CN113258242A - 一种基于变压器的八路正交功率合成器 - Google Patents

一种基于变压器的八路正交功率合成器 Download PDF

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    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port

Abstract

本发明公开了一种基于变压器的八路正交功率合成器，包括一个正交耦合器，所述正交耦合器上下对称连接有两个结构相同的平衡功率合成器；所述平衡功率合成器包括次级线圈、匝数相同的第一初级线圈和第二初级线圈，所述次级线圈以对称互绕形式嵌套设于所述第一初级线圈和第二初级线圈中，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈的断点处两端聚拢并分别布置于远离所述正交耦合器方向的左右两对角处，本发明提供一种基于变压器的八路正交功率合成器，包括三个变压器结构：两个相同的基于变压器的平衡功率合成器和一个基于变压器的正交耦合器，用于高线性、高功率合成的高频功率放大器。

Description

一种基于变压器的八路正交功率合成器
技术领域
本发明涉及集成电路高频无源器件领域，特别涉及一种基于变压器的八路正交功率合成器。
背景技术
随着无线电技术的发展，新一代通信技术要求在更高的频率上实现更远的通信距离，由于毫米波频率上的路径损耗高，需要发射机具有更高的等效全向辐射功率（EIRP），发射机中的功率放大器（PA）必须能够处理更高的峰值功率。
另一方面，标准CMOS工艺因其成本低、易与其他 RF和数字电路集成的优点，而成为许多研究人员首选的PA设计工艺。随着CMOS技术进入到深亚微米级别，尽管晶体管的fT/fmax逐渐得到显著提高，但是击穿电压和电源电压变得较低，因此限制了PA的最大输出功率。
为了实现更高的功率输出，往往需采用功率合成技术。功率合成技术包括空间功率合成和片上功率合成。空间功率合成需要对相位进行精确补偿，且需要多个天线；片上功率合成占用面积小，更适合单芯片全集成方案。基于变压器的功率合成技术是常见的片上功率合成技术之一，它可以通过改变初次级线圈的匝数比和耦合系数来灵活调控阻抗变换比，在完成阻抗变换的同时实现功率合成，与其它类型的功率合成器（如威尔金森功率合成器）相比，布局更紧凑，损耗更低。
功率放大器设计架构不同，所需要的功率合成器也不同，目前国际上已发表的变压器功率合成器中，大部分都是采用变压器将多路输出功率进行同相叠加，如2020年YunYin等人于JSSC上发表的一种用于增强回退功率的开关功率合成变压器，2020年HyunjinAhn等人在RFIC会议上发表的一种8路并联功率合成器，具有低损耗和对称的相位/幅度。但是，随着高频发射机（TX）和PA的架构研究不断进步，移相技术和Doherty PA被提出，以达到更高线性度和功率回退效率等，这些架构需要对信号移相再放大，最后将多路不等相的输出信号合成。采用多路正交信号的PA架构就是其中一种，该架构可以用来实现高线性、高功率的毫米波放大器，同时对正交信号功率合成器提出了需求。2019年Fei Wang等人提出一种数模混合信号Doherty PA架构，在功率合成结构中，将两对差分正交信号转换成两路单端信号，再对其中一路信号使用集总元件电容移相90°后合成，但集总元件在高频尤其是毫米波频段会带来严重的寄生效应。还有一种采用四分之一波长传输线进行相位补偿的功率合成结构，尽管设计简单，但结构不紧凑，增加了损耗，限制了PA的带宽。因此，在高频高线性、高功率放大器中，尤其是当需要合成的差分正交信号大于或等于四路时，设计更紧凑、可缩放的正交功率合成结构对于减少损耗、缩小PA面积、提高集成度具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于变压器的八路正交功率合成器，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种基于变压器的八路正交功率合成器，包括一个正交耦合器，所述正交耦合器上下对称连接有两个结构相同的平衡功率合成器；
