CN113517525B - 叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构，涉及功率合成技术领域。本发明的叠层变压器式功率合成器类似一种三明治结构，连接输出端的叠层线圈可形成对连接至差分功率放大器的线圈的上下叠层包裹效果，可以有效提高该串联变压器式功率合成器的耦合系数，以实现减小功率合成损耗提高功率合成效率的目的。本发明的串并联混合功率合成结构中，通过叠层变压器式功率合成器和T型并联功率合成器的结合，进一步减小功率合成损耗提高功率合成效率。多组带加载电容的耦合线结构相互并联后可形成T型并联功率合成器，能够在较小的面积内实现并联功率合成和大变换比的负载阻抗变换，可有效降低串联合成结构的阻抗变换压力。

Description

叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构
技术领域
本发明涉及功率合成技术领域，具体涉及一种叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构。
背景技术
功率合成技术和耦合线式慢波阻抗变换结构在射频或毫米波电路领域的应用十分广泛。
现有的变压器式功率合成器中，线圈多是采用单层结构，耦合系数不够高，且线圈的串联寄生电阻通常较大。同时，该类型的功率合成结构的功率合成效率与变压器的耦合系数呈正相关，相对低的耦合系数和相对大的串联寄生电阻都阻碍了功率合成效果的进一步提升。传统的混合功率合成式功放中，末级放大器的尺寸较大，输出阻抗较小，通常需要大阻抗变换比的阻抗变换网络来实现最佳负载匹配，而较大变换比的变压器等网络会带来较大的插损，对功放的输出功率和效率影响较大。而现有的混合功率合成结构中并联合成器的阻抗变换能力有限，无法有效的降低变压器部分的阻抗变换比，致使功放输出功率损失较大。
通过以上描述可知，现有的变压器式功率合成器和混合功率合成结构的功率合成效率较低。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构，解决了现有的变压器式功率合成器和混合功率合成结构的功率合成效率较低的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供一种叠层变压器式功率合成器，包括叠层变压器，其中：
所述叠层变压器包括三层线圈；
第一层线圈和第三层线圈并联，并联处连接输出端；
第二层线圈包括两个对称的第一半圈和第二半圈，两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；所述第一半圈的两端分别连接第一差分功率放大器输出端的正极和第二差分功率放大器输出端的负极；所述第二半圈的两端分别连接第一差分功率放大器输出端的负极和第二差分功率放大器输出端的正极。
优选的，所述第一层线圈和第三层线圈均包括四个相同的绕组，所述第二层线圈中的第一半圈和第二半圈均包括两个相同的绕组，所述绕组之间通过分布式电感连接或直接连接。
优选的，所述第一半圈和第二半圈中的两个绕组的公共端为射频虚地点，用于接入直流电源电压。
优选的，所述分布式电感为单层金属。
优选的，所述叠层变压器为轴对称结构。
优选的，所述线圈采用上下对正的多层金属叠层布局结构，或采用多层金属相互错开的平面布局结构。
第二方面，本发明提供一种叠层变压器式功率合成器，包括叠层变压器，其中：
所述叠层变压器包括2N-1层线圈，所述N为大于2的自然数；
奇数层线圈并联，并联处连接输出端；
偶尔层线圈均包括两个对称的第一半圈和第二半圈，两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；不同偶数层的第一半圈并联，形成连接端a和连接端b，不同偶数层的第二半圈并联，形成连接端a'和连接端b'；两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；所述连接端a和连接端b分别连接第一差分功率放大器输出端的正极和第二差分功率放大器输出端的负极；所述连接端a'和连接端b'分别连接第一差分功率放大器输出端的负极和第二差分功率放大器输出端的正极。
优选的，所述偶数层线圈均包括四个相同的绕组，所述偶数层线圈中的第一半圈和第二半圈均包括两个相同的绕组，所述绕组之间通过分布式电感连接或直接连接。
