CN112068635B - 一种多通道相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道相控阵,多通道相控阵应用全局偏置结构和采用内嵌电流镜放大电路，内嵌电流镜放大电路结构特征采用电容中和的共源差分放大器结构,晶体管部分(218、220)由第一放大管(202)、第二放大管(204)、第一镜像管(206)和第二镜像管(208)构成。内嵌电流镜放大电路结构特征中晶体管部分(218、220)在工艺特征中将镜像管区域(304)内嵌于放大管区域(302)中,降低了工艺尺寸误差的随机性,实现了晶体管与镜像管尺寸的高精度匹配。在此技术基础上提出适用于相控阵系统的全局偏置结构,有效的提高了相控阵各通道的一致性。本发明适用于多通道毫米波相控阵应用中高增益毫米波放大器设计。

Description

一种多通道相控阵

技术领域

本发明涉及电子电路设计技术领域，涉及一种多通道相控阵技术，特别适用于毫米波频段相控阵系统中放大电路与系统偏置的设计。

背景技术

毫米波频段凭借着丰富的频谱资源成为近年研究热点。毫米波通信面临着信号传播过程中严重衰减的问题，相控阵技术的研究成为解决该问题的关键。相控阵系统通过控制各个天线发射信号的相位，实现电磁波的相互叠加，多天线发射可以提高信号发射功率，而不同相位信号的叠加可以将发射的能量集中在一个方向，根据用户位置进行波束调制，实现同一频率下不同用户之间没有相互干扰，很大程度的提高通信信道容量。

偏置电路的设计是相控阵系统设计中十分关键的一部分，由于相控阵系统中需要很大数量结构一致的发射阵列，不同通道的放大器偏置状态不同会使得通道输出信号增益与相位偏移，导致阵列合成波束方向偏移和方向增益衰减，因此相控阵系统芯片设计中保证各发射接收通道的一致性十分关键。然而在实际芯片流片过程中，受工艺与匹配因素的影响，不同芯片之间甚至同一芯片内部的晶体管尺寸也会存在一定的误差，而尺寸误差的随机性导致放大器中电流镜尺寸与放大管尺寸很难完全匹配。此外，考虑到不同芯片的晶体管阈值电压等参数同样也受工艺误差的影响，传统的设计思路很难保证各个通道的放大器偏置状态保持一致，极大的限制了相控阵系统的工作性能。另外，毫米波段的晶体管受寄生效应与建模等因素的影响，版图的可拓展性差，电流镜的版图匹配设计更加困难，这为相控阵偏置电路设计提出更高的要求。

共源放大器是射频放大器设计中常用的结构，但是共源放大器本身存在栅漏电容之间的反馈回路，在射频电路设计中，会很大程度的降低晶体管增益与稳定性，甚至导致晶体管振荡。传统的共源共栅结构放大器在低频应用中可以实现高隔离度与增益，但随着设计频率的提高，考虑到高频版图寄生效应的影响后，共源共栅放大器相比于共源放大器的增益优势已经十分微弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道相控阵，内嵌电流镜放大电路能够降低了工艺尺寸误差的随机性，实现了晶体管与镜像管尺寸的高精度匹配，并在此技术基础上提出适用于相控阵系统的全局偏置结构，有效的提高了相控阵各通道的一致性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多通道相控阵，所述的内嵌电流镜放大电路在结构上采用电容中和的共源差分放大器结构，在工艺上将镜像管内嵌于放大管中，所述的全局偏置结构适用于相控阵发射机与相控阵接收机，相控阵发射机中功率放大电路与相控阵接收机中低噪声放大电路采用内嵌电流镜放大电路。

进一步的是，所述的内嵌电流镜放大电路在结构上采用电容中和的共源差分放大器结构，由晶体管部分、第一中和电容、第二中和电容、第一电阻和第二电阻构成，所述的晶体管部分由第一放大管、第二放大管、第一镜像管、第二镜像管构成。

进一步的是，所述第一放大管的栅级通过第一电阻与第一镜像管的栅级串接，第二放大管的栅级通过第二电阻与第二镜像管的栅级串接；第一镜像管的漏级与栅级短接，第二镜像管的漏级与栅级短接；第一放大管、第二放大管、第一镜像管、第二镜像管的源级接地，所述第一中和电容跨接在第一放大管的栅级与第二放大管的漏级之间，第二中和电容跨接在第一放大管的漏级与第二放大管的栅级之间。