所述平衡功率合成器包括次级线圈、匝数相同的第一初级线圈和第二初级线圈，所述次级线圈以对称互绕形式嵌套设于所述第一初级线圈和第二初级线圈中，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈的断点处两端聚拢并分别布置于远离所述正交耦合器方向的左右两对角处，所述次级线圈的断点处两端聚拢并布置于靠近所述正交耦合器方向中间，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈上分别设有与其走向垂直的第一支节和第二支节，所述第一支节和所述第二支节分别布置于靠近所述正交耦合器方向的左右两对角处；
所述正交耦合器包括相互嵌套、相互耦合的第一变压器线圈和第二变压器线圈，以及参考地线和匹配电阻R，所述第一变压器线圈一端和所述第二变压器线圈一端分别与上下侧所述平衡功率合成器上的次级线圈一端连接，所述第一变压器线圈另一端为最终信号正端，所述第二变压器线圈另一端为连接端，所述平衡功率合成器上的次级线圈另一端通过参考地线连接，所述参考地线上设有短支节，所述连接端与所述匹配电阻R连接，所述匹配电阻R另一端接地。
作为优选，所述平衡功率合成器和正交耦合器的变压器均由八边形螺旋线圈构成。
作为优选，所述第一初级线圈和第二初级线圈断点处的两端分别聚拢组成一对差分信号输入端口，与前级差分放大器输出信号相连接，一端接正向射频信号Vin+，另一端接反向射频信号Vin-，所述次级线圈一端为信号正端，另一端为信号接地端，将两对差分信号合成并以单端信号的形式输出。
作为优选，所述短支节，作为最终输出信号Vout的参考地端，也作为所述匹配电阻R的参考地端。
作为优选，所述基于变压器的八路正交功率合成器包括顶层金属和次顶层金属两层金属，除同层走线或线圈出现交叉处采用次顶层金属和两个过孔进行桥接，其余结构均由顶层金属实现。
作为优选，所述基于变压器的八路正交功率合成器输出为单端信号Vout，八路输入信号为来自四个差分功率放大器PA1、PA2、PA3、PA4的四对差分信号，幅度相等，具有特定的相位分布：来自PA1的差分输入信号与来自PA3的差分输入信号正交，来自PA3的差分输入信号与来自PA2的差分输入信号正交，来自PA2的差分输入信号与来自PA4的差分输入信号正交，以Vin1-的相位为参考相位，依次顺时针看，八路输入信号的相位分布相对值为：Vin1-为0°， Vin1+为180°，Vin2+为-180°，Vin2-为0°，Vin4-为90°，Vin4+为-90°，Vin3+为270°，Vin3-为90°。
作为优选，所述平衡功率合成器1，为一种输出电压功率合成网络，将两对差分信号合成一路单端信号，对于输出电压功率合成网络，若假定变压器为理想变压器，则差分输入端的输入阻抗为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
是功率合成器的输入阻抗，与功率放大器末级最佳阻抗值共轭匹配；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是功率合成器的负载阻抗；N是功率合成器合成的路数，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；n是变压器功率合成器中次级线圈与初级线圈的匝数比，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。对于功率放大器末级晶体管而言，其栅宽较大，因此其输出阻抗通常较低，通过合理地选择N和n的值，变压器功率合成器可以在功率合成的同时，将负载阻抗变换到一个更低的阻抗值，与
Figure DEST_PATH_IMAGE012
相匹配。
作为优选，所述第一支节和第二支节作为直流馈电点，为初级线圈连接的功率放大器提供直流电流。
本发明的有益效果：本发明提供一种基于变压器的八路正交功率合成器，包括三个变压器结构：两个相同的基于变压器的平衡功率合成器和一个基于变压器的正交耦合器，用于高线性、高功率合成的高频功率放大器。本发明基于变压器结构，实现正交信号的合成、平衡到非平衡的转换以及阻抗变换。与传统的正交信号功率合成器相比，本发明在设计正交功率合成器过程中就把相位补偿考虑在内，四个差分相位相对值分别为0°、90°、180°和270°的差分放大器的八路输出信号可直接接入功率合成器的输入端，而不需要额外的相位延迟线或电容等集总元件，从而保持了整体结构的对称性，降低了插入损耗，有效减小了占用面积。本发明提供的功率合成器可根据工作频率缩放，工作带宽宽，具有良好的幅度平衡度和相位平衡度。同时，本发明利用变压器的中心抽头作为直流供电端口，并与射频端口呈90°垂直分布，既提供了有效便捷的直流供电点，又减少了直流与交流的相互干扰。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的版图；
