CN117639725A - 一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦及其设计方法，包括开关电路、无源巴伦回路和有源巴伦回路。开关电路包括至少一个单刀双掷开关和串并联开关，单刀双掷开关设置于有源巴伦回路和无源巴伦回路的两端；无源巴伦回路，包括无源巴伦，其将输入端的单端信号转换为高频的差分信号，通过输出端输出；有源巴伦回路，包括有源巴伦，其包括共源放大电路和共栅放大电路，设置于无源巴伦回路的外围且二者输出端的相位相反；其将输入端获得的单端信号转换为低频差分信号；本发明结合了有源巴伦和无源巴伦的优势，实现了小型化超宽巴伦，解决了巴伦小型化需求下难以实现工作起始频率低、截止频率高的问题。

Description

一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦及其设计方法

技术领域

本发明涉及射频MMIC电路领域，尤其涉及一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦设计方法。

背景技术

随着通信技术的高速发展，特别是5G时代的来临，无线通信系统被广泛地应用于通信感知等领域。超宽带收发系统因其涵盖丰富的频谱资源、抗干扰性较强而被广泛应用于无线通信、电子对抗和雷达监测系统中，需要在很宽的频带范围内进行信息的快速、高效监测。在未来，超宽带收发系统将会有更广阔的应用空间。

巴伦不仅能够转换信号的幅值和相位，还能将一个不平衡的信号转换为一组平衡信号，或是将一组平衡信号转换为一个不平衡的信号，因此巴伦在各类集成电路与系统中具有广泛的应用。

目前，实现带宽巴伦的结构包括无源巴伦和有源巴伦，然而这两种结构，面临着小型化与超宽带性能实现的矛盾问题。无源巴伦的面积大小与其工作频率相关，即工作频率低的无源巴伦势必难以做到小型化；尽管采用有源方式可以实现小型化巴伦，然而因受到晶体管寄生参数及版图布局引入的寄生参数的影响，导致其难以工作在高频段。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦，包括无源巴伦回路、有源巴伦回路和开关电路。

开关电路，包括至少一个单刀双掷开关和串并联开关，单刀双掷开关设置于无源巴伦回路和有源巴伦回路的两端；单刀双掷开关通过切换闭合端口来选择工作回路，以控制输出的频段差分信号；串并联开关设置于有源巴伦回路的输入端与输出端对应连接的单刀双掷开关之间；

无源巴伦回路，包括无源巴伦，其根据输入端接收的单刀双掷开关输出的单端信号，将单端信号转换为高频差分信号后，通过与输出端对应连接的单刀双掷开关输出；

有源巴伦回路，包括有源巴伦，有源巴伦包括共源放大电路和共栅放大电路，共源放大电路和共栅放大电路设置于无源巴伦回路的外围且二者输出端的相位相反；共源放大电路和共栅放大电路的输入端与设置于输入端的单刀双掷开关连接，输出端连接对应的单刀双掷开关；有源巴伦将输入端获得的单端信号转换为低频差分信号，通过输出端对应连接的单刀双掷开关输出。

优选的，无源巴伦采用Marchard巴伦结构设计完成，Marchard巴伦结构为耦合微带线结构，其输入端的单端信号通过耦合微带线结构调整后，输出端输出相位差为180°的信号。

优选的，耦合微带线结构包括一路输入回路和两路输出回路，输入回路包括依次串联的耦合微带线Line2、微带线Line5、微带线Line4和微带线Line6；一路输出回路包括依次串联的微带线Line1和微带线Line7，另一路输出回路包括依次串联的微带线Line3和微带线Line8；输入回路中的微带线Line1和微带线Line2相对设置，微带线Line3和微带线Line4相对设置；在输出回路中，微带线Line7和微带线Line8相对设置；耦合微带线结构电路中的每个微带线均为中心频率为四分之一波长的耦合微带线。

优选的，无源巴伦回路输出的带宽频率为3-8GHz；有源巴伦回路输出的带宽频率为0.03-3GHz。

优选的，共源放大电路和共栅放大电路的输入端设有微带线Line9，共栅放大电路的输出端连接微带线Line10，共源放大电路的输出端连接微带线Line11；微带线Line9、Line10和微带线Line11形成匹配网络；共栅放大电路包括依次连接的隔直电容C1、共栅极放大器M1、衰减电阻R5、隔直电容C3；共栅极放大器M1的栅极通过偏置电阻R2接地；共源放大电路包括隔直电容C2、隔直电容C4、共源极放大器M2、偏置电阻R1、R3和衰减电阻R4；偏置电阻R1、R2、R3构成有源巴伦的偏置电路。

