CN201290108Y - 毫米波驱动级单片收/发集成电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种毫米波驱动级单片收/发集成电路，涉及毫米波频段的信号收发集成电路，解决了相控阵雷达信号的收发问题。该集成电路由前级开关电路、末级开关电路、功率放大电路和低噪声放大电路，前级开关电路设置于集成电路的输入端，且其两个输出端分别与功率放大电路输入端、低噪声放大电路输出端通过匹配耦合器相连，而末级开关电路设置于集成电路的输出端，其两个输入端分别与功率放大电路输出端、低噪声放大电路输入端通过匹配耦合器相连，前级开关电路与末级开关电路、功率放大电路与低噪声放大电路LNA成完全对称设置。本实用新型具有体积小、增益大、信噪比高、插损小、开关速度快的特点，主要用于相控阵雷达技术中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种集成电路，具体地说，是涉及一种毫米波驱动级单片收/发集成电路。
背景技术
单片级微波毫米波集成电路(MMIC)是一种把有源(含多个场效应晶体管)和无源器件制作在同一块砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)衬底基片上的微波电路。其工作频率从1GHz到100GHz以内，广泛用于各种不同技术及电路中。而工作在30GHz以上的单片电路，也称为单片毫米波集成电路。这种电路设计灵活，元器件密度高，引线和焊点少，具有体积小，耗电省，可靠性高，工作频带宽，一致性好等优点。在无线通信领域，由于低频段频率的拥挤，电路向频段高端的毫米波段发展，例如，在24G、40G、60G的LMDS(本地多点分布通信系统)；24G、76G汽车防撞雷达；机载雷达。
通信雷达的高速发展，使得对毫米波单片电路的需求越来越大，特别是相控阵雷达的出现，是21世纪期间机载雷达的革命。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种毫米波驱动级单片收/发集成电路，实现对高频段信号的收发。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下方案：
毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述集成电路包括前级开关电路SPDT1、末级开关电路SPDT2、功率放大电路MPA和低噪声放大电路LNA，前级开关电路SPDT1设置于集成电路的输入端，且其两个输出端OUT1、OUT2分别与功率放大电路MPA输入端、低噪声放大电路LNA输出端相连，而末级开关电路SPDT2设置于集成电路的输出端，其两个输入端IN1、IN2分别与功率放大电路MPA输出端、低噪声放大电路LNA输入端相连，前级开关电路SPDT1与末级开关电路SPDT2成对称设置，功率放大电路MPA与低噪声放大电路LNA成对称设置。
所述前级开关电路SPDT1包括场效应管Q1、场效应管Q4和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，其中，场效应管Q1的漏极D和场效应管Q4的源极S相连并作为前级开关电路SPDT1的输入端VIN；场效应管Q1的栅极G、电阻R1和电阻R2依次连接后与场效应管Q4的栅极G相连，场效应管Q1的源极S和场效应管Q4的漏极D分别作为前级开关电路SPDT1的两个输出端OUT1和OUT2；电阻R3一端与场效应管Q1的栅极G相连，另一端与电源V1相连；电阻R4一端与场效应管Q4的栅极G相连，另一端与电源V2相连；电阻R1和电阻R2的连接端还与电源Vg相连。
所述末级开关电路SPDT2由场效应管Q7、场效应管Q10和电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成，其中，场效应管Q7的漏极D和场效应管Q10的源极S相连并作为末级开关电路SPDT2的输出端VOUT；场效应管Q10的栅极G、电阻R5和电阻R6依次连接后与场效应管Q7的栅极G相连，场效应管Q7的源极S和场效应管Q10的漏极D分别作为末级开关电路SPDT2的两个输入端IN1和IN2；电阻R7—端与场效应管Q10的栅极G相连，另一端与电源V1相连；电阻R8—端与场效应管Q7的栅极G相连，另一端与电源V2相连；电阻R5和电阻R6的连接端还与电源Vg相连。