图2是本发明实施例平衡功率合成器的版图；
图3是本发明实施例正交耦合器的版图；
图4是本发明实施例平衡功率合成器的结构示意图；
图5是本发明实施例平衡功率合成器的S参数仿真结果；
图6是本发明实施例正交耦合器的结构示意图；
图7是本发明实施例正交耦合器的S参数仿真结果；
图8是本发明实施例的结构示意图；
图9是本发明实施例基于变压器的八路正交功率合成器的S参数仿真结果；
图中：1-平衡功率合成器、2-正交耦合器、4-第一初级线圈、5-第二初级线圈、6-次级线圈、7-第二支节、8-第一支节、9-第一变压器线圈、10-第二变压器线圈、11-参考地线、12-最终信号正端、13-连接端、14-短支节。
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明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1-9，本发明实施例提供了一种基于变压器的八路正交功率合成器，包括一个正交耦合器2，所述正交耦合器2上下对称连接有两个结构相同的平衡功率合成器1；
所述平衡功率合成器1包括次级线圈6、匝数相同的第一初级线圈4和第二初级线圈5，所述次级线圈6 以对称互绕形式嵌套设于所述第一初级线圈4和第二初级线圈5中，所述第一初级线圈4和所述第二初级线圈5的断点处两端聚拢并分别布置于远离所述正交耦合器2方向的左右两对角处，所述次级线圈6的断点处两端聚拢并布置于靠近所述正交耦合器2方向中间，所述第一初级线圈4和所述第二初级线圈5上分别设有与其走向垂直的第一支节8和第二支节7，所述第一支节8和所述第二支节7分别布置于靠近所述正交耦合器2方向的左右两对角处；
所述正交耦合器包括相互嵌套、相互耦合的第一变压器线圈9和第二变压器线圈10，以及参考地线11和匹配电阻R，所述第一变压器线圈9一端和所述第二变压器线圈10一端分别与上下侧所述平衡功率合成器1上的次级线圈6一端连接，所述第一变压器线圈9另一端为最终信号正端12，所述第二变压器线圈10另一端为连接端13，所述平衡功率合成器1上的次级线圈6另一端通过参考地线11连接，所述参考地线11上设有短支节14，所述连接端13与所述匹配电阻R连接，所述匹配电阻R另一端接地。
所述平衡功率合成器1和正交耦合器2的变压器均由八边形螺旋线圈构成。
所述第一初级线圈4和第二初级线圈5断点处的两端聚拢组成一对差分信号输入端口，与前级差分放大器输出信号相连接，一端接正向射频信号Vin+，另一端接反向射频信号Vin-，所述次级线圈6一端为信号正端，另一端为信号接地端，将两对差分信号合成并以单端信号的形式输出。
所述短支节14，作为最终输出信号Vout的参考地端，也作为所述匹配电阻R的参考地端。
所述基于变压器的八路正交功率合成器包括顶层金属和次顶层金属两层金属，除同层走线或线圈出现交叉处采用次顶层金属和两个过孔进行桥接，其余结构均由顶层金属实现。
所述基于变压器的八路正交功率合成器输出为单端信号Vout，八路输入信号为来自四个差分功率放大器PA1、PA2、PA3、PA4的四对差分信号，幅度相等，具有特定的相位分布：来自PA1的差分输入信号与来自PA3的差分输入信号正交，来自PA3的差分输入信号与来自PA2的差分输入信号正交，来自PA2的差分输入信号与来自PA4的差分输入信号正交，以Vin1-的相位为参考相位，依次顺时针看，八路输入信号的相位分布相对值为：Vin1-为0°，Vin1+为180°，Vin2+为-180°，Vin2-为0°，Vin4-为90°，Vin4+为-90°，Vin3+为270°，Vin3-为90°。
所述平衡功率合成器1，为一种输出电压功率合成网络，将两对差分信号合成一路单端信号，对于输出电压功率合成网络，若假定变压器为理想变压器，则差分输入端的输入阻抗为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