优选的，有源巴伦回路中，通过改变偏置电路和匹配网络，来调整共栅极放大器M1和共源极放大器M2输出信号的幅度。

优选的，开关电路中，无源巴伦回路和有源巴伦回路输入端设有一个单端双掷开关，输出端设有两个单刀装置开关。

本发明还提供了一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦的设计方法，其具体设计步骤包括：

S1：结合超宽带巴伦的性能指标及面积，实施并完成无源巴伦的设计；

S2：结合无源巴伦的版图布局及有源巴伦的性能指标，采用共源共栅或共源共漏放大器、偏置电路及匹配网络，实施并完成有源巴伦的设计；

S3：结合插损、隔离度的性能指标，采用开关晶体管和偏置电路形成的电路，实施完成开关电路的设计；

S4：经过以上步骤后，将有源巴伦回路和无源巴伦回路进行混合，形成通过开关电路来切换工作的巴伦结构，并优化巴伦整体电路的性能。

优选的，步骤S1还包括步骤：

S1.1：采用Marchard巴伦结构进行无源巴伦的设计；采用中心频率为四分之一波长的耦合微带线形成具有一个输入端和两个输出端的无源巴伦回路，将输入端的单端信号通过耦合微带线调整后，输出形成180°相位差的信号。

优选的，步骤S2还包括步骤：

S2.1：采用共源放大电路和共栅放大电路设计有源巴伦回路，通过共栅放大电路和共源放大电路放大输出信号；

S2.2：通过调整共源放大电路和共栅放大电路对应的衰减电阻对放大信号进行衰减；

S2.3：在共源放大电路和共栅放大电路的输入端和输出端采用插入损耗较小的开关晶体管进行控制；

步骤S4中有源巴伦回路设置于无源巴伦回路的外围。

本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦和设计方法，其通过设置有源巴伦回路和无源巴伦回路实现单端信号转换为0.03～3GHz的低频差分信号和3～8GHz的高频差分信号的输出。且开关电路中采用单刀双掷开关来切换有源巴伦回路的工作状态，来实现0.03～8GHz的超宽带巴伦。其中，在有源巴伦回路中，设置两路支路，分别为共源放大电路所在的同相输出支路和共栅放大电路所在的反相输出支路，共栅放大电路是由共栅极放大器结构形成的电路，完成同相信号的转换，共源放大电路是由共源极放大器结构形成的电路，完成反相信号的转换；通过偏置电路和匹配网络调整共栅放大电路和共源放大电路，使有源巴伦回路能够在低频状态下输出超宽带的信号。无源巴伦回路中的无源巴伦采用Marchard巴伦结构进行设计，通过具有频率为四分之一波长的耦合微带线，使无源巴伦结构能够输出相位差为180°的信号，且通过输入、输出端口的匹配微带线来调整无源巴伦的阻抗匹配，进而提高无源巴伦的可靠性。开关电路中，在共源放大电路和共栅放大电路的输入端和输出端均设有串并联开关管，通过串并联开关管可对单独控制共源放大电路和共栅放大电路的开和关，且串并联开关管通断时整体阻抗较小，具有较小的插入损耗，增加了共源放大电路和共栅放大电路与无源巴伦回路之间的隔离度。同时将共源放大电路和共栅放大电路设置于无源巴伦的外围，进行紧凑型版图排布，以减小版图面积。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦的原理图；

