一种基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器的制作方法

1.本发明涉及高频无源集成电路领域，特别涉及一种基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器。


背景技术：

2.随着无线通信技术的快速发展，新一代智能通信网络要求在射频毫米波波段实现通信的感知功能与移动互联技术融合的发展目标。以iii-v族材料为代表的化合物半导体集成电路由于所集成的器件高频特性好以及优异的衬底材料特性，很适合射频应用，但其对复杂应用系统的支持性差，并且器件集成密度也不高。硅基半导体集成电路虽然所集成的器件集成度大、成本低，能够实现系统对复杂功能和密集计算的要求，但噪声、功率、动态范围等性能不足，并且摩尔定律已面临极限，硅基半导体集成电路也面临困境。
3.为了实现无线通讯的感知能力，需要输出更高的无线信号功率，往往需采用功率合成技术。功率合成技术包括空间功率合成和片内功率合成。片内功率合成实现面积小，更适合半导体工艺全集成方案。基于变压器的功率合成技术是常见的片上功率合成技术之一，它可以通过改变初次级线圈的匝数比和耦合系数来灵活调控阻抗变换比，在完成阻抗变换的同时实现功率合成，与其它类型的功率合成器（如威尔金森功率合成器）相比，布局更紧凑，损耗更低。
4.目前采用化合物半导体工艺实现的高频功率放大器为了简化电路结构和提高功率附加效率pae，主要采用多级单端输出结构；采用硅基半导体工艺实现的高频功率放大器为了增加功率附加效率和提高输出功率主要采用多级差分结构。随着5g/6g高速通信感知应用中采用毫米波集成电路，毫米波波段的高频功率放大器为了进一步提高输出功率和pae而采用末级堆叠单端结构。如2019年peter m. asbeck等人于mtt发表5g毫米波应用的功率放大器技术分析，以及2021年hua wang等人在jwm上发表的高动态范围的毫米波功率放大器。但是，随着通信感知的应用场景变化，高频功率放大器的架构研究不断进步，以满足功率放大器高功率附加效率和高功率输出的同时，功率放大器还应具有更高线性度，功率回退效率和高可靠性等需求，输出移相技术，doherty pa和rf pa dac等功率合成技术被陆续提出，如2022年peter m. asbeck等人提出5g毫米波功率放大器的可靠性研究。而高频功率放大器设计架构不同，所需要的功率合成路径与方式也不同，因此亟待提出一种适应多路正交信号的双模功率合成方法，以实现高线性、高效率的毫米波功率放大器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器，以克服现有技术中的不足。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明公开了一种基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器，包括正交耦合器和与所述正交耦合器相连的平衡功率合成器；
所述正交耦合器包括相互嵌套、相互耦合的第一变压器线圈、第二变压器线圈、第三变压器线圈和第四变压器线圈，位于外围的所述第一变压器线圈和第二变压器线圈的一端为高频信号输入端口，另一端均连接有匹配电阻，嵌套内部的第三变压器线圈和第四变压器线圈的一端为高频输入端口，另一端均与所述平衡功率合成器连接；所述平衡功率合成器包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈嵌套设在次级线圈外围，所述初级线圈的两个断点聚拢并分别与第三变压器线圈和第四变压器线圈连接，所述次级线圈的两个断点聚拢并向外延伸形成输出端口。
7.作为优选的，所述平衡功率合成器基于变压器结构，所述初级线圈和次级线圈均为八边形螺旋线圈，所述平衡功率合成器的线圈在垂直投影方向上仅与所述正交耦合器的四个变压器线圈末端支节有重叠，且重叠部分的平衡功率合成器线圈与正交耦合器变压器线圈的走向相互垂直。
8.作为优选的，所述正交功率合成器根据金属互联工艺的集成无源器件技术实现，所述正交功率合成器包括顶层金属、次顶层金属和次次顶层金属三层金属；所述正交耦合器除线圈交叉处采用次次顶层金属和两个过孔进行桥接外，其余结构均由次顶层金属实现；所述平衡功率合成器除线圈交叉处采用次顶层金属和两个过孔进行桥接外，其余结构均由顶层金属实现。
9.作为优选的，所述第一变压器线圈和所述第二变压器线圈的信号输入端的输入信号相位相差180
°
，所述第三变压器线圈信号和第四变压器线圈的信号输入端的输入信号相位相差180
°
