CN112311340B - 一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器 - Google Patents
一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，包括依次连接的信号输入端、极间匹配变压器、差分放大电路和巴伦；极间匹配变压器实现毫米波可变增益功率放大器的输入信号与差分放大电路的输入信号之间的阻抗匹配；差分放大电路包括一对电路结构一致的放大单元，每个放大单元包括共射共基放大电路、相位补偿电感和开关电容阵列，共射共基放大电路中间串联相位补偿电感，其共基级连接开关电容阵列；巴伦将差分放大电路的差分输出信号转为单端输出。本发明通过在差分放大电路中补充开关电容阵列，实现毫米波可变增益功率放大器在增益变化情况下保持高线性度的目标。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，尤其涉及一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器。
背景技术
为了适应下一代无线移动通信系统对高数据吞吐量要求，第五代移动通信（5G）工作频段向着更高频段拓展。目前，5G低频段在我国已经开始商用。而诸如n257（26.5~29.5GHz）、n258（24.25~27.5GHz）的毫米波频段具有带宽大、频谱干净、干扰小等特点，作为5G的后续扩展频段。在我国5G的毫米波频谱已经批准了24.75~27.5G和37~42.5GHz作为实验频段。
目前5G毫米波商用的混合多波束架构中，要求射频收发前端同时具备增益和相位可变功能。而通常在毫米波频段，有源可变增益放大器难以避免线性度随增益变化而恶化以及相位波动的问题。而无源衰减器带来的损耗又需要链路中增加放大器进行弥补，从而导致链路复杂度提高、尺寸变大以及芯片版图布局的困难。
发明内容
技术目的：针对现有技术中毫米波频段有源可变增益放大器中线性度随增益变化而恶化以及相位波动的问题，本发明公开了一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，通过在差分放大电路中补充开关电容阵列，实现毫米波可变增益功率放大器在增益变化情况下保持高线性度的目标。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，包括依次连接的信号输入端、极间匹配变压器、差分放大电路和巴伦；
信号输入端的输入为所述毫米波可变增益功率放大器的输入信号，用于将该输入信号传输至极间匹配变压器；
极间匹配变压器用于实现所述毫米波可变增益功率放大器的输入信号与差分放大电路的输入信号之间的阻抗匹配，极间匹配变压器的输出信号为差分放大电路的输入信号；
差分放大电路包括一对电路结构一致的放大单元，所述一对放大单元的输入端分别连接极间匹配变压器的输出信号，所述一对放大单元的输出端为巴伦提供差分输出信号；每个放大单元包括共射共基放大电路、相位补偿电感和开关电容阵列；在每个放大单元中，共射共基放大电路的输入端为极间匹配变压器的输出信号的一端，共射共基放大电路的输出端为差分输出信号的一端，共射共基放大电路中间串联相位补偿电感，共射共基放大电路的共基极连接开关电容阵列；
巴伦用于将差分放大电路的差分输出信号转为单端输出，巴伦的单端输出信号为所述毫米波可变增益功率放大器的输出信号。
优选地，所述每个开关电容阵列包括若干组开关电容单元并联构成，所述每组开关电容单元包括三极管、电阻和电容，三极管的栅极通过电阻接电压信号，三极管的集电极接地，三极管的发射极通过电容与共射共基放大电路的共基极连接。
优选地，所述三极管为NPN型三极管，电压信号通过高电平打开NPN型三极管开关，电压信号通过低电平关断NPN型三极管开关。
优选地，所述放大单元包括第五三极管、第六三极管、补偿电感、偏置电阻和开关电容阵列，第五三极管的基极与极间匹配变压器的输出信号的一端连接，第五三极管的发射极接地，第五三极管的集电极与补偿电感的一端连接，补偿电感的另一端与第六三极管的集电极连接，第六三极管的栅极通过偏置电阻接地，第六三极管的基极通过开关电容阵列接地，第六三极管的集电极输出信号为差分输出信号的一端。
优选地，所述第五三极管和第六三极管均为NPN型三极管。