图2为本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦的共栅极放大器和共源极放大器分析的结构图；

图3为本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦中基于耦合微带线的无源巴伦分析的结构图；

图4为本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦中开关管开启和关断的等效原理图；

图5为本发明提供的Marchard无源巴伦的结构原理图；

图6为本发明提供的共源共栅有源巴伦结构原理图；

图7为本发明提供的有源巴伦回路中开关管的示意图；

图8为本发明提供的开关电路中单刀双掷开关的原理图；

图9为本发明提供的混合网络超宽带巴伦设计的示意图；

图10为本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦设计方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其包括无源巴伦回路、有源巴伦回路和开关电路。开关电路包括至少一个单刀双掷开关和串并联开关，单刀双掷开关分别和设置于无源巴伦回路和有源巴伦回路的两端；单刀双掷开关通过切换闭合端口来选择工作回路，以控制输出的频段差分信号。串并联开关设置于有源巴伦回路的输入端与输出端对应连接的单刀双掷开关之间。无源巴伦回路，包括无源巴伦，其根据输入端接收的单刀双掷开关输出的单端信号，将单端信号转换为高频差分信号后，通过与输出端对应连接的单刀双掷开关输出。有源巴伦回路，包括有源巴伦，有源巴伦包括共源放大电路和共栅放大电路，共源放大电路和共栅放大电路设置于无源巴伦回路的外围且二者输出端的相位相反；共源放大电路和共栅放大电路的输入端与设置于输入端的单刀双掷开关连接，输出端连接对应的单刀双掷开关；有源巴伦将输入端获得的单端信号转换为低频差分信号，通过输出端对应连接的单刀双掷开关输出。

具体的，本实施例中，有源巴伦回路和无源巴伦回路分别工作于不同的回路，通过开关电路电路中的至少一个单刀双掷开关来实现无源巴伦回路和有源巴伦回路之间的切换。其中，单刀双掷开关的数量优选为三个，具体的，无源巴伦回路和有源巴伦回路输入端设有一个单刀双掷开关1，输出端设有两个单刀双掷开关2、3。有源巴伦回路包括共源放大电路和共栅放大电路，分别位于不同的支路，两个支路的输入端共同连接设置于输入端的单刀双掷开关1的一个端口，另一个输出端口与无源巴伦回路连接。两个支路的输出端分别连接位于输出端两个单刀双掷开关2、3的端口。单刀双掷开关1、2、3通过切换闭合端口，选择无源巴伦回路或有源巴伦回路工作的回路，来控制输出的频段差分信号。其中，当无源巴伦回路工作时，输出带宽频率为3-8GHz的高频差分信号。有源巴伦回路工作时，其输出带宽频率为0.03-3GHz的低频差分信号，有源巴伦回路设置于无源巴伦回路的外围，进行紧凑型版图排布，减小了整体面积。通过切换工作回路使基于混合网络的小型化超宽带巴伦能够工作在0.03-8GHz的频率下工作而不受晶体管寄生参数及版图布局引入的寄生参数的影响，此外，本发明提供的基于混合网络的小型化超宽带巴伦的整体结构简单，占用面积小，解决了巴伦小型化需求下工作频率低及截止频率高的问题。特别是巴伦的工作在起始频率在MHz超宽带巴伦难以实现的问题。

开关电路中，在共源放大电路和共栅放大电路的输入端和输出端与对应连接的单刀双掷开关之间均设置有串并联开关管。具体的，共源放大电路的输入端和输出端分别设有串并联开关管2、4，共栅放大电路的输入端和输出端分别设有串并联开关管3、5。当串并联开关管2～5导通时，串并联开关管2、4的连接状态为串联，串并联开关管3、5的连接状态为串联，串并联开关管2、4和串并联开关管3、5的连接状态为并联。通过控制串并联开关管2～5可单独控制有源巴伦回路输入端和输出端的开启和关闭，同时也可以增加有源巴伦回路和无源巴伦回路的隔离度，防止某一回路不工作时也会产生信号馈通。当单刀双掷开关1、2、3切向有源巴伦回路，且串并联开关管2～5导通时，有源巴伦回路工作，无源巴伦回路被隔离，此时该小型化超宽带巴伦工作于0.03～3GHz下的低频带宽，输出低频差分信号，实现了低频段信号的单端-差分信号转换；单刀双掷开关1、2、3切向无源巴伦且串并联开关管2～5断开时，无源巴伦回路工作而有源巴伦回路被隔离，该小型化超宽带巴伦工作于3-8GHz下的高频带宽，实现了高频段信号的单端-差分信号转换。进而实现了基于混合网络下的超宽带巴伦。