，所述第一变压器线圈信号和所述第三变压器线圈的信号输入端的输入信号相位相差90
°
，所述第二变压器线圈信号和所述第四变压器线圈的信号输入端的输入信号相位相差90
°
。
10.作为优选的，所述初级线圈与次级线圈的宽度相等，在四个变压器线圈相互嵌套和相互耦合处，相邻的变压器线圈之间的间距相同。
11.作为优选的，所述正交功率合成器包括两种工作模式，分别为单端模式和差分模式，所述单端模式采用单个所述正交耦合器和单个所述平衡功率合成器组成正交功率合成器，所述平衡功率合成器将来自正交耦合器的一对差分信号合成单端信号；所述差分模式采用两个正交耦合器和两个平衡功率合成器构成两个上下对称的正交功率合成器，两对差分信号通过电流合成的方式合成一对差分信号输出。
12.作为优选的，所述单端模式下，所述正交功率合成器的四路输入信号分别来自四个单端功率放大器pa1、pa2、pa3、pa4的单端输出级，幅度相等，相位关系是：pa1相位分别与pa3、pa4信号正交，pa3相位分别与pa1、pa2信号正交，pa2相位分别与pa3、pa4信号正交，pa4相位分别与pa1、pa2信号正交。
13.作为优选的，所述差分模式下，所述正交功率合成器的八路输入信号分别来自四个差分功率放大器pa1、pa2、pa3、pa4的差分输出级，幅度相等，相位以90
°
间隔分布。
14.本发明的有益效果：本发明公开了一种基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器，包括正交耦合器和平衡功率合成器，用于高效率，高线性的高频功率放大器的功率合成。与传统的正交信号功率合成器相比，本发明基于集成无源器件技术片上实现正交耦合器嵌套平衡功率合成器的结构，具有结构对称且紧凑，实现面积小的优点；所述合成器性能上具有频率响应宽以及插入损耗低等优点。本发明采用集成无源器件技术，利用硅基工艺
多层金属结构特征，在片上制造正交耦合器和平衡功率合成器，实现正交功率信号的合成功能，并具有隐含式输出移相特征。功率合成结构的匹配网络具有各自独立的阻抗匹配和相移路径，可以在不牺牲线性的情况下，显著改善高功率和低功率下pae。这种结构对负载阻抗变化不敏感，在负载失配条件下也工作良好。因此，不需要在该功率合成器与天线之间放隔离器。与一种基于变压器的八路正交功率合成器相比，新的合成器结构可以灵活适应单端或差分功率合成模式；并可灵活组合合成器，配置功率合成网络；并具有更小的实现结构。采用本发明可以使功率放大器具有高功率，高pae输出的同时，还可以有效保障功率放大器的线性。
附图说明
15.图1是本发明实施例正交功率合成器的版图；图2是本发明实施例正交耦合器的版图；图3是本发明实施例正交耦合器的s参数仿真结果；图4是本发明实施例平衡功率合成器的版图；图5是本发明实施例平衡功率合成器的s参数仿真结果；图6是本发明实施例正交功率合成器单端合成结构版图；图7是本发明实施例正交功率合成器单端合成路径图；图8是本发明实施例正交功率合成器单端合成s参数仿真结果；图9是本发明实施例正交功率合成器差分合成结构版图；图10是本发明实施例正交功率合成器差分合成a路径图；图11是本发明实施例正交功率合成器差分合成b路径图；图12是本发明实施例正交功率合成器的三维立体版图；图中：1-第一变压器线圈、2-第二变压器线圈、3-第三变压器线圈、4-第四变压器线圈、5-初级线圈、6-次级线圈、7-输出端口、8-平衡功率合成器、9-正交耦合器、10-匹配电阻。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
17.参阅图1和图12，本发明实施例提供了一种基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器，包括一个正交耦合器9和一个与所述正交耦合器9相连的平衡功率合成器8。
18.所述正交耦合器9包括相互嵌套、相互耦合的第一变压器线圈1、第二变压器线圈2、第三变压器线圈3、第四变压器线圈4和两个匹配电阻10。所述第一变压器线圈1一端为高频信号输入端口，另一端连接一个匹配电阻10；所述第二变压器线圈2一端为高频信号输入端口，另一端连接一个匹配电阻10；所述第三变压器线圈3一端为高频信号输入端口，另一端与平衡功率合成器上的初级线圈5的一端相接；所述第四变压器线圈4一端为高频信号输入端口，另一端与平衡功率合成器上的初级线圈5的另一端相接。所述第一变压器线圈1高