进一步的是，所述第一放大管的栅级作为正信号输入端，第二放大管的栅级作为负信号输入端，第一镜像管与第二镜像管的漏级作为参考偏置电流输入端，第一放大管的漏级作为负信号输出端，第二放大管的漏级作为正信号输出端。

进一步的是，所述第一放大管与第二放大管尺寸相同，第一镜像管与第二镜像管尺寸相同。

进一步的是，所述的内嵌电流镜放大电路在工艺上将镜像管内嵌于放大管中，内嵌电流镜放大电路结构特征中的晶体管部分对应的晶体管版图包括放大管区域和镜像管区域。

进一步的是，所述的晶体管版图采用多指晶体管结构，其目的在于有效的降低栅级有效电阻；所述的放大管区域多晶硅层通过通孔连通第一层金属并由晶体管两侧引出,构成放大管栅级，镜像管区域为完整晶体管版图中间两根或多根多晶硅向外延伸，构成镜像管栅级，镜像管栅级与漏级通过金属层连接，镜像管区域的晶体管为放大管区域的晶体管提供精准的直流偏置。

进一步的是，所述的全局偏置结构适用于相控阵发射机与相控阵接收机，所述相控阵发射机包括功率分配器、发射机衰减器、发射机移相电路、功率放大电路、发射机基准电流源和发射天线，相控阵接收机包括接收天线、低噪声放大电路、接收机衰减器、接收机移相电路、接收机基准电流源和功率合成器。

进一步的是，所述的发射机基准电流源和接收机基准电流源为各通道功率放大电路和低噪声放大电路提供精准直流偏置。

进一步的是，所述的功率放大电路和低噪声放大电路采用内嵌电流镜放大电路，提高相控阵各通道的一致性。

本发明的有益效果是：本发明的一种多通道相控阵，内嵌电流镜放大电路能够降低了工艺尺寸误差的随机性，实现了晶体管与镜像管尺寸的高精度匹配，并在此技术基础上提出适用于相控阵系统的全局偏置结构，有效的提高了相控阵各通道的一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A是本发明一种适用于多通道相控阵的全局偏置结构和内嵌电流镜放大电路的相控阵发射机系统结构特征示意图；

图1B是本发明一种适用于多通道相控阵的全局偏置结构和内嵌电流镜放大电路的相控阵接收机系统结构特征示意图；

图2是本发明一种适用于多通道相控阵的全局偏置结构和内嵌电流镜放大电路的内嵌电流镜放大电路结构特征示意图；

图3是本发明一种适用于多通道相控阵的全局偏置结构和内嵌电流镜放大电路的内嵌电流镜放大电路工艺特征示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的高性能晶体管版图和放大电路涉及的应用领域包括：多天线收发机系统、相控阵系统等。

实施例1：

本发明提供一种多通道相控阵技术，图1A是相控阵发射机系统结构特征示意图，待发射信号通过功率分配器102输入到多个通道，每个通道包括依次级联的发射机衰减器104、发射机移相电路106、功率放大电路108、发射天线112以及为功率放大电路108提供精准直流偏置的发射机基准电流源110。图1B为相控阵接收机系统结构特征示意图，每个通道包括依次级联的接收天线122、低噪声放大电路124、接收机衰减器126、接收机移相电路128、以及为低噪声放大电路124提供精准直流偏置的接收机基准电流源130，各个通道信号经过功率合成器130得到系统输出信号。实际中可以根据应用场景与系统指标设计合适的通道数量。在现有技术的支持下，发射机基准电流源110和接收机基准电流源130可以为功率放大电路108和低噪声放大电路124提供高精度偏置电流，因此功率放大电路108和低噪声放大电路124中镜像管与放大管的匹配程度很大程度的限制了该系统全局偏置结构的性能。功率放大电路108和低噪声放大电路124设计采用内嵌电流镜放大电路，可以很好的提高镜像管与放大管的尺寸匹配，保证了全局偏置结构的可行性。