本实施例中，共栅放大电路是由共栅极放大器结构形成的电路，共源放大电路是由共源极放大器结构形成的电路。共栅极放大器结构中的共栅极放大器为同相放大器，共源极放大器结构中的共源极放大器为反相放大器，二者的输出端相位相差180°。如图2(a)所示的共栅极放大器和图2(b)所示的共源极放大器为例，共栅极放大器和共源极放大器均包括晶体管VT和晶体管VT漏极的负载阻抗R_D，其中V_i是信号输入端，V_o是信号输出端，V_DD是直流偏置。若g_m是放大器晶体管跨导，r_o是晶体管内阻，则共栅极放大器的输入端的信号V_i和输出端的信号V_o信号之间的关系如式(1)所示，共源极放大器对应的输入和输出信号之间的关系如式(2)所示。公式具体为：

其中，A_VCG为共栅极放大器的增益A_CCS为共源极放大器的增益，负号代表输出端信号与输入端信号相差180°相位。

对于开关电路中的串并联开关管2～5来说，每个串并联开关管内部由开关晶体管组成，其工作原理以图3所示的开关晶体管进行说明，开关晶体管通过控制栅电压来实现开关晶体管的开和关的功能，当开关晶体管开启时可以等效为一个小电感L_on和小电阻R_on的串联，整体阻抗较小。因此开关晶体管均具有较小的插入损耗，其中小于1dB的插入损耗为较小的插入损耗。当开关晶体管关断时，其可等效为一个大电阻R_off和一个小电容C_off的并联，其整体电路阻抗较大，因此具有较大的隔离度。

对于无源巴伦来说，其输入信号是由不平衡端口通过无源器件耦合转向两个相位相反的平衡端口，从而实现输出具有180°相位差的信号。如图4所示的微带耦合线结构为例来说明，图中，1端口为信号的输入端口，2、3端口为信号的输出端口。由于微带耦合线具有传递信号和改变信号相位的功能，每经过四分之一波长(λ_g/4)的微带线，信号的相位就会相差90°。因此，图4所示的微带耦合线能够使2端口和3端口的输出端信号形成180°的相位差，从而实现无源巴伦。

于开关电路中的单刀双掷开关1、2、3来说，其工作原理与有源巴伦回路中的串并联开关管2～5相同，同样由开关晶体管组成。通过控制开关晶体管的栅电压来切换该小型化超宽带巴伦的工作回路。

基于上述分析，采用单刀双掷开关来切换有源巴伦回路和无源巴伦回路的工作状态，以使输出频率可配置。

本实施例中，无源巴伦采用Marchard巴伦结构设计完成，Marchard巴伦结构为耦合微带线结构，其输入端的单端信号通过耦合微带线结构调整后，两个输出端输出具有180°相位差的信号。

如图5所示，耦合微带线结构形成的无源巴伦结构包括一路输入回路和两路输出回路，输入回路包括依次串联耦合微带线Line2、微带线Line5、微带线Line4和微带线Line6；一路输出回路包括依次串联的微带线Line1和微带线Line7，另一路输出回路包括依次串联的微带线Line3和微带线Line8。输入回路中的微带线Line1和微带线Line2相对设置，微带线Line3和微带线Line4相对设置；在输出回路中，微带线Line7和微带线Line8相对设置；耦合微带线结构电路中的每个微带线均为中心频率为四分之一波长的耦合微带线，其中微带线Line1、3方向相反的一端接地。因微带线本身具有改变信号相位的功能，因此，输入的单端信号每经过四分之一波长的微带线，单端信号的相位就会相差90°。因此，通过图5的耦合微带线结构，能够使两个输出端口的输出信号形成180°的相位差，从而实现无源巴伦的结构。而微带线Line6～Line8分别为三个端口的输入和输出匹配微带线，用于调节无源巴伦的阻抗匹配。

如图6所示，根据上述有源巴伦的分析，结合无源巴伦的版图布局考虑及有源巴伦的性能指标，采用共源、共栅放大电路、偏置电路及匹配网络实施并完成0.03～3GHz有源巴伦回路的设计。有源巴伦回路中，共源放大电路和共栅放大电路的输入端设有微带线Line9，共栅放大电路的输出端连接微带线Line10，共源放大电路的输出端连接微带线Line11。微带线Line9、Line10和微带线Line11形成匹配网络。共栅放大电路包括依次串联的隔直电容C1、共栅极放大器M1、衰减电阻R5、隔直电容C3；共栅极放大器M1的栅极通过偏置电阻R2接地；共源放大电路包括隔直电容C2、隔直电容C4、共源极放大器M2、偏置电阻R1、R3和衰减电阻R4，偏置电阻R1、R2、R3构成有源巴伦的偏置电路。本实施例中，放大器M1、M2还可以是共源极放大器和共漏极放大器。

