CN113794447B - 一种有源倍频器、倍频放大电路及mmic芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源倍频器,包括依次连接的输入匹配网络、耦合网络、有源倍频核以及输出匹配网络,其中,所述耦合网络包括功分器网络和耦合器网络;所述输入匹配网络的一端连接信号输入端,另一端连接所述功分器网络的输入端;所述功分器网络的输出端连接所述耦合器网络的输入端,所述耦合器网络的输出端连接所述倍频核。本发明提供的有源倍频器不仅可以简化电路结构,减小电路面积,降低设计难度;还能够实现较宽的带宽,确保了倍频器的输出信号稳定性,同时提升了信号隔离度,进而提升了电路性能。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域,具体涉及一种有源倍频器、倍频放大电路及MMIC芯片。
背景技术
随着无线通信技术中信息容量的不断扩大,传统的频段范围越来越难以满足日益增长的通信要求,而毫米波频段由于具有更宽的频谱范围和更大的信息容量,可以很好地解决目前存在的诸多难题。近年来,MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit,单片微波集成电路)由于具有电路损耗小、噪声低、频带宽等较多优点,已被广泛应用于微波毫米波频段的功能电路中,例如放大器、检波器、调制器、振荡器、MMIC首发前端等。
伴随着微波频段的不断提高,通信系统对振荡器的要求也随之提高。倍频器可以将频率较低的本振信号进行倍频处理从而得到高频的信号,这就大大降低了对振荡器的设计要求。倍频器在雷达系统、电子战以及其他通信系统中都有着大规模的应用,因此研究倍频器对于提升通信系统的整体性能具有重要意义。
目前,倍频器多用在射频前端模块中。在实际工程应用中一般都要求倍频电路有一个较宽的频带和相对较高的效率,因此为了保证倍频电路的性能,经常将非线性电导器件作为实现倍频功能的主要元器件,例如经常会采用二极管等无源器件来设计倍频器。
然而,现有的倍频器电路结构比较复杂,导致芯片面积较大,不利于一体化集成;且现有的倍频器带宽较宽,射频隔离度较低,整体性能有待提升。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种有源倍频器、倍频放大电路及MMIC芯片。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
一种有源倍频器,包括依次连接的输入匹配网络、耦合网络、有源倍频核以及输出匹配网络,其中,
所述耦合网络包括功分器网络和耦合器网络;所述输入匹配网络的一端连接信号输入端,另一端连接所述功分器网络的输入端;所述功分器网络的输出端连接所述耦合器网络的输入端,所述耦合器网络的输出端连接所述倍频核。
在本发明的一个实施例中,所述输入匹配网络包括串联的第一电容和第一微带线,所述第一电容的一端作为整个有源倍频器的输入端接入输入信号,所述第一微带线的一端连接所述功分器网络的输入端。
在本发明的一个实施例中,所述功分器网络包括一个二功率分配器,以将一路输入信号均分为两路输出。
在本发明的一个实施例中,所述耦合器网络包括耦合器1和第二耦合器2,其中,
所述耦合器1的和所述耦合器2的输入端分别连接所述二功率分配器的两个输出端;
所述耦合器1的耦合端和直通端开路,所述耦合器2的耦合端和直通端接地;
所述耦合器11和所述耦合器2的隔离端作为耦合器网络的输出连接所述有源倍频核。
在本发明的一个实施例中,所述有源倍频核包括第一晶体管和第二晶体管,其中,
所述第一晶体管的栅极连接所述耦合器1的耦合端,所述第二晶体管的栅极连接所述耦合器2的隔离端;
所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极均接地;
所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极连接并作为有源倍频核的输出连接所述输出匹配网络。
在本发明的一个实施例中,所述第一晶体管和第二晶体管均由GaN HEMT工艺制备而成。