图2为内嵌电流镜放大电路结构特征示意图，所述的内嵌电流镜放大电路在结构上采用电容中和的共源差分放大器结构，由晶体管部分218、220、第一中和电容214、第二中和电容216、第一电阻210和第二电阻212构成。所述的晶体管部分218、220由第一放大管202、第二放大管204、第一镜像管206、第二镜像管208构成。第一放大管202与第二放大管204尺寸相同、布局对称且源级接地，第一镜像管206与第二镜像管208尺寸相同、布局对称且源级接地。第一放大管202的栅级通过第一电阻210与第一镜像管206的栅级串接，第二放大管204的栅级通过第二电阻212与第二镜像管208的栅级串接；第一镜像管206的漏级与栅级短接，第二镜像管208的漏级与栅级短接，镜像管的漏级接参考电流源Ibias，为晶体管提供电流偏置，差分交流信号Vin+、Vin-通过晶体管栅级输入电路，第一电阻210与第二电阻212对交流信号呈现高阻抗，防止交流信号泄漏到偏置电路中。第一中和电容214跨接在第一放大管202的栅级与第二放大管204的漏级之间，第二中和电容216跨接在第一放大管202的漏级与第二放大管204的栅级之间。通过控制中和电容的容值，可以中和晶体管栅漏之间本征电容与版图寄生电容，提高晶体管的反向隔离度，提高增益与差模稳定性，实现单向化设计。可以根据设计需求选择合适的电容结构，在该应用中，电容采用多层金属板结构，相比于MOS晶体管电容，电容密度较低，但可以实现更高的品质因数，同时要考虑底层金属板到衬底的耦合，尽可能选择上层金属板。

图3是内嵌电流镜放大电路工艺特征示意图，内嵌电流镜放大电路在工艺上将镜像管内嵌于放大管中。内嵌电流镜放大电路结构特征中的晶体管部分218、220对应的晶体管版图包括放大管区域302和镜像管区域304。在该实例中，晶体管尺寸采用16×1μm，实际中可以根据设计指标与应用场景选择合适尺寸的晶体管。

所述的放大管区域302多晶硅层PO通过通孔连通第一层金属M1并由晶体管两侧引出,构成放大管栅级，镜像管区域304为完整晶体管版图中间两根或多根多晶硅PO向外延伸，构成镜像管栅级，镜像管栅级与漏级D通过金属层连接，镜像管区域304的晶体管为放大管区域302的晶体管提供精准的直流偏置。

晶体管的放大管区域302多晶硅层PO通过通孔连通第一层金属M1并由晶体管两侧引出,构成放大管栅级，多指结构以及更宽的栅级金属有效的减小了栅电极电阻，而考虑到毫米波栅电阻分布效应，栅级从两侧引出可以很好的减小栅级分布电阻。源级S通过金属层从两侧连接到衬底，衬底采用大面积多层金属结构。一方面多层金属可以很好的减小源级S网络的阻抗，减小源级S负反馈，提高晶体管增益，若放大器应用于大信号场景，衬底作为交流信号回路的一部分，大面积且多层金属衬底保证回路承载足够大的交流电流，衬底尺寸与金属层数可以根据设计指标进行调整。此外，源级S从两侧引出的结构也可以增加晶体管源级S可以承载最大电流，提高晶体管饱和输出功率。晶体管的漏级D直接向上层金属引出连接到高层金属，可能会一定程度上提高漏级D与源级S之间的电容，但是源级S金属对栅级金属起到一定的屏蔽作用，从而降低漏级D与栅级之间的寄生电容，在中和电容应用中，可以减小中和电容版图的占用面积，减小大面积金属走线引入的寄生电容，降低版图设计难度。镜像管区域304中间两根或多根多晶硅PO向外延伸并连通到高层金属，构成镜像管栅级，栅级与漏级D通过金属层连接，为每个晶体管单独提供电流偏置，同样镜像管的尺寸也可以根据设计需求进行调整。受工艺的影响，即使在同一芯片内部的相同放大器的实际流片尺寸也会存在一定的偏差，因此采用一个镜像管为多个晶体管提供电流偏置时，由于不同晶体管的宽长比不一致而出现晶体管不匹配现象，导致不同晶体管的工作状态不能实现完全一致。对于相控阵应用中，通道工作状态不一致会导致合成波束功率向其他方向泄漏等问题。而将镜像管内嵌于晶体管中，相较于版图独立的电流镜与放大管，工艺误差的方差极大的减小，每一个晶体管内部的镜像管与放大管可以实现更高精度的匹配，在保证基准电流源较高精度的前提下，很好的稳定每一个通道放大器的工作状态，进而提高相控阵各通道的一致性。除此之外，在晶体管版图两侧插入陪衬栅，也可以提高晶体管每根栅多晶硅的工作状态的一致性。