优选的，所述第一半圈和第二半圈中的两个绕组的公共端为射频虚地点，用于接入直流电源电压。
第三方面，本发明提供一种串并联混合功率合成结构，包括T型并联合成器，以及两个或多个如上述所述的叠层变压器式功率合成器，其中，所述T型并联合成器包括相互并联的两组或多组带加载电容的耦合线；所述耦合线的同相输出端口相互连接，输入端口彼此独立；所述叠层变压器式功率合成器的输出端与所述T型并联合成器的输入端口连接。
(三)有益效果
本发明提供了一种叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构。与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明的叠层变压器式功率合成器类似一种三明治结构，连接输出端的叠层线圈可形成对连接至差分功率放大器的线圈的上下叠层包裹效果，可以有效提高该串联变压器式功率合成器的耦合系数，以实现减小功率合成损耗提高功率合成效率的目的。
2、本发明的串并联混合功率合成结构中，通过叠层变压器式功率合成器和T型并联功率合成器的结合，进一步减小功率合成损耗提高功率合成效率。在T型并联功率合成器中，通过在耦合线中引入额外加载的集总式电容可有效改变耦合线的特征阻抗和相速度，形成一种特征阻抗精准可调的慢波结构，可较为灵活紧凑的实现设计所需的特征阻抗和电长度。该结构中加载的集总电容容值设定较为灵活，其特征阻抗改变范围受工艺设计规则影响较小，可用于完成较大变换比的阻抗变换。多组带加载电容的耦合线结构相互并联后可形成T型并联功率合成器，能够在较小的面积内实现并联功率合成和大变换比的负载阻抗变换，可有效降低串联合成结构的阻抗变换压力。
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1为实施例1中叠层变压器式功率合成器的原理图；
图2为实施例1中第一层线圈和第三层线圈采用上下对正的多层金属叠层布局结构时，叠层变压器式功率合成器的三维模型图；
图3为实施例2中，当N＝3时，叠层变压器式功率合成器的原理图；
图4为实施例3中，当叠层变压器式功率合成器为实施例1中的合成器，T型并联合成器包括相互并联的两组耦合线时，串并联混合功率合成结构的原理图；
图5为实施例3中，当叠层变压器式功率合成器为实施例1中的合成器，T型并联合成器包括相互并联的两组耦合线时，串并联混合功率合成结构的三维模型图；
图6为实施例3中，当叠层变压器式功率合成器为实施例2中的合成器，且N＝3，T型并联合成器包括相互并联的两组耦合线时，串并联混合功率合成结构的原理图。
其中：11-地平面(地环)，12-连接至功放的第一半圈，13-接至功放的第二半圈，14-连接至输出端(或后级并联合成器)的第一层线圈，15-连接至输出端(或后级并联合成器)的第三层线圈，16-第一半圈上射频虚地点，可接至电源；17-第二半圈上射频虚地点，可接至电源，21-地平面，22-射频输出端口焊盘，23-地焊盘，24-带加载电容的耦合线结构，25-叠层变压器式串联功率合成器；此外，输入端1、输入端2、输入端3和输入端4接末级差分功放的输出端口，其极性如图所示(P和N分别表示正和负极性)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例通过提供一种叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构，解决了现有的变压器式功率合成器和混合功率合成结构的功率合成效率较低的技术问题，实现提高功率合成效率。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
功率合成技术和耦合线式慢波阻抗变换结构在射频或毫米波电路领域的应用十分广泛，传统的混合功率合成式功放中，末级放大器的尺寸较大，输出阻抗较小，通常需要大阻抗变换比的阻抗变换网络来实现最佳负载匹配，而较大变换比的变压器等网络会带来较大的插损，对功放的输出功率和效率影响较大。而传统的混合功率合成结构中并联合成器的阻抗变换能力有限，无法有效的降低变压器部分的阻抗变换比，致使功放输出功率损失较大。传统的变压器式串联功率合成器中，线圈多是采用单层结构，耦合系数不够高，且线圈的串联寄生电阻通常较大。同时，该类型的功率合成结构的功率合成效率与变压器的耦合系数呈正相关，相对低的耦合系数和相对大的串联寄生电阻都阻碍了功率合成效果的进一步提升。为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种叠层变压器式功率合成器及串并联混合功率合成结构。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