所述集成电路设有自给偏置电路，由场效应管FET、电阻R、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2和匹配耦合器组成，其中，场效应管FET的栅极G与电容C1相连，电容C1的另一端作为自给偏置电路的输入端，电感L1一端与场效应管FET的栅极G相连，另一端接地；电阻R和电容C2并联后一端与场效应管FET的源极S相连，另一端接地；场效应管FET的漏极D分别与匹配耦合器和电感L2相连，而匹配耦合器的另一端与电容C4相连，电容C4的另一端作为输出端，电感L2的另一端连接电容C3后接地，同时，电容C3的输入端还与电源VD相连。
所述功率放大电路MPA由三级自给偏置电路和去耦电路组成，其中，第一级自给偏置电路的输入端通过一个匹配耦合器与前级开关电路SPDT1的输出端OUT1相连，第一级自给偏置电路的电容C4同时兼作第二级自给偏置电路的电容C1，第二级自给偏置电路的电容C4同时兼作第三级自给偏置电路的电容C1，而第三级自给偏置电路的电容C4与末级开关电路的输入端IN2相连，同时第三级自给偏置电路的负载电阻还与电源V1相连；去耦电路包括电感L5、L6和电容C5、C6、C7，电感L5两端分别连接第一级自给偏置电路的负载电阻和第二级自给偏置电路的负载电阻，电感L6两端分别连接第二级自给偏置电路的负载电阻和第三级自给偏置电路的负载电阻，电容C5一端分别与第一级自给偏置电路的负载电阻和前级开关电路SPDT1的电阻R3相连，电容C5的另一端接地，电容C6一端与第二级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地，电容C7一端与第三级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地。
所述低噪声放大电路LNA由三级自给偏置电路和去耦电路组成，其中，第一级自给偏置电路的输入端通过一个匹配耦合器与末级开关电路SPDT2的输入端IN1相连，第一级自给偏置电路的电容C4同时兼作第二级自给偏置电路的电容C1，第二级自给偏置电路的电容C4同时兼作第三级自给偏置电路的电容C1，而第三级自给偏置电路的电容C4与前级开关电路的输出端OUT2相连，同时第三级自给偏置电路的负载电阻还与电源V2相连；去耦电路包括电感L7、L8和电容C8、C9、C10，电感L7两端分别连接第一级自给偏置电路的负载电阻和第二级自给偏置电路的负载电阻，电感L8两端分别连接第二级自给偏置电路的负载电阻和第三级自给偏置电路的负载电阻，电容C8一端分别与第一级自给偏置电路的负载电阻和末级开关电路SPDT2的电阻R8相连，另一端接地，电容C9一端与第二级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地，电容C10一端与第三级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地。
所述前级开关电路SPDT1与末级开关电路SPDT2完全相同。
所述功率放大电路MPA与低噪声放大电路LNA完全相同。
本实用新型从原理上看由三部分组成：SPDT开关电路、功率放大电路MPA和低噪声放大电路LNA，其原理框图如图1。
下面对本实用新型作进一步说明。
1.SPDT开关电路
如图2所示，本实用新型的前级开关电路和末级开关电路结构相同，并成对称设置。开关电路以两个栅宽为200um FET场效应管为主，辅以部分电阻构成。在电路布图上，采用上下对称的两组电路构成开关的双刀，Q1、Q4的栅级偏压由Vg(+5V)提供，Q1的栅极作为控制信号的输入端(V1，+5V)，只要控制V1就可以实现IN与OUT1的开关；Q2的栅极作为控制信号的输入端(V2，+5V)，只要控制V2就可以实现IN与OUT2的开关(在电路中IN包括IN1和IN2)。
V1 V2柵极控制与输入IN和输出OUT1 OUT2的逻辑关系如下表
| V1 | V2 | IN | OUT1 | OUT2 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 原态 |
| 1 | 1 | X | X | 禁止 |
为减小芯片外围电路，实现T/R一体化，本实用新型中还设计了自给偏置电路，其原理如图3所示。自给偏置技术，是通过一个单电源电路给FET加偏置。栅极通过一个电感器或者大阻值电阻直接接地，通过源端插入一个小电阻R(其值等于所需Vg除以希望的漏极电流)，|Vg|＝Id*R，将源端电压提高到一个正的直流电位，电压值等于所需的栅极—源极间电压。为了防止损失射频增益，源端通过一个大的去耦电容接地。单电源偏置的优点很明显，特别是对于电池供电的情况，可减小直流功耗，并减少电源连线。
2.功率放大电路MPA