本发明提出了一种多通道相控阵技术，有益效果为：本发明提出的内嵌电流镜放大电路能够降低了工艺尺寸误差的随机性，实现了晶体管与镜像管尺寸的高精度匹配，并在此技术基础上提出适用于相控阵系统的全局偏置结构，有效的提高了相控阵各通道的一致性。

此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种多通道相控阵，其特征在于：所述多通道相控阵应用全局偏置结构，采用内嵌电流镜放大电路，所述的内嵌电流镜放大电路在结构上采用电容中和的共源差分放大器结构，在工艺上将镜像管内嵌于放大管中，所述的全局偏置结构适用于相控阵发射机与相控阵接收机，相控阵发射机中功率放大电路与相控阵接收机中低噪声放大电路采用内嵌电流镜放大电路；

所述相控阵发射机包括功率分配器(102)、发射机衰减器(104)、发射机移相电路(106)、功率放大电路(108)、发射机基准电流源(110)和发射天线(112)，相控阵接收机包括接收天线(122)、低噪声放大电路(124)、接收机衰减器(126)、接收机移相电路(128)、接收机基准电流源(130)和功率合成器(132)；

所述的发射机基准电流源(110)和接收机基准电流源(130)为各通道功率放大电路(108)和低噪声放大电路(124)提供精准直流偏置。

2.根据权利要求1所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述的内嵌电流镜放大电路在结构上采用电容中和的共源差分放大器结构，由晶体管部分(218、220)、第一中和电容(214)、第二中和电容(216)、第一电阻(210)和第二电阻(212)构成，所述的晶体管部分(218、220)由第一放大管(202)、第二放大管(204)、第一镜像管(206)、第二镜像管(208)构成。

3.根据权利要求2所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述第一放大管(202)的栅级通过第一电阻(210)与第一镜像管(206)的栅级串接，第二放大管(204)的栅级通过第二电阻(212)与第二镜像管(208)的栅级串接；第一镜像管(206)的漏级与栅级短接，第二镜像管(208)的漏级与栅级短接；第一放大管(202)、第二放大管(204)、第一镜像管(206)、第二镜像管(208)的源级接地，所述第一中和电容(214)跨接在第一放大管(202)的栅级与第二放大管(204)的漏级之间，第二中和电容(216)跨接在第一放大管(202)的漏级与第二放大管(204)的栅级之间。

4.根据权利要求2所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述第一放大管(202)的栅级作为正信号输入端(Vin+)，第二放大管(204)的栅级作为负信号输入端(Vin-)，第一镜像管(206)与第二镜像管(208)的漏级作为参考偏置电流输入端(Ibias)，第一放大管(202)的漏级作为负信号输出端(Vout-)，第二放大管(204)的漏级作为正信号输出端(Vout+)。

5.根据权利要求2所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述第一放大管(202)与第二放大管(204)尺寸相同，第一镜像管(206)与第二镜像管(208)尺寸相同。

6.根据权利要求1所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述的内嵌电流镜放大电路在工艺上将镜像管内嵌于放大管中，内嵌电流镜放大电路结构特征中的晶体管部分(218、220)对应的晶体管版图包括放大管区域(302)和镜像管区域(304)。

7.根据权利要求6所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述的晶体管版图采用多指晶体管结构，其目的在于有效的降低栅级有效电阻；所述的放大管区域(302)多晶硅层(PO)通过通孔连通第一层金属(M1)并由晶体管两侧引出,构成放大管栅级，镜像管区域(304)为完整晶体管版图中间多根多晶硅(PO)向外延伸，构成镜像管栅级，镜像管栅级与漏级(D)通过金属层连接，镜像管区域(304)的晶体管为放大管区域(302)的晶体管提供精准的直流偏置。

8.根据权利要求1所述的一种多通道相控阵，其特征在于：所述的功率放大电路(108)和低噪声放大电路(124)采用内嵌电流镜放大电路，提高相控阵各通道的一致性。

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