优选地，所述极间匹配变压器包括次级线圈电阻、第一初级线圈和第一次级线圈，第一初级线圈的两端分别与信号输入端连接，第一初级线圈的中心抽头接地；第一次级线圈的两端的输出信号为差分放大电路的输入信号，第一次级线圈的中心抽头通过次级线圈电阻与电源接头连接。
优选地，所述巴伦包括接地电容、第二初级线圈和第二次级线圈，第二初级线圈的两端分别与差分放大电路的差分输出信号连接，第二初级线圈的中心抽头一端与电源接头连接，另一端串接接地电容后接地；第二次级线圈的一端接地，另一端输出单端输出信号，单端输出信号为所述毫米波可变增益功率放大器的输出信号。
优选地，所述毫米波可变增益功率放大器采用硅基半导体集成电路工艺实现。
有益效果：
1、本发明通过在差分放大电路中补充开关电容阵列，实现毫米波可变增益功率放大器在增益变化情况下保持高线性度的目标；
2、本发明中通过在差分放大电路中补充相位补偿电感，优化了毫米波可变增益功率放大器随增益变化带来的相位误差；
3、本发明在链路的功率放大器电路中引入结构简单、尺寸小的开关电容阵列，大大简化了电路设计复杂度，有效降低了版图尺寸。
附图说明
图1为本发明应用在24.25-29.5GHz频段的毫米波可变增益功率放大器电路结构示意图；
其中1为信号输入端，2为差分放大电路，差分放大电路2包括结构相同的两部分，在其中一部分中：a为开关电容阵列，N5为第五三极管，N6为第六三极管，L为补偿电感，R5为偏置电阻；N1为第一NPN管，N2为第二NPN管，N3为第三NPN管，N4为第四NPN管，R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为第三电阻，R4为第四电阻，C1为第一电容，C2为第二电容，C3为第三电容，C4为第四电容，S1为第一电压信号，S2为第二电压信号，S3为第三电压信号，S4为第四电压信号，
在另一部分中：a’ 为开关电容阵列，N5’为第五三极管，N6’为第六三极管，L’为补偿电感，R5’为偏置电阻；
T为极间匹配变压器，T1为第一初级线圈，T2为第一次级线圈，B为巴伦，B1为第二初级线圈，B2为第二次级线圈，R0为次级线圈电阻，C0为接地电容；
图2为本发明实施例中的电路芯片增益性能测试变化数据图；
图3为图2实施例中电路芯片输入/输出1dB压缩点性能测试数据图；
图4为图2实施例中电路芯片相位误差随增益变化波动性能测试数据图；
图5为本发明工作在27GHz时电路相位误差随相位补偿电感L感值变化的性能仿真图。
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开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器做进一步的说明的解释。
实施例
如附图1所示，一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，包括依次连接的信号输入端1、极间匹配变压器T、差分放大电路2和巴伦B；
信号输入端1的输入为毫米波可变增益功率放大器的输入信号，用于将该输入信号传输至极间匹配变压器T；
极间匹配变压器T用于实现毫米波可变增益功率放大器的输入信号与差分放大电路2的输入信号之间的阻抗匹配，极间匹配变压器T的输出信号为差分放大电路2的输入信号；
差分放大电路2包括一对电路结构一致的放大单元，一对放大单元的输入端分别连接极间匹配变压器T的输出信号，差分放大电路的输出端为巴伦B提供差分输出信号；每个放大单元包括共射共基放大电路、相位补偿电感和开关电容阵列；在每个放大单元中，共射共基放大电路的输入端为极间匹配变压器T的输出信号的一端，共射共基放大电路的输出端为差分输出信号的一端，共射共基放大电路中间串联相位补偿电感，共射共基放大电路的共基极连接开关电容阵列；
巴伦B用于将差分放大电路2的差分输出信号转为单端输出，巴伦B的单端输出信号为毫米波可变增益功率放大器的输出信号。
信号输入端1的差分输出端，通过极间匹配变压器T实现与差分放大电路2输入级的阻抗匹配。其中极间匹配变压器T的第一次级线圈T1的中心抽头串联次级线圈电阻R0构成差分放大电路2的偏置电路。差分放大电路2上下对称、电路结构完全一致。放大单元由N5、N6构成。相位补偿电感L串联在共射共基放大电路中间。开关电容阵列组成的增益控制单元连接在共射共基放大电路的共基级。共射共基放大电路的共基极偏置电路通过连接的R5构成。共射共基放大电路的差分输出阻抗经由输出巴伦B转成单端输出，其中巴伦B的第二初级线圈B1的中心抽头通过接地电容C0接地，差分放大电路2的电源由巴伦B的第二初级线圈B1的中心抽头处供给。