如图4所示，功率放大电路MPA主要由三个自给偏置电路依次串联组成，其中，第一级自给偏置电路通过一个匹配耦合电路与前级开关电路SPDT1的输出端OUT1相连，第三级自给偏置电路的输出端则与末级开关电路SPDT2的输入端IN2相连。
3.低噪声放大电路LNA
如图5所示，低噪声放大电路在电路结构上与功率放大电路完全相同，为一个输入端、输出端倒置的功率放大电路，其中，低噪声放大电路的输入端通过一个匹配耦合电路与末级开关电路SPDT2的输入端IN1相连，而低噪声放大电路的输出端与前级开关电路SPDT1的输出端OUT2相连。
本实用新型主要用于相控阵T/R驱动级，主要工作于30G-40G频段。通过控制电源V1和V2，可能灵活控制功率放大电路和低噪声放大电路的开断，从而实现在同一芯片上完成收/发功能，具有低成本高整合度的特点，尤其在开关速度、增益、插入损耗上具有良好的特性。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图。
图2为本实用新型中开关电路的电路图。
图3为本实用新型中自给偏置电路的电路图。
图4为本实用新型中功率放大电路的电路图。
图5为本实用新型中低噪声放大电路的电路图。
图6为本实用新型的内部等效电路图。
具体实施方式
下面通过举例对本实用新型作进一步说明。
如图7所示，毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述集成电路包括前级开关电路SPDT1(图2)、末级开关电路SPDT2(图3)、功率放大电路MPA(图5)和低噪声放大电路LNA(图6)，前级开关电路SPDT1设置于集成电路的输入端，且其两个输出端OUT1、OUT2分别与功率放大电路MPA输入端、低噪声放大电路LNA输出端通过匹配耦合器相连，而末级开关电路SPDT2设置于集成电路的输出端，其两个输入端IN1、IN2分别与功率放大电路MPA输出端、低噪声放大电路LNA输入端通过匹配耦合器相连，前级开关电路SPDT1与末级开关电路SPDT2、功率放大电路MPA与低噪声放大电路LNA成完全对称设置。
所述前级开关电路SPDT1包括场效应管FET1、场效应管FET2和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，其中，场效应管FET1的漏极D和场效应管FET2的源极S相连并作为前级开关电路SPDT1的输入端；场效应管FET1的栅极G、电阻R1和电阻R2依次连接后与场效应管FET2的栅极G相连，场效应管FET1的源极S和场效应管FET2的漏极D分别作为前级开关电路SPDT1的两个输出端；电阻R3一端与场效应管FET1的栅极G相连，另一端与电源V1相连；电阻R4一端与场效应管FET2的栅极G相连，另一端与电源V2相连。
所述末级开关电路SPDT2由场效应管Q7、场效应管Q10和电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成，其中，场效应管Q7的漏极D和场效应管Q10的源极S相连并作为末级开关电路SPDT2的输出端VOUT；场效应管Q10的栅极G、电阻R5和电阻R6依次连接后与场效应管Q7的栅极G相连，场效应管Q7的源极S和场效应管Q10的漏极D分别作为末级开关电路SPDT2的两个输入端IN1和IN2；电阻R7一端与场效应管Q10的栅极G相连，另一端与电源V1相连；电阻R8一端与场效应管Q7的栅极G相连，另一端与电源V2相连；电阻R5和电阻R6的连接端还与电源Vg相连。
所述毫米波驱动级单片收/发集成电路还设有自给偏置电路，所述自给偏置电路由场效应管FET、电阻R、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1和电感L2组成，其中，输入信号通过电容C1与场效应管FET的栅极G相连，电感L1一端与场效应管FET的栅极G相连，另一端接地；电阻R和电容C2并联后一端与场效应管FET的源极S相连，另一端接地；场效应管FET的漏极D分别与电容C4和电感L2相连，而电容C4的另一端作为输出端，电感L2的另一端连接电容C3后接地，同时，电容C3的输入端还与电源VD相连。