是功率合成器的输入阻抗，与功率放大器末级最佳阻抗值共轭匹配；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是功率合成器的负载阻抗；N是功率合成器合成的路数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；n是变压器功率合成器中次级线圈与初级线圈的匝数比，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。对于功率放大器末级晶体管而言，其栅宽较大，因此其输出阻抗通常较低，通过合理地选择N和n的值，变压器功率合成器可以在功率合成的同时，将负载阻抗变换到一个更低的阻抗值，与
Figure DEST_PATH_IMAGE024
相匹配。
所述第一支节8和第二支节7作为直流馈电点，为初级线圈连接的功率放大器提供直流电流。
所述连接端13接入的匹配电阻R是用于吸收到达该端口的由于设计和制造等误差造成的少量能量，尽可能减少能量被反射回主传输路径，从而避免对耦合器的性能造成影响。
下面先分别对基于变压器的平衡功率合成器和正交耦合器进行具体的案例实施，然后阐述基于变压器的八路正交功率合成器的具体实施方法。
所实施例均基于半导体工艺，衬底材料为硅衬底；顶层金属和次顶层金属材质均为铜，电导率为5.8E7 seimens/m；顶层金属厚度为3.4um，次顶层金属厚度为0.85um；填充层介质为二氧化硅，相对介电常数为4.1，顶层金属与次顶层金属之间的填充层厚度为3.99um。所实施例中，中心工作频点均为94GHz。
平衡功率合成器实现电压合成，将两对相位相差180°的差分信号合成单端信号，初级线圈共为2×1匝，次级线圈为2匝，初级线圈与次级线圈的宽度相等，相邻线圈之间的间距相同。两对差分输入端口呈90°垂直分布，每个差分输入端的对角方向设置中心抽头，以提供便捷的直流供电点，并减少射频信号与直流信号相互干扰。该实施例中差分输入阻抗为35欧姆，单端输出阻抗为110欧姆，阻抗变换比约为1：3.14。图5给出平衡功率合成器的S参数仿真结果，在中心频点附近94.38GHz处，插入损耗约为0.57dB，幅度不平衡度约为0.03dB，相位相差179.96°，相位不平衡度约为0.03°。
正交耦合器将两路相位相差90°的单端信号合为一路单端信号Vout输出，两个单端输入端阻抗为100欧姆，单端输出端阻抗为50欧姆，隔离端接50欧姆匹配电阻。通过合理调整变压器初次级线圈的长度以及它们之间的耦合强度，可以在特定的工作频点处，同时实现阻抗变换、幅度平衡和相位正交。图7给出了正交耦合器的S参数仿真结果，在中心频点附近94.38GHz处，插入损耗约为0.89dB，幅度不平衡度约为0.082dB，相位相差约为88.88°，相位不平衡度为1.12°。
本发明由两个平衡功率合成器和一个正交耦合器构成，两个平衡功率合成器的输出端口分别与正交耦合器的输入端口相接。平衡功率合成器和正交耦合器的变压器均由八边形螺旋线圈构成，线圈在顶层厚金属上实现窄边耦合，线圈交叉处通过次顶层金属和两个过孔来桥接。功率合成器下方可铺设浮栅屏蔽层，减少衬底损耗。本实施例中，八路正交功率合成器的四个差分输入阻抗均为50欧姆，隔离端接50欧姆匹配电阻，功率合成输出端接50欧姆负载阻抗。
由图9可以看到，在93.75GHz处，功率合成的插入损耗约为1.2dB，四个差分端口的幅度平衡度约为0.1dB，其中，差分端口信号Vin1与Vin2的相位差为180.431°，相位不平衡度为0.431°；正交端口信号Vin1与Vin3的相位差为-88.596°，相位不平衡度为1.404°；差分端口信号Vin3与Vin4的相位差为-179.483°，相位不平衡度为0.517°；正交端口信号Vin4与Vin2的相位差为89.543°，相位不平衡度为0.457°。本实施例中，基于变压器的八路正交功率合成器同时实现了正交信号的合成、平衡到非平衡的转换以及阻抗变换，尺寸仅为0.02mm^2，可随频率高低进行缩放。八个输入端口的分布均匀对称，避免了使用占用面积过大的四分之一波长传输线和寄生效应严重的电容集总元件，有效减小了面积，提高了片上功率合成器的集成度，具有良好的功率传输效率。同时，变压器的中心抽头与射频端口呈90°垂直分布，既提供了有效便捷的直流供电点，又减少了直流与交流的相互干扰。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：包括一个正交耦合器(2)，所述正交耦合器(2)上下对称连接有两个结构相同的平衡功率合成器(1)；