通过优化相位补偿电感L就能获得在增益变化情况下的较小相位误差，具体而言，通过优化调整相位补偿电感L的感值大小，如调整相位补偿电感L的尺寸，来获取较小的相位误差。附图5 是本发明的附图5为本发明工作在27GHz时，相位补偿电感L的变化与相位误差的变化图，即电路相位误差随相位补偿电感L感值变化的性能仿真数据图，该图反映了相位误差随补偿电感值变化。相位补偿电感L的优化过程为：调整L值，在对应的L值情况下，通过仿真获取增益幅值。会得到，扫描增益幅度时相位变化最小情况下对应的L值，即为最优L值。本发明具有在增益变化时，功率放大器PA保持高线性度的特点。同时将简单的增益控制结构集成到PA级、有效缩减了链路尺寸，相位误差小，设计结构简单。
每个开关电容阵列包括若干组开关电容单元并联构成，开关电容单元包括三极管、电阻和电容，三极管的栅极通过电阻接电压信号，管的集电极接地，三极管的发射极通过电容与共射共基放大电路的共基极连接。其中，三极管为NPN型三极管，电压信号通过高电平打开NPN型三极管开关，电压信号通过低电平关断NPN型三极管开关。即电压信号的具体功能是使NPN开关实现高电平打开，低电平关断的效果。
在本实施例中，开关电容阵列包括四组开关电容单元并联构成，本发明通过控制由开关电容阵列的开启状态，从而实现对放大器增益的控制。在四组开关电容单元中，第一电压信号S1为第一NPN管的控制端，第二电压信号S2为第二NPN管的控制端，第三电压信号S3为第三NPN管的控制端，第四电压信号S4为第四NPN管的控制端。
开关电容阵列工作过程为：开关电容全打开，即S1-S4全高电平3.3V的状态，此时控制信号对应1111，增益最高。随着开关状态位减小，增益减小。全关，即S1-S4全低电平0V的状态，此时控制信号对应0000，增益最低。本发明中，在24GHz的频点处，增益的变化区间为29.5dB-35.5dB；在27.5GHz的频点处，增益的变化区间为28.5dB-34.5dB；在29.5GHz的频点处，增益的变化区间为33.1dB-35.6dB；在增益的变化区间内，随着开关电容的控制，步进的大小约为0.5 dB，且步进不是等幅步进，最小单步步进为0.1 dB，最大单步步进为1.2dB。
放大单元包括第五三极管N5、第六三极管N6、补偿电感L、偏置电阻R5和开关电容阵列a，第五三极管N5的基极与极间匹配变压器T的输出信号的一端连接，第五三极管N5的发射极接地，第五三极管N5的集电极与补偿电感L的一端连接，补偿电感L的另一端与第六三极管N6的集电极连接，第六三极管N6的基极通过偏置电阻R5接地，第六三极管N6的基极通过开关电容阵列a接地，第六三极管N6的集电极输出信号为差分输出信号的一端。其中第五三极管N5和第六三极管N6均为NPN型三极管。另一个放大单元包括第五三极管N5’、第六三极管N6’、补偿电感L’、偏置电阻R5’和开关电容阵列a’，其电路结构相同。
极间匹配变压器T包括次级线圈电阻R0、第一初级线圈T1和第一次级线圈T2，第一初级线圈T1的两端分别与信号输入端1连接，第一初级线圈T1的中心抽头接地；第一次级线圈T2的两端的输出信号为差分放大电路2的输入信号，第一次级线圈T2的中心抽头通过次级线圈电阻R0与电源接头连接。
巴伦B包括接地电容C0、第二初级线圈B1和第二次级线圈B2，第二初级线圈B1的两端分别与差分放大电路2的差分输出信号连接，第二初级线圈B1的中心抽头一端与电源接头连接，另一端串接接地电容C0后接地；第二次级线圈B2的一端接地，另一端输出单端输出信号，单端输出信号为毫米波可变增益功率放大器的输出信号。
图2是将本发明应用在24.25-29.5GHz频段毫米波可变增益功率放大器的增益性能测试变化数据，图2中的数据为22GHz-32GHz下的增益性能测试变化数据。从该图中可以看出，本发明应用在24.25-29.5GHz频段时，通过调节开关电容阵列实现了增益可控预期。测试数据显示增益变化范围约为6dB与仿真数据一致。
图3是该发明的电路芯片输入/输出1dB压缩点性能测试数据图。该图反映了随着增益变化，功率放大器仍保持高度线性度OP1dB，其输出1dB压缩点波动范围在±0.5dB以内。随着放大器增益减小而输出1dB基本不变，其输入P1dB随之升高。
图4是该发明的电路芯片相位误差随增益变化波动性能测试数据图，该图反映了随着放大器增益变化，相位误差波动在±5°以内进一步优化相位补偿电感可以获得更小的相位波动。