所述功率放大电路MPA由三级自给偏置电路和去耦电路组成，其中，第一级自给偏置电路的输入端通过一个匹配耦合器与前级开关电路SPDT1的输出端OUT1相连，第一级自给偏置电路的电容C4兼作第二级自给偏置电路的电容C1，第二级自给偏置电路的电容C4兼作第三级自给偏置电路的电容C1，而第三级自给偏置电路的电容C4与末级开关电路的输入端IN2相连，同时第三级自给偏置电路的负载电阻还与电源V1相连；去耦电路包括电感L5、L6和电容C5、C6、C7，电感L5两端分别连接第一级自给偏置电路的负载电阻和第二级自给偏置电路的负载电阻，电感L6两端分别连接第二级自给偏置电路的负载电阻和第三级自给偏置电路的负载电阻，电容C5一端分别与第一级自给偏置电路的负载电阻和前级开关电路SPDT1的电阻R3相连，电容C5的另一端接地，电容C6一端与第二级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地，电容C7一端与第三级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地。
所述低噪声放大电路LNA由三级自给偏置电路和去耦电路组成，其中，第一级自给偏置电路的输入端通过一个匹配耦合器与末级开关电路SPDT2的输入端IN1相连，第一级自给偏置电路的电容C4同时兼作第二级自给偏置电路的电容C1，第二级自给偏置电路的电容C4同时兼作第三级自给偏置电路的电容C1，而第三级自给偏置电路的电容C4与前级开关电路的输出端OUT2相连，同时第三级自给偏置电路的负载电阻还与电源V2相连；去耦电路包括电感L7、L8和电容C8、C9、C10，电感L7两端分别连接第一级自给偏置电路的负载电阻和第二级自给偏置电路的负载电阻，电感L8两端分别连接第二级自给偏置电路的负载电阻和第三级自给偏置电路的负载电阻，电容C8一端分别与第一级自给偏置电路的负载电阻和末级开关电路SPDT2的电阻R8相连，另一端接地，电容C9一端与第二级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地，电容C10一端与第三级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地。
在电路布图上，前级开关电路SPDT1与末级开关电路SPDT2完全对称，功率放大电路MPA与低噪声放大电路LNA完全对称。
本实用新型中开关电路中FET开关为一个三端器件，其中栅偏置电压为Vg，由V1控制开关状态。FET工作为压控电阻器，其栅偏置控制沟道的漏源电阻。当栅源偏置在数值上大于夹断电压Vp(|Vgs|>|Vp|)时，产生一个高阻状态；当零偏置栅压V1(栅极控制)加载到栅极时，则产生一个低阻状态。
由于FET开关在两个状态下都不需要直流功率，故对所有完成应用目的过程，从功率消耗的角度来看，FET开关即可视为无源器件，FET开关可忽略的直流功率要求显著地简化了驱动电路。在平面结构中，栅极位于源极和漏极终端之间，故FET开关工作为双向开关。为实现本实用新型收/发功能，SPDT开关电路采用了两只低插入损耗特性的柵宽为200um的FET场效应管进行对称设置。
经过测试，信号接收时插损为2dB，隔离度10dB；信号发射时插损为1dB，隔离度15dB；开关时间4nS。
本实用新型主要应用于相控阵雷达技术中，经过测试，其作为放大驱动时，MPA Gain 19dB，MPA Pout 16dBm；作为低噪声放大时，LNAGain 20dB，LNA Noise Figure 5dB，Return Loss 16dB。
Claims (8)
1.毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述集成电路包括前级开关电路SPDT1、末级开关电路SPDT2、功率放大电路MPA和低噪声放大电路LNA，前级开关电路SPDT1设置于集成电路的输入端，且其两个输出端OUT1、OUT2分别与功率放大电路MPA输入端、低噪声放大电路LNA输出端相连，而末级开关电路SPDT2设置于集成电路的输出端，其两个输入端IN1、IN2分别与功率放大电路MPA输出端、低噪声放大电路LNA输入端相连，前级开关电路SPDT1与末级开关电路SPDT2成对称设置，功率放大电路MPA与低噪声放大电路LNA成对称设置。
2.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述前级开关电路SPDT1包括场效应管Q1、场效应管Q4和电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，其中，场效应管Q1的漏极D和场效应管Q4的源极S相连并作为前级开关电路SPDT1的输入端VIN；场效应管Q1的栅极G、电阻R1和电阻R2依次连接后与场效应管Q4的栅极G相连，场效应管Q1的源极S和场效应管Q4的漏极D分别作为前级开关电路SPDT1的两个输出端OUT1和OUT2；电阻R3一端与场效应管Q1的栅极G相连，另一端与电源V1相连；电阻R4一端与场效应管Q4的栅极G相连，另一端与电源V2相连；电阻R1和电阻R2的连接端还与电源Vg相连。