在本发明的一个实施例中,所述输出匹配网络包括第二微带线、第三微带线、第二电容和第三电容;其中,
所述第二微带线的第一端连接所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极公共端,所述第二微带线的第二端连接所述第三微带线、所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端;
所述第三微带线为开路微带线;
所述第二电容的第二端接地;
所述第三电容的第二端作为整个有源倍频器的输出。
本发明的另一个实施例提供了一种倍频放大电路,包括一个或者多个级联的上述实施例所述的有源倍频器,所述最后一级有源倍频器的输出端连接功率放大器,其中,级联的多个有源倍频器之间设有级间匹配网络。
本发明的另一个实施例还提供了一种用于雷达射频前端模块的有源倍频MMIC芯片,所述芯片内部封装设置有至少一个上述实施例所述的有源倍频器。
本发明的有益效果:
1、本发明提供的有源倍频器通过采用功分器和耦合器相结合的结构实现了两个相位差为180°的射频信号,不仅可以简化电路结构,减小电路面积,降低设计难度;还能够实现较宽的带宽,确保了倍频器的输出信号稳定性,同时提升了信号隔离度,进而提升了电路性能;
2、本发明采用GaN HEMT工艺进行设计可以和雷达前端的其他模块进行片上集成,进一步提高设计的集成度,有利于减小射频前端模块的芯片面积。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种有源倍频器的结构框图;
图2是本发明实施例提供的一种有源倍频器的电路示例图;
图3是本发明实施例提供的四倍频的倍频器电路图;
图4是本发明实施例提供的用倍频器联合单级PA设计的电路图;
图5是本发明实施例提供的单个倍频器电路各级输出信号波形图;
图6是本发明实施例提供的单个倍频器结构中两个输出端口之间的隔离度;
图7是本发明实施例提供的单个倍频器结构中两个输出端口的信号相位信息;
图8是本发明实施例提供的单个倍频器结构中两个输出端口的信号幅度信息;
图9是本发明实施例提供的四次谐波输出功率和二次谐波输出功率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1,图1是本发明实施例提供的一种有源倍频器的结构框图,其包括依次连接的输入匹配网络1、耦合网络2、有源倍频核3以及输出匹配网络4,其中,
所述耦合网络2包括功分器网络21和耦合器网络22;所述输入匹配网络1的一端接入输入信号,另一端连接所述功分器网络21的输入端;所述功分器网络21的输出端连接所述耦合器网络22的输入端,所述耦合器网络22的输出端连接所述倍频核3。
进一步地,请参见图2,图2是本发明实施例提供的一种有源倍频器的电路示例图;其中,
所述输入匹配网络1包括串联的第一电容C1和第一微带线L1,所述第一电容C1的一端作为整个有源倍频器的输入端Term1接入输入信号,所述第一微带线L1的一端连接所述功分器网络21的输入端。
需要说明的是,输入匹配网络1用于将阻抗从50欧姆匹配到需要的阻抗值。
在本实施例中,功分器网络21包括一个二功率分配器,以将一路输入信号均分为两路输出。
进一步地,请继续参见图2,所述耦合器网络22包括耦合器1和第二耦合器2,其中,
所述耦合器1的和所述耦合器2的输入端分别连接所述二功率分配器的两个输出端;
所述耦合器1的耦合端和直通端开路,所述耦合器2的耦合端和直通端接地;
所述耦合器11和所述耦合器2的隔离端作为耦合器网络22的输出连接所述倍频核3。
本实施例通过采用功分器和耦合器相结合的结构实现了两个相位差为180°的射频信号,与传统的巴伦结构相比,简化了电路结构,减小了芯片面积,降低了设计难度,且输出的射频信号幅度和相位之间的误差非常的小,输出信号相位差稳定在180°左右,信号幅度近似相等,确保了倍频器的输出信号稳定性,提升了电路性能。
此外,本实施例采用耦合器的电路结构可以实现较宽的带宽,并且信号的隔离度会因此得到提升。
进一步地,在本实施例中,有源倍频核3也即电路的有源器件包括两个HEMT器件,即第一晶体管M1和第二晶体管M2,其中,