本发明及其所应用在的24.25-29.5GHz频段毫米波可变增益功率放大器均采用硅基半导体集成电路工艺实现。
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)
1.一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于，包括依次连接的信号输入端（1）、极间匹配变压器（T）、差分放大电路（2）和巴伦（B）；
信号输入端（1）的输入为所述毫米波可变增益功率放大器的输入信号，用于将该输入信号传输至极间匹配变压器（T）；
极间匹配变压器（T）用于实现所述毫米波可变增益功率放大器的输入信号与差分放大电路（2）的输入信号之间的阻抗匹配，极间匹配变压器（T）的输出信号为差分放大电路（2）的输入信号；
差分放大电路（2）包括一对电路结构一致的放大单元，所述一对放大单元的输入端分别连接极间匹配变压器（T）的输出信号，所述一对放大单元的输出端为巴伦（B）提供差分输出信号；每个放大单元包括共射共基放大电路、相位补偿电感和开关电容阵列；在每个放大单元中，共射共基放大电路的输入端为极间匹配变压器（T）的输出信号的一端，共射共基放大电路的输出端为差分输出信号的一端，共射共基放大电路中间串联相位补偿电感，共射共基放大电路的共基极连接开关电容阵列；
巴伦（B）用于将差分放大电路（2）的差分输出信号转为单端输出，巴伦（B）的单端输出信号为所述毫米波可变增益功率放大器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述每个开关电容阵列包括若干组开关电容单元并联构成，所述每组开关电容单元包括三极管、电阻和电容，三极管的栅极通过电阻接电压信号，三极管的集电极接地，三极管的发射极通过电容与共射共基放大电路的共基极连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述三极管为NPN型三极管，电压信号通过高电平打开NPN型三极管开关，电压信号通过低电平关断NPN型三极管开关。
4.根据权利要求1所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述放大单元包括第五三极管（N5）、第六三极管（N6）、补偿电感（L）、偏置电阻（R5）和开关电容阵列（a），第五三极管（N5）的基极与极间匹配变压器（T）的输出信号的一端连接，第五三极管（N5）的发射极接地，第五三极管（N5）的集电极与补偿电感（L）的一端连接，补偿电感（L）的另一端与第六三极管（N6）的集电极连接，第六三极管（N6）的基极通过偏置电阻（R5）接地，第六三极管（N6）的基极栅极通过开关电容阵列（a）接地，第六三极管（N6）的集电极输出信号为差分输出信号的一端。
5.根据权利要求4所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述第五三极管（N5）和第六三极管（N6）均为NPN型三极管。
6.根据权利要求1所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述极间匹配变压器（T）包括次级线圈电阻（R0）、第一初级线圈（T1）和第一次级线圈（T2），第一初级线圈（T1）的两端分别与信号输入端（1）连接，第一初级线圈（T1）的中心抽头接地；第一次级线圈（T2）的两端的输出信号为差分放大电路（2）的输入信号，第一次级线圈（T2）的中心抽头通过次级线圈电阻（R0）与电源接头连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述巴伦（B）包括接地电容（C0）、第二初级线圈（B1）和第二次级线圈（B2），第二初级线圈（B1）的两端分别与差分放大电路（2）的差分输出信号连接，第二初级线圈（B1）的中心抽头一端与电源接头连接，另一端串接接地电容（C0）后接地；第二次级线圈（B2）的一端接地，另一端输出单端输出信号，单端输出信号为所述毫米波可变增益功率放大器的输出信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于开关电容阵列调控的毫米波可变增益功率放大器，其特征在于：所述毫米波可变增益功率放大器采用硅基半导体集成电路工艺实现。
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