3.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述末级开关电路SPDT2由场效应管Q7、场效应管Q10和电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8组成，其中，场效应管Q7的漏极D和场效应管Q10的源极S相连并作为末级开关电路SPDT2的输出端VOUT；场效应管Q10的栅极G、电阻R5和电阻R6依次连接后与场效应管Q7的栅极G相连，场效应管Q7的源极S和场效应管Q10的漏极D分别作为末级开关电路SPDT2的两个输入端IN1和IN2；电阻R7一端与场效应管Q10的栅极G相连，另一端与电源V1相连；电阻R8一端与场效应管Q7的栅极G相连，另一端与电源V2相连；电阻R5和电阻R6的连接端还与电源Vg相连。
4.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述集成电路设有自给偏置电路，由场效应管FET、电阻R、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1、电感L2和匹配耦合器组成，其中，场效应管FET的栅极G与电容C1相连，电容C1的另一端作为自给偏置电路的输入端，电感L1一端与场效应管FET的栅极G相连，另一端接地；电阻R和电容C2并联后一端与场效应管FET的源极S相连，另一端接地；场效应管FET的漏极D分别与匹配耦合器和电感L2相连，而匹配耦合器的另一端与电容C4相连，电容C4的另一端作为输出端，电感L2的另一端连接电容C3后接地，同时，电容C3的输入端还与电源VD相连。
5.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述功率放大电路MPA由三级自给偏置电路和去耦电路组成，其中，第一级自给偏置电路的输入端通过一个匹配耦合器与前级开关电路SPDT1的输出端OUT1相连，第一级自给偏置电路的电容C4兼作第二级自给偏置电路的电容C1，第二级自给偏置电路的电容C4兼作第三级自给偏置电路的电容C1，而第三级自给偏置电路的电容C4与末级开关电路的输入端IN2相连，同时第三级自给偏置电路的负载电阻还与电源V1相连；去耦电路包括电感L5、L6和电容C5、C6、C7，电感L5两端分别连接第一级自给偏置电路的负载电阻和第二级自给偏置电路的负载电阻，电感L6两端分别连接第二级自给偏置电路的负载电阻和第三级自给偏置电路的负载电阻，电容C5一端分别与第一级自给偏置电路的负载电阻和前级开关电路SPDT1的电阻R3相连，电容C5的另一端接地，电容C6一端与第二级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地，电容C7一端与第三级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地。
6.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述低噪声放大电路LNA由三级自给偏置电路和去耦电路组成，其中，第一级自给偏置电路的输入端通过一个匹配耦合器与末级开关电路SPDT2的输入端IN1相连，第一级自给偏置电路的电容C4兼作第二级自给偏置电路的电容C1，第二级自给偏置电路的电容C4兼作第三级自给偏置电路的电容C1，而第三级自给偏置电路的电容C4与前级开关电路的输出端OUT2相连，同时第三级自给偏置电路的负载电阻还与电源V2相连；去耦电路包括电感L7、L8和电容C8、C9、C10，电感L7两端分别连接第一级自给偏置电路的负载电阻和第二级自给偏置电路的负载电阻，电感L8两端分别连接第二级自给偏置电路的负载电阻和第三级自给偏置电路的负载电阻，电容C8一端分别与第一级自给偏置电路的负载电阻和末级开关电路SPDT2的电阻R8相连，另一端接地，电容C9一端与第二级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地，电容C10一端与第三级自给偏置电路的负载电阻相连，另一端接地。
7.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述前级开关电路SPDT1与末级开关电路SPDT2完全相同。
8.根据权利要求1所述的毫米波驱动级单片收/发集成电路，其特征在于，所述功率放大电路MPA与低噪声放大电路LNA完全相同。
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