本发明实施例提供一种叠层变压器式功率合成器，该合成器包括叠层变压器，该变压器三层线圈，第一层线圈和所述第三层线圈包括四个相同的绕组，第一层线圈和第三层线圈并联，并联处连接输出端；第二层线圈包括两个对称的第一半圈和第二半圈，每个半圈均包括两个相同的绕组，绕组之间可通过分布式电感连接或直接连接(通过绕组两端拉长了直接连接在一起)，两个对称的半圈分别与第一层线圈和第三层线圈形成耦合；所述第一半圈的两端分别连接第一差分功率放大器输出端的正极和第二差分功率放大器输出端的负极；所述第二半圈的两端分别连接第一差分功率放大器输出端的负极和第二差分功率放大器输出端的正极。第一半圈和第二半圈中的两个绕组的公共端为射频虚地点，可用于接入直流电源电压。
本发明实施例的叠层变压器式功率合成器的原理图如图1所示。第一层线圈和所述第三层线圈包括四个相同的绕组，第一层线圈和第三层线圈并联，并联处连接输出端。第二层线圈包括两个对称的第一半圈和第二半圈，每个半圈均包括两个相同的绕组，绕组之间可通过分布式电感连接或直接连接(通过绕组两端拉长了直接连接在一起)。第一层线圈和第三层线圈采用上下对正的多层金属叠层布局结构，或采用多层金属相互错开的平面布局结构。当采用上下对正的多层金属叠层布局结构，该合成器的三维模型图如图2所示。在图2中，11-地平面(地环)，12-连接至功放的第一半圈，13-接至功放的第二半圈，14-连接至输出端(或后级并联合成器)的第一层线圈，15-连接至输出端(或后级并联合成器)的第三层线圈，16-第一半圈上射频虚地点，可接至电源；17-第二半圈上射频虚地点，可接至电源；输入端1和输入端2接末级差分功放的输出端口。
本发明实施例的叠层变压器式功率合成器类似一种三明治结构，连接输出端的叠层线圈可形成对连接至差分功率放大器的线圈的上下叠层包裹效果，可以有效提高该变压器式功率合成器的耦合系数，以实现减小功率合成损耗提高功率合成效率的目的。
实施例2:
本发明实施例提供一种叠层变压器式功率合成器，包括叠层变压器，其中：所述叠层变压器包括2N-1层线圈，所述N为大于2的自然数；奇数层线圈并联，并联处连接输出端；偶尔层线圈均包括两个对称的第一半圈和第二半圈，两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；不同偶数层的第一半圈并联，形成连接端a和连接端b，不同偶数层的第二半圈并联，形成连接端a'和连接端b'；两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；所述连接端a和连接端b分别连接第一差分功率放大器输出端的正极和第二差分功率放大器输出端的负极；所述连接端a'和连接端b'分别连接第一差分功率放大器输出端的负极和第二差分功率放大器输出端的正极。该实施例中的叠层变压器式功率合成器的结构和实施例1的合成器的结构类似，具体细节参见实施例1，此处不再赘述。
当N＝3时，本发明实施例的叠层变压器式功率合成器的原理图如图3所示。第一层、第三层和第五层线圈并联，并联处连接输出端；第二层和第四层线圈均包括两个对称的第一半圈和第二半圈，两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；第二层和第四层的第一半圈并联，形成连接端a和连接端b，第二层和第四层的第二半圈并联，形成连接端a'和连接端b'。
实施例3：
本发明实施例提供一种串并联混合功率合成结构，包括T型并联合成器，以及两个或多个实施例1或实施例2中的叠层变压器式功率合成器，其中，所述T型并联合成器包括相互并联的两组或多组带加载电容的耦合线；所述耦合线的同相输出端口相互连接，输入端口彼此独立；所述叠层变压器式功率合成器的输出端与所述T型并联合成器的输入端口连接。