所述第一晶体管M1的栅极连接所述耦合器1的耦合端,所述第二晶体管M2的栅极连接所述耦合器2的隔离端;
所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的源极均接地;
所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的漏极连接并作为有源倍频核3的输出连接所述输出匹配网络4。
需要说明的是,本实施例中的第一晶体管M1和第二晶体管M2均由GaN HEMT工艺制备而成,其可以和雷达前端的其他模块进行片上集成,进一步提高设计的集成度,有利于减小射频前端模块的面积。
所述输出匹配网络4包括第二微带线L2、第三微带线L3、第二电容C2和第三电容C3;其中,
所述第二微带线L2的第一端连接所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的漏极公共端,所述第二微带线L2的第二端连接所述第三微带线L3、所述第二电容C2的第一端、所述第三电容C3的第一端;
所述第三微带线L3为开路微带线;
所述第二电容C2的第二端接地;
所述第三电容C3的第二端作为整个有源倍频器的输出。
本实施例通过输入匹配网络,将阻抗从50欧姆匹配到需要的阻抗值,再通过功分器网络和耦合器网络将阻抗匹配到HEMT器件基波输入阻抗,然后通过HEMT有源器件,实现二倍频输出,并通过输出匹配网络输出至下一级电路。
本实施例提供的单个倍频器电路结构可以实现频率的二倍频。在实际应用中,还可以通过多个倍频器的方式,实现4倍频、8倍频甚至更大的倍频器。例如,请参见图3,图3是本发明实施例提供的四倍频的倍频器电路图,其是由两个单个的倍频器级联而成,前一级倍频器的输出匹配网络和后一级的输入匹配网络联合形成多倍频器的级间匹配网络。由于级联的多个倍频器均为有源倍频,所以能够和各种射频芯片进行片上集成,提高系统的集成度。
在此基础上,本发明的另一个提供了一种倍频放大电路,其包括一个或者多个级联的单个有源倍频器以及与该单个有源倍频器连接的功率放大器,其中,级联的多个有源倍频器之间设有级间匹配网络。
具体地,本实施例以单级PA(power amplifier,功率放大器,简称功放)进行设计。请参见图4,图4是本发明实施例提供的用倍频器联合单级PA设计的电路图,其中,单级PA包括第三晶体管M3、第四微带线L4、第五微带线L5、第六微带线L6、第四电容C4以及第五电容C5;其中,第三晶体管M3的栅极连接上级输出匹配网络的输出端,源极接地,漏极通过第四微带线L4分别连接第五微带线L5、第四电容C4以及第五电容C5的第一端,第五微带线L5位开路微带线,第四电容C4的第二端接地,第五电容C5的第二端连接第六微带线L6的第一端,第六微带线L6的第二端作为整个电路的输出端。
实施例二
下面通过仿真试验,对本发明的有益效果进行分析说明。
本次仿真试验采用X波段的信号源,该频段有成熟的商业方案,输入信号为9GHz-10.5GHz,功率为-8dBm,通过采用上述实施例一提供的倍频器结构设计一个有源四倍频倍频器,输出信号频率为36-42GHz,输出功率为8dBm,再在后面级联一个单级的GaN功放,实现19dBm的输出功率。所有部分均在同一片上设计。其中,单级的GaN功放的频率范围为36-42GHz,器件栅宽为4*50um,输入功率为8dBm时输出为19dBm。
首先,对单个倍频器的输出信号波形进行仿真。请参见图5,图5是本发明实施例提供的单个倍频器电路各级输出信号波形图。由图5可以看出,输入信号经过耦合器之后,得到了两个相位差为180°的同幅射频信号,即3中的波形1和波形2,两个耦合器一个直通端口和耦合端口开路,一个直通端口和耦合端口接地又因为功分器为等功分,所以输出信号幅度一致,该单个的倍频模块可以实现频率的二倍频,其中输出匹配网络匹配的阻抗点就是器件二倍频的阻抗点。
进一步地,对单个倍频器的两个耦合器端口输出隔离度、相位差和幅度差进行仿真。
请参见图6-8,图6是本发明实施例提供的单个倍频器结构中两个输出端口之间的隔离度,图7是本发明实施例提供的单个倍频器结构中两个输出端口的信号相位信息,图8是本发明实施例提供的单个倍频器结构中两个输出端口的信号幅度信息。
