括射频输入端、射频输出端、电源端和地线端，慢波微带线变压器匹配网络、功率合成器分别连接射频输入端和射频输出端。

2.如权利要求1所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1包括第一、第二慢波微带线TL1、TL2，第一变压器T1；慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1输入端为单端射频输入信号RF input，输出一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-。

3.如权利要求1所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，驱动级电路包括第一驱动级和第二驱动级；第一驱动级包括分别按共源共栅方式连接的第一、第二、第三、第四MOS晶体管M1、M2、M3、M4，与第二MOS晶体管M2栅极连接的第一偏置电阻R1，与漏极连接的第三慢波微带线TL3，与第四MOS晶体管M4栅极连接的第二偏置电阻R2，与漏极连接的第四慢波微带线TL4；第二驱动级包括按共源共栅方式连接的第五、第六、第七、第八MOS晶体管M5、M6、M7、M8，与第六MOS晶体管M6栅极连接的第三偏置电阻R3，与第八MOS晶体管M8栅极连接的第四偏置电阻R4；驱动级电路输入一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-；第一驱动级与慢波微带线变压器匹配网络S-TLT1之间连接有第一耦合电容C1和第二耦合电容C2；第一驱动级与第二驱动级之间连接有第三耦合电容C3和第四耦合电容C4。

4.如权利要求1所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，慢波微带线级间匹配网络包括第一级间匹配网络S-TLT2和第二级间匹配网络S-TLT3，第一级间匹配网络S-TLT2包括第五、第六慢波微带线TL5、TL6和第二变压器T2，第二级间匹配网络S-TLT3包括第七、第八慢波微带线TL7、TL8和第三变压器T3。

5.如权利要求4所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，功率级电路包括第一功率级和第二功率级；第一功率级包括分别以共源方式连接的第九、第十MOS晶体管M9和M10；第二功率级包括分别以共源方式连接的第十一、第十二MOS晶体管M11和M12；与第十一MOS晶体管M11漏极连接的第九慢波微带线TL9，与第十二MOS晶体管M12漏极连接的第十慢波微带线TL10；功率级电路的输出一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-；第一功率级与第二变压器T2之间连接有第五耦合电容C5和第六耦合电容C6；第二功率级与第三变压器T3之间连接有第七耦合电容C7和第八耦合电容C8。

6.如权利要求5所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，功率合成器包括第四变压器T4；第四变压器T4与第二功率级之间连接有第九耦合电容C9和第十耦合电容C10；第四变压器T4的输入一端为正向射频信号RF+，另一端为反向射频信号RF-，输出端为射频输出RF output。

7.如权利要求2所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，第一、第二慢波微带线TL1、TL2、第一变压器T1均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线，第一变压器T1的初级线圈采用生产工艺中最顶层金属，次级线圈采用生产工艺中次顶层金属；第一、第二慢波微带线TL1、TL2采用生产工艺中次顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线悬浮衬底屏蔽层。

8.如权利要求3所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，第三、第四慢波微带线TL3、TL4均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线；第三、第四慢波微带线TL3、TL4采用生产工艺中最顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层。

9.如权利要求4所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，第五、第六第七、第八慢波微带线TL5、TL6、TL7、TL8、第二变压器T2、第三变压器T3均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线；第五、第六、第七、第八慢波微带线TL5、TL6、TL7、TL8采用生产工艺中最顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层；第二、第三变压器T2、T3的初级线圈均采用生产工艺中最顶层金属，次级线圈均采用生产工艺中次顶层金属。

10.如权利要求5所述的基于慢波微带线匹配网络的功率放大器，其特征是，第九、第十慢波微带线TL9、TL10、第四变压器T4均采用0.13μm CMOS生产工艺金属互连线；第九、第十慢波微带线TL9、TL10采用生产工艺中最顶层金属作为上层微带线，采用生产工艺中最底层金属作为慢波微带线衬底屏蔽层；第四变压器T4的初级线圈采用生产工艺中次顶层金属，次级线圈采用生产工艺中最顶层金属。

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