其中，共栅极放大器M1用于放大同相信号，理想情况下，其输出相位与输入相位一致。有源电路中，通过改变偏置电路和匹配网络，来调整共栅极放大器M1和共源极放大器M2输出信号的幅度。偏置电路中位于共栅极放大器M1栅极的偏置电阻R2，调节直流偏置使共栅极放大器M1工作在饱和区，从而传递输入的小信号，同时可改变输入信号的放大增益。共源极放大器M2用于放大反相信号，其理想情况下的输出相位与输入相位差180°，通过偏置电路中设于共源极放大器M2栅极的偏置电阻R1和设于共源极放大器M2漏极的偏置电阻R3，调节共源极放大器M2的直流偏置，来改变输入信号的增益。由于共源极放大器M2的增益相较于栅极放大器M1或共漏及放大器的增益较高，因此采用衰减电阻R4、R5对放大信号进行衰减，从而减小幅度不平衡的影响。而隔直电容C1～C4可防止直流大信号流入共源放大电路或共栅放大电路的前级和后级电路从而产生干扰。微带线Line9-Line11为输入线和输出线，形成有源巴伦回路的匹配网络，用以模拟版图中的输入和输出走线部分，同时还可以调节共源放大电路和共栅放大电路的阻抗匹配。

如图7所示，结合插损、隔离度等性能指标，采用开关晶体管和偏置电路形成的电路，实施完成开关电路的设计。其中，串并联开关管2～5采用单个开关晶体管实现共源放大电路和共栅放大电路的开和关的功能，其中，RF_in为信号的输入端口，RF_out为信号的输出端口，M3为开关晶体管，V₁为控制电压，R_g为开关晶体管M3的栅极电阻。当控制电压控制开关晶体管M3导通时，信号通过开关晶体管M3流向地，从而抑制信号向RF_out端口输出，支路截止；当控制电压V₁控制开关晶体管M3关断时，截断信号向地流入，从而使更多信号向RF_out端口输出，支路导通。

如图8所示，采用单刀双掷开关来切换有源巴伦回路和无源巴伦回路，单刀双掷开关的电路中包括两路输出，一路输出包括开关晶体管M4、M6，和与两个开关晶体管栅极对应连接的栅极电阻R_g，另一路输出包括开关晶体管M5、M7和两个开关晶体管M5、M7栅极对应连接的栅极电阻R_g，V₁、V₂为控制电压。其中每个开关晶体管的栅极电阻R_g构成了单刀双掷开关的偏置电路，通过调节每个栅极电阻R_g来改变对应开关晶体管的直流偏置，进而放大对应开关晶体管的增益。每个单刀双掷开关的电路的原理为：当控制电压V₁控制开关晶体管M4、M7导通，同时控制电压V₂控制开关晶体管M5、M6截止时，信号从输出端口RF_out1流出；当控制电压V1控制开关晶体管M4、M7截止，且控制电压V₂控制开关晶体管M5、M6导通时，信号从输出端口RF_out2流出，进而实现有源巴伦回路和无源巴伦回路的切换，使该小型化超带宽巴伦能够输出不同频带的信号。

如图9所示，本发明结合有源巴伦回路和无源巴伦回路，通过开关电路来实现超宽带巴伦的设计。在图9所示的视角中，位于开关电路左侧的GSG为单端信号输入的“地-信号-地”结构，左侧的GSG为差分信号输出的“地-信号-地-信号-地”结构。采用单刀双掷开关1、2、3来切换有源巴伦回路和有源巴伦回路。有有源巴伦回路分为共源放大电路所在的同相输出支路和共栅放大电路所在的反相输出支路，同相输出支路通过串并联开关管2、4控制支路的通断，反相输出支路通过串并联开关管3、5控制支路的通断。将无源巴伦回路设置于有源巴伦回路的中部，并通过单刀双掷开关1、2、3与有源巴伦连接。当单刀双掷开关1、2、3切向有源巴伦回路且串并联开关2～5导通时，有源巴伦回路工作，无源巴伦回路被隔离，该小型化超宽带巴伦工作于0.03-3GHz频带。单刀双掷开关1、2、3切向无源巴伦回路且串并联开关2～5断开时，无源巴伦回路工作，有源巴伦回路被隔离，该小型化超宽带巴伦工作于3-8GHz频带。通过切换有源巴伦回路和无源巴伦回路的工作状态，可以实现从0.03-8GHz的超宽带巴伦结构。