从图6中可以看出,Term2端口和Term 3端口隔离度S(2,3)在9-10.5GHz频段内在-20dB以下,所以两个输出端口的隔离度较好,从图7中可以看出两个输出端口的相位差(S(2,1)、S(3,1))在180°左右,从图8中可以看出两个输出端口的损耗非常的小在0.5dB以内。
此外,本次仿真试验还对四次谐波输出功率和二次谐波输出功率进行了对比仿真,结果如图9所示,图9是本发明实施例提供的四次谐波输出功率和三次谐波输出功率。
从上述实例可以看出,采用本发明设计有源倍频器不仅射频隔离度高,而且可以和PA功放集成在同一片上。
实施例三
本实施例提供了一种用于雷达射频前端模块的有源倍频MMIC芯片,该芯片内部封装设置有至少一个如上述实施例一提供的单个有源倍频器。由于上述实施例一提供的单个有源倍频器不仅简化了电路结构,减小了电路面积,还具有较好的电路性能,使得本实施例提供的有源倍频MMIC芯片具有较高的集成度和较好的性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种有源倍频器,其特征在于,包括依次连接的输入匹配网络(1)、耦合网络(2)、有源倍频核(3)以及输出匹配网络(4),其中,
所述耦合网络(2)包括功分器网络(21)和耦合器网络(22);所述输入匹配网络(1)的一端连接信号输入端,另一端连接所述功分器网络(21)的输入端;所述功分器网络(21)的输出端连接所述耦合器网络(22)的输入端,所述耦合器网络(22)的输出端连接所述倍频核(3);
所述功分器网络(21)包括一个二功率分配器,以将一路输入信号均分为两路输出;所述耦合器网络(22)包括耦合器1和第二耦合器2,其中,
所述耦合器1的和所述耦合器2的输入端分别连接所述二功率分配器的两个输出端;
所述耦合器1的耦合端和直通端开路,所述耦合器2的耦合端和直通端接地;
所述耦合器1和所述耦合器2的隔离端作为耦合器网络(22)的输出连接所述有源倍频核(3);
所述有源倍频核(3)包括第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2),其中,
所述第一晶体管(M1)的栅极连接所述耦合器1的隔离端,所述第二晶体管(M2)的栅极连接所述耦合器2的隔离端;
所述第一晶体管(M1)和所述第二晶体管(M2)的源极均接地;
所述第一晶体管(M1)和所述第二晶体管(M2)的漏极连接并作为有源倍频核(3)的输出连接所述输出匹配网络(4);
且所述第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)均由GaN HEMT工艺制备而成。
2.根据权利要求1所述的有源倍频器,其特征在于,所述输入匹配网络(1)包括串联的第一电容(C1)和第一微带线(L1),所述第一电容(C1)的一端作为整个有源倍频器的输入端接入输入信号,所述第一微带线(L1)的一端连接所述功分器网络(21)的输入端。
3.根据权利要求1所述的有源倍频器,其特征在于,所述输出匹配网络(4)包括第二微带线(L2)、第三微带线(L3)、第二电容(C2)和第三电容(C3);其中,
所述第二微带线(L2)的第一端连接所述第一晶体管(M1)和所述第二晶体管(M2)的漏极公共端,所述第二微带线(L2)的第二端连接所述第三微带线(L3)、所述第二电容(C2)的第一端、所述第三电容(C3)的第一端;
所述第三微带线(L3)为开路微带线;
所述第二电容(C2)的第二端接地;
所述第三电容(C3)的第二端作为整个有源倍频器的输出端(Term4)。
4.一种倍频放大电路,其特征在于,包括一个或者多个级联的权利要求1-3任一项所述的有源倍频器,最后一级有源倍频器的输出端连接功率放大器,其中,级联的多个有源倍频器之间设有级间匹配网络。
5.一种用于雷达射频前端模块的有源倍频MMIC芯片,其特征在于,所述芯片内部封装设置有至少一个如权利要求1-3任一项所述的有源倍频器。
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