当叠层变压器式功率合成器为实施例1中的合成器，T型并联合成器包括相互并联的两组耦合线时，串并联混合功率合成结构的原理图如图4所示，三维模型图如图5所示，在图5中，21-地平面，22-射频输出端口焊盘，23-地焊盘，24-带加载电容的耦合线结构，25-叠层变压器式串联功率合成器；此外，输入端1、输入端2、输入端3和输入端4接末级差分功放的输出端口，其极性如图所示(P和N分别表示正和负极性)。
当叠层变压器式功率合成器为实施例2中的合成器，且N＝3，T型并联合成器包括相互并联的两组耦合线时，串并联混合功率合成结构的原理图如图6所示。
综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
1、本发明实施例的叠层变压器式功率合成器类似一种三明治结构，连接输出端的叠层线圈可形成对连接至差分功率放大器的线圈的上下叠层包裹效果，可以有效提高该变压器式功率合成器的耦合系数，以实现减小功率合成损耗提高功率合成效率的目的。
2、本发明实施例的串并联混合功率合成结构中，通过在耦合线中引入额外加载的集总式电容可有效改变耦合线的特征阻抗和相速度，形成一种特征阻抗精准可调的慢波结构，可较为灵活紧凑的实现设计所需的特征阻抗和电长度。该结构中加载的集总电容容值设定较为灵活，其特征阻抗改变范围受工艺设计规则影响较小，可用于完成较大变换比的阻抗变换。多组带加载电容的耦合线结构相互并联后可形成T型并联功率合成器，能够在较小的面积内实现并联功率合成和大变换比的负载阻抗变换，可有效降低串联合成结构的阻抗变换压力。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种叠层变压器式功率合成器，其特征在于，包括叠层变压器，其中：
所述叠层变压器包括三层线圈；
第一层线圈和第三层线圈并联，并联处连接输出端；
第二层线圈包括两个对称的第一半圈和第二半圈，两个对称的半圈分别与相邻的第一层线圈、第三层线圈形成耦合；所述第一半圈的两端分别连接第一差分功率放大器输出端的正极和第二差分功率放大器输出端的负极；所述第二半圈的两端分别连接第一差分功率放大器输出端的负极和第二差分功率放大器输出端的正极；
其中，所述第一半圈和第二半圈中的两个绕组的公共端为射频虚地点，用于接入直流电源电压。
2.如权利要求1所述的叠层变压器式功率合成器，其特征在于，所述第一层线圈和第三层线圈均包括四个相同的绕组，所述第二层线圈中的第一半圈和第二半圈均包括两个相同的绕组，所述绕组之间通过分布式电感连接或直接连接。
3.如权利要求2所述的叠层变压器式功率合成器，其特征在于，所述分布式电感为单层金属。
4.如权利要求1～3任一所述的叠层变压器式功率合成器，其特征在于，所述叠层变压器为轴对称结构。
5.如权利要求1～3任一所述的叠层变压器式功率合成器，其特征在于，三层线圈采用上下正对的多层金属叠层布局结构，或采用多层金属相互错开的平面布局结构。
6.一种叠层变压器式功率合成器，其特征在于，包括叠层变压器，其中：
所述叠层变压器包括2N-1层线圈，所述N为大于2的自然数；
奇数层线圈并联，并联处连接输出端；
偶数层线圈均包括两个对称的第一半圈和第二半圈，两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；不同偶数层的第一半圈并联，形成连接端a和连接端b，不同偶数层的第二半圈并联，形成连接端a'和连接端b'；两个对称的半圈分别与相邻的两层奇数层线圈形成耦合；所述连接端a和连接端b分别连接第一差分功率放大器输出端的正极和第二差分功率放大器输出端的负极；所述连接端a'和连接端b'分别连接第一差分功率放大器输出端的负极和第二差分功率放大器输出端的正极；
其中，所述第一半圈和第二半圈中的两个绕组的公共端为射频虚地点，用于接入直流电源电压。
7.如权利要求6所述的叠层变压器式功率合成器，其特征在于，所述偶数层线圈均包括四个相同的绕组，所述偶数层线圈中的第一半圈和第二半圈均包括两个相同的绕组，所述绕组之间通过分布式电感连接或直接连接。
8.一种串并联混合功率合成结构，其特征在于，包括T型并联合成器，以及两个或多个如权利要求1～7任一所述的叠层变压器式功率合成器，其中，所述T型并联合成器包括相互并联的两组或多组带加载电容的耦合线；所述耦合线的同相输出端口相互连接，输入端口彼此独立；所述叠层变压器式功率合成器的输出端与所述T型并联合成器的输入端口连接。
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