所述平衡功率合成器(1)包括次级线圈(6)、匝数相同的第一初级线圈(4)和第二初级线圈(5)，所述次级线圈(6) 以对称互绕形式嵌套设于所述第一初级线圈(4)和第二初级线圈(5)中，所述第一初级线圈(4)和所述第二初级线圈(5)的断点处两端聚拢并分别布置于远离所述正交耦合器(2)方向的左右两对角处，所述次级线圈(6)的断点处两端聚拢并布置于靠近所述正交耦合器(2)方向中间，所述第一初级线圈(4)和所述第二初级线圈(5)上分别设有与其走向垂直的第一支节(8)和第二支节(7)，所述第一支节(8)和所述第二支节(7)分别布置于靠近所述正交耦合器(2)方向的左右两对角处；
所述正交耦合器包括相互嵌套、相互耦合的第一变压器线圈(9)和第二变压器线圈(10)，以及参考地线(11)和匹配电阻R，所述第一变压器线圈(9)一端和所述第二变压器线圈(10)一端分别与上下侧所述平衡功率合成器(1)上的次级线圈(6)一端连接，所述第一变压器线圈(9)另一端为最终信号正端(12)，所述第二变压器线圈(10)另一端为连接端(13)，所述平衡功率合成器(1)上的次级线圈(6)另一端通过参考地线(11)连接，所述参考地线(11)上设有短支节(14)，所述连接端(13)与所述匹配电阻R连接，所述匹配电阻R另一端接地。
2.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述平衡功率合成器(1)和正交耦合器(2)的变压器均由八边形螺旋线圈构成。
3.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述第一初级线圈(4)和第二初级线圈(5)断点处的两端分别聚拢组成一对差分信号输入端口，与前级差分放大器输出信号相连接，一端接正向射频信号Vin+，另一端接反向射频信号Vin-，所述次级线圈(6)一端为信号正端，另一端为信号接地端，将两对差分信号合成并以单端信号的形式输出。
4.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述短支节(14)，作为最终输出信号Vout的参考地端，也作为所述匹配电阻R的参考地端。
5.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述基于变压器的八路正交功率合成器包括顶层金属和次顶层金属两层金属，除同层走线或线圈出现交叉处采用次顶层金属和两个过孔进行桥接，其余结构均由顶层金属实现。
6.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述基于变压器的八路正交功率合成器输出为单端信号Vout，八路输入信号为来自四个差分功率放大器PA1、PA2、PA3、PA4的四对差分信号，幅度相等，具有特定的相位分布：来自PA1的差分输入信号与来自PA3的差分输入信号正交，来自PA3的差分输入信号与来自PA2的差分输入信号正交，来自PA2的差分输入信号与来自PA4的差分输入信号正交，以Vin1-的相位为参考相位，依次顺时针看，八路输入信号的相位分布相对值为：Vin1-为0°， Vin1+为180°，Vin2+为-180°，Vin2-为0°，Vin4-为90°，Vin4+为-90°，Vin3+为270°，Vin3-为90°。
7.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述平衡功率合成器(1)，为一种输出电压功率合成网络，将两路差分信号合成一路单端信号，对于输出电压功率合成网络，若假定变压器为理想变压器，则差分输入端的输入阻抗为
Figure 891430DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
是功率合成器的输入阻抗，与功率放大器末级最佳阻抗值共轭匹配；
Figure 264030DEST_PATH_IMAGE003
是功率合成器的负载阻抗；N是功率合成器合成的路数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；n是变压器功率合成器中次级线圈与初级线圈的匝数比，
Figure 433980DEST_PATH_IMAGE005
。
8.如权利要求1所述的一种基于变压器的八路正交功率合成器，其特征在于：所述第一支节(8)和第二支节(7)作为直流馈电点，为初级线圈连接的功率放大器提供直流电流。
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