需要说明的是，对于本发明中的所示出的有源巴伦回路、无源巴伦回路和开关电路的电路结构仅为其中的一种实施方式，还可以采用其他无源巴伦结构或有源巴伦结构及开关电路来实现小型化超宽带巴伦。比如无源巴伦还可以采用变压器巴伦、同轴巴伦实现，有源巴伦还可以采用共源共漏晶体管结构实现，开关电路还可以采用不同拓扑的结构或PIN二极管结构实现。

如图10所示，本发明提供了一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦设计方法，其具体设计步骤包括：

S1：结合超宽带巴伦的性能指标及面积综合考虑，实施并完成无源巴伦的设计；

S2：结合无源巴伦的版图布局考虑及有源巴伦的性能指标，采用共源共栅或共源共漏放大器、偏置电路及匹配网络，实施并完成有源巴伦的设计；

S3：结合插损、隔离度的性能指标，采用开关晶体管和偏置电路形成的电路，实施完成开关电路的设计；

S4：经过以上步骤后，将有源巴伦回路和无源巴伦回路进行混合，形成通过开关电路来切换工作的巴伦结构，并优化巴伦整体电路的性能。

本实施例中，步骤S1还包括步骤：

S1.1：采用Marchard巴伦结构进行无源巴伦的设计；采用中心频率为四分之一波长的耦合微带线形成具有一个输入端和两个输出端的无源巴伦回路，将输入端的单端信号通过耦合微带线调整后，输出形成180°相位差的信号；

步骤S2中还包括步骤：

S2.1：采用共源放大电路和共栅放大电路设计有源巴伦回路，通过共栅放大电路和共源放大电路放大输出信号；

S2.2：通过调整共源放大电路和共栅放大电路对应的衰减电阻对放大信号进行衰减；

S2.3：在共源放大电路和共栅放大电路的输入端和输出端采用插入损耗较小的开关晶体管进行控制。

在步骤S4中将有源巴伦回路设置于无源巴伦回路的外围，以优化版图布局。

综上所述，本发明提供的一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦和设计方法，其通过设置有源巴伦回路和无源巴伦回路实现单端信号转换为0.03～3GHz的低频差分信号和3～8GHz的高频差分信号的输出，且开关电路中采用单刀双掷开关来切换有源巴伦回路的工作状态，来实现0.03～8GHz的超宽带巴伦。其中，在有源巴伦回路中，设置两路支路，分别为共源放大电路所在的同相输出支路和共栅放大电路所在的反相输出支路，共栅放大电路是由共栅极放大器结构形成的电路，完成同相信号的转换，共源放大电路是由共源极放大器结构形成的电路，完成反相信号的转换；通过偏置电路和匹配网络调整共栅放大电路和共源放大电路，使有源巴伦回路能够在低频状态下输出超宽带的信号。无源巴伦回路中的无源巴伦采用Marchard巴伦结构进行设计，通过具有频率为四分之一波长的耦合微带线，使无源巴伦结构能够输出相位差为180°的信号，且通过输入、输出端口的匹配微带线来调整无源巴伦的阻抗匹配，进而提高无源巴伦的可靠性。开关电路中，在共源放大电路和共栅放大电路的输入端和输出端均设有串并联开关管，通过串并联开关管可对单独控制共源放大电路和共栅放大电路的开和关，且串并联开关管通断时整体阻抗较小，具有较小的插入损耗，增加了共源放大电路和共栅放大电路与无源巴伦回路之间的隔离度。同时将共源放大电路和共栅放大电路设置于无源巴伦的外围，进行紧凑型版图排布，以减小版图面积。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，包括无源巴伦回路、有源巴伦回路和开关电路；

开关电路，包括至少一个单刀双掷开关和串并联开关，所述单刀双掷开关设置于无源巴伦回路和有源巴伦回路的两端；所述单刀双掷开关通过切换闭合端口来选择工作回路，以控制输出的频段差分信号；所述串并联开关设置于有源巴伦回路的输入端与输出端对应连接的单刀双掷开关之间；

