一种带有耗散管的有源合成器电路的制作方法

本发明属于微波集成电路技术领域，具体涉及一种带有耗散管的有源合成器电路。

背景技术：

合成器是微波电路与系统中的重要模块，广泛运用在收发器等电路与系统中。它的作用是将两路同相信号叠加，具有互易性的合成器还可以用作功分器，将一路信号分为同相等功率的两路信号。传统的无源合成器理论旨在设计损耗为零的电路，但实际中通常会有一定损耗。常规的有源合成器则在端口匹配度、最大功率传输、端口隔离度之间面临折衷问题。这些问题指明了合成器的性能提高与技术创新的方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种具有增益，能通过耗散增益来提高端口匹配度等性能的有源合成器电路。

本发明提出的带有耗散管的有源合成器电路，为差分结构，包括两个辅助差分放大器和一个有源合成单元，有源合成单元由两组放大器与耗散管组成；其有两个正输入端，和两个负输入端，分别与第一路、第二路辅助放大器连接；两路辅助放大器与两的有源合成单元相连，在主体单元的放大管输入端跨接耗散管（附图1中的M3管），即耗散管的一端与有源合成单元中第一路信号的放大器输入端相连，另一端与第二路信号的放大器输入端相连；有源合成器电路输出端为正、负输出。

本发明中，耗散管是一个偏置在线性区的PMOS管，它具有可变电阻的特性，其控制电压是Vc。

本发明中，辅助放大器为常规的共源放大器结构，有源合成单元也采用共源放大器结构，两路信号通过放大器后在输出处以电流相加的方式实现合成功能。在两个信号通路之间加入耗散管，目的是方便调谐有源合成单元，以便同时提高输入输出端口匹配、传输增益、输出端口隔离度等。

下面叙述微波三端口理论并引出耗散管的设计思想，接着描述耗散管的实现及控制方法，然后具体说明耗散管的性能表现。

三端口网络的S参数可以写成，

其中，阵列对角线位置的零项是因为假设了三端口均匹配。对于无源器件，已经有成熟的微波理论证明该网络的零损耗性、互易性不能同时实现。对于有源器件，一般不具备互易性，然而其S参数偏离零损耗性更加远。目前有源三端口网络理论还不是很成熟，但利用无源三端口网络中引入损耗来提高匹配性能的思路，创新性地在有源三端口网络中引入耗散管。从下文仿真结果中可以看出通过调谐耗散管，匹配等性能出现了相应的变化。

耗散管是通过线性区PMOS管实现的。如图1中M3所示。该管的两端都分别通过电感连接到VDD，其他路径连接到放大管栅极或者电容，没有直流通过，所以PMOS管M3工作在线性区，改变其偏置电压可以获得不同的等效电阻，阻值表达式为：

其中，μ_p是P型管迁移率，C_OX是单位面积栅氧化层电容，W/L是MOS管长宽比，Vsg是源极到栅极压降，Vthp是P管过驱动电压，k用来概括公式中除了电压以外的系数。本电路中过驱动电压|Vgt|等于控制电压Vc减去放大管的栅极偏置电压，因此可以得到等效电阻与控制电压Vc成反比例关系。

图2以25-GHz附近频段为例，比较了耗散管在两种控制状态下的匹配性能。图中的仿真是单独针对有源合成单元进行的，在Vc=1.2V时，S11如红色虚线所示，在Vc=0.6V时，S11如蓝色实线所示。两种情况下的S22差不多，表明对单端口一侧的影响较小。

图3定性地说明了所提出的有源合成电路的取值和设计思路。有源合成电路与无源合成电路的区别在于信号在合并过程中被放大，假设电路满足线性时不变以及叠加定理，那么可以把这一放大作用分离出去。具体到图3，线段AC和线段BC在C点汇合可以表示两路合并的过程，第一路的放大作用被分离为网络N1，它的增益等于有源合成电路的单路增益，它的相位等于有源合成电路的单路相位减去四分之一波长相位，由于两路相同，N2与N1相同。

N1和N2减少的四分之一波长体现在线段AC和BC中，它们无增益无损耗，相位对应于四分之一波长。这样一来，耗散管R_M3和线路ABC构成了经典的有耗无源功率分配器电路，我们可以利用成熟的对应微波理论，得到N1和N2输出阻抗与R_M3成反比例关系。

其中，Zout是N1和N2的输出阻抗，它是从AB往输入方向看过去而求得，然后再联解耗散管自身的阻抗公式就可以确定取值。可以看到过驱动电压|Vgt|与等效电阻成反比例关系，它可以由N1和N2的输出阻抗确定。

由于辅助放大器和有源合成单元的放大部分均为常规共源放大器，可以直接利用成熟的共源放大器理论进行分析和设计，这里不再赘述。在得到这部分放大器之后，它的输出阻抗和耗散管也就自然得到了。中间的C1、C2、C3、L为级间匹配网络，利用成熟的微波匹配理论可以求解。

附图说明

图1为本发明提出的带有耗散管的有源合成器电路图，包括两个辅助放大器和一个有源合成单元，偏置未画出。

图2 为单独对有源合成主体单元进行仿真的结果，证明耗散管在不同控制状态下该单元的匹配性能发生改变。

图3为有源合成电路的设计思路示意图。

图4为一个设计实例的各器件设计取值。

图5为一个设计实例的输入S11、输出S22、端口隔离度仿真结果，其中端口隔离度用负值表示。

图6是一个设计实例的S21合成信号幅度和每一分路输入到合成输出的信号相位。

具体实施方式

本发明提出一种带有耗散管的有源合成电路，由两个常规结构的辅助放大器和一个有源合成单元构成。耗散管位于有源合成单元中，通过一个偏置在线性区的P型晶体管来实现。

以无源三端口网络理论的思路为基础，耗散管的作用是通过调整其等效电阻来改变有源合成单元的端口匹配性能，这一点已在图2中体现。

图4是一个带有耗散管的有源合成电路的设计实例，工作频段为24.25-26.65-GHz，采用TSMC65nm CMOS-LP工艺。图中已经标注了所有MOS管的设计尺寸以及无源器件值，注意差分电路每对相同的器件只标明一个取值。偏置等与核心电路无关的辅助部分未画出。

图5是设计实例的输入S11、输出S22、端口隔离度仿真结果，其中蓝色实线为S11，带圆点标记的红色虚线为S22，带方块标记的绿色虚线为端口隔离度，用负值表示。S22在频段内小于-10dB，S11大约小于-6dB，隔离度小于-30dB。

图6是设计实例中合成信号的S21幅度及分路信号相位特性。相位特性方面，绿色和蓝色虚线（两线重合）为分路信号的S21相位，每一分路输入到合成输出的信号相位均为206.7度，这证明了有源合成器的功能。两个分路信号是由Balun对输入信号进行单端—差分转换得到的，如果计算该单端输入信号到合成输出信号的S21特性，可以得到S21相位为206.7度，图中以黄色虚线表示（与绿色、蓝色虚线重合）；同时S21幅度为8dB左右，图中以红色实线表示，而一般无源合成器很难达到理想状态下的3dB，这体现出有源合成器的优势。