无源巴伦回路，包括无源巴伦，其根据输入端接收的单刀双掷开关输出的单端信号，将单端信号转换为高频差分信号后，通过与输出端对应连接的单刀双掷开关输出；

有源巴伦回路，包括有源巴伦，所述有源巴伦包括共源放大电路和共栅放大电路，所述共源放大电路和共栅放大电路设置于无源巴伦回路的外围且二者输出端的相位相反；共源放大电路和共栅放大电路的输入端与设置于输入端的单刀双掷开关连接，输出端连接对应的单刀双掷开关；所述有源巴伦将输入端获得的单端信号转换为低频差分信号，通过输出端对应连接的单刀双掷开关输出。

2.根据权利要求1所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，所述无源巴伦采用Marchard巴伦结构设计完成，所述Marchard巴伦结构为耦合微带线结构，其输入端的单端信号通过耦合微带线结构调整后，输出端输出相位差为180°的信号。

3.根据权利要求2所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，所述耦合微带线结构包括一路输入回路和两路输出回路，输入回路包括依次串联的耦合微带线Line2、微带线Line5、微带线Line4和微带线Line6；一路输出回路包括依次串联的微带线Line1和微带线Line7，另一路输出回路包括依次串联的微带线Line3和微带线Line8；所述输入回路中的微带线Line1和微带线Line2相对设置，微带线Line3和微带线Line4相对设置；在输出回路中，微带线Line7和微带线Line8相对设置；所述耦合微带线结构电路中的每个微带线均为中心频率为四分之一波长的耦合微带线。

4.根据权利要求1所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，所述无源巴伦回路输出的带宽频率为3-8GHz；所述有源巴伦回路输出的带宽频率为0.03-3GHz。

5.根据权利要求1所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，所述共源放大电路和共栅放大电路的输入端设有微带线Line9，共栅放大电路的输出端连接微带线Line10，共源放大电路的输出端连接微带线Line11；所述微带线Line9、Line10和微带线Line11形成匹配网络；所述共栅放大电路包括依次连接的隔直电容C1、共栅极放大器M1、衰减电阻R5、隔直电容C3；共栅极放大器M1的栅极通过偏置电阻R2接地；所述共源放大电路包括隔直电容C2、隔直电容C4、共源极放大器M2、偏置电阻R1、R3和衰减电阻R4；所述偏置电阻R1、R2、R3构成有源巴伦的偏置电路。

6.根据权利要求5所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，所述有源巴伦回路中，通过改变偏置电路和匹配网络，来调整共栅极放大器M1和共源极放大器M2输出信号的幅度。

7.根据权利要求1所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦，其特征在于，所述开关电路中，无源巴伦回路和有源巴伦回路输入端设有一个单端双掷开关，输出端设有两个单刀装置开关。

8.一种基于混合网络的小型化超宽带巴伦的设计方法，其特征在于，其具体设计步骤包括：

S1：结合超宽带巴伦的性能指标及面积，实施并完成无源巴伦的设计；

S2：结合无源巴伦的版图布局及有源巴伦的性能指标，采用共源共栅或共源共漏放大器、偏置电路及匹配网络，实施并完成有源巴伦的设计；

S3：结合插损、隔离度的性能指标，采用开关晶体管和偏置电路形成的电路，实施完成开关电路的设计；

S4：经过以上步骤后，将有源巴伦回路和无源巴伦回路进行混合，形成通过开关电路来切换工作的巴伦结构，并优化巴伦整体电路的性能。

9.根据权利要求8所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦的设计方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤：

S1.1：采用Marchard巴伦结构进行无源巴伦的设计；采用中心频率为四分之一波长的耦合微带线形成具有一个输入端和两个输出端的无源巴伦回路，将输入端的单端信号通过耦合微带线调整后，输出形成180°相位差的信号。

10.根据权利要求8所述的基于混合网络的小型化超宽带巴伦的设计方法，其特征在于，所述步骤S2还包括步骤：

S2.1：采用共源放大电路和共栅放大电路设计有源巴伦回路，通过共栅放大电路和共源放大电路放大输出信号；

S2.2：通过调整共源放大电路和共栅放大电路对应的衰减电阻对放大信号进行衰减；

S2.3：在共源放大电路和共栅放大电路的输入端和输出端采用插入损耗较小的开关晶体管进行控制；

所述步骤S4中有源巴伦回路设置于无源巴伦回路的外围。