频信号输入端口一端的走向与所述第二变压器线圈2高频信号输入端口一端的走向相垂直；所述第三变压器线圈3高频信号输入端口一端的走向与所述第四变压器线圈4高频信号输入端口一端的走向相垂直；所述平衡功率合成器包括初级线圈5和次级线圈6；所述初级线圈5以对称的形式嵌套在次级线圈6外围，初级线圈5的两个断点聚拢并分别与正交耦合器9的第三变压器线圈3和第四变压器线圈4的端口相接，次级线圈6的两个断点置于远离初级线圈5两个断点方向处，并向外伸出形成输出端口7。所述平衡功率合成器将来自正交耦合器的一对差分信号经灵活阻抗变后，换输出差分信号；另一方面平衡功率合成器可将来自正交耦合器的一对差分信号合成单端信号，实现平衡输入转非平衡输出。若假定变压器为理想变压器，则差分输入端的输入阻抗为，其中，n为平衡功率合成器中次级线圈与初级线圈的匝数比，为单端输出端的输出阻抗。通过合理地设计匝数比和耦合系数，可以灵活变换阻抗。本实施例中，匝数比。
19.所述正交功率合成器包括顶层金属、次顶层金属和次次顶层金属三层金属；所述正交功率合成器9除线圈出现交叉处采用次次顶层金属和两个过孔进行桥接外，其余结构均由次顶层金属实现；所述平衡功率合成器除线圈出现交叉处采用次顶层金属和两个过孔进行桥接外，其余结构均由顶层金属实现；所述平衡功率合成器的线圈在垂直投影方向上仅与正交耦合器9的四个末端支节有重叠，且重叠部分的平衡功率合成器线圈与正交耦合器线圈的走向相互垂直。
20.所述平衡功率合成器8的次级线圈6末端聚拢构成信号输出端口7；所述正交耦合器9的第一变压器线圈1、第二变压器线圈2、第三变压器线圈3和第四变压器线圈4的高频输入信号输入端口中，第一变压器线圈1与第二变压器线圈2的输入信号相位相差180
°
，第三变压器线圈3与第四变压器线圈4的输入信号相位相差180
°
，第一变压器线圈1与第三变压器线圈3的输入信号相位相差90
°
，第二变压器线圈2与第四变压器线圈4的输入信号相位相差90
°
。
21.下面先分别对正交耦合器和平衡功率合成器进行具体的案例实施，然后分别阐述双模正交功率合成器的单端合成具体实施方法和差分合成具体实施方法。
22.所实施例均采用衬底材料为高阻硅衬底，并基于集成无源器件技术的曝光、显影、镀膜、扩散、刻蚀等半导体工艺，制作nicr tfr薄膜电阻，tsv接地孔，以及三层互联金属。顶层金属和次顶层金属材质均为铜，电导率为；顶层金属厚度为3.4 um，次顶层金属厚度为0.85 um，次次顶层金属厚度为0.09 um；顶层金属与次顶层金属通过空气桥结构交叉，相对介电常数为1；次顶层金属与次次顶层金属之间的填充介质为二氧化硅，相对介电常数为4.33，填充层厚度为1.542 um。nicr tfr薄膜厚度为0.06um。所实施例中，中心工作频点均为60 ghz。
23.如图2所示的正交耦合器将四路正交输入信号合为一对差分信号，四路输入信号幅度相等，具有特定的相位排布。四个信号输入端口的线圈走向相互垂直，以减少与上层金属走线之间的耦合。该实施例中，单端信号输入端的单端阻抗为25 欧姆，两个匹配电阻为43欧姆，差分信号输出端的差分阻抗为100 欧姆。通过合理调整变压器线圈的长度以及它们之间的耦合强度，可以在特定工作频点处，同时实现阻抗变换、幅度平衡和相位正交。图3
给出了正交耦合器的s参数仿真结果，在中心频点60 ghz处，输出信号的插入损耗约为-1.1 db，幅度不平衡度约为0.1 db，第一变压器线圈1的输入端口与第二变压器线圈2的输入端口的相位差约为178.9
°
，第三变压器线圈3的输入端口与第四变压器线圈4的输入端口的相位差约为179.1
°
，第一变压器线圈1的输入端口与第三变压器线圈3的输入端口的相位差约为88.3
°
，第二变压器线圈2的输入端口与第四变压器线圈4的输入端口的相位差约为88.6
°
，正交相位不平衡度约为1.4
°
。
24.如图4所示的平衡功率合成器将来自正交耦合器的一对差分信号合成单端信号。初级线圈为1匝，次级线圈为1匝，初级线圈与次级线圈的宽度相等，相邻线圈之间的间距相同。初级线圈的两个断点处朝向线圈内部摆放，作为差分信号输入端口。该实施例中，差分输入阻抗为160欧姆，单端输出阻抗为115欧姆。图5给出了平衡功率合成器的s参数仿真结果，在中心频率60 ghz处，输出端回波损耗约为-32.29 db，插入损耗约为-0.38 db。
25.下面分别阐述单端模式下和差分模式下的正交功率合成器具体实施方法。
26.图6是本发明实施例正交功率合成器单端合成结构版图。正交功率合成器由一个正交耦合器和一个平衡功率合成器组成。图7是本发明实施例正交功率合成器单端合成结构路径图。四路输入信号分别来自四个单端功率放大器pa1、pa2、pa3、pa4的单端输出级，幅度相等，相位关系是：pa1相位分别pa3、pa4信号正交，pa3相位分别pa1、pa2信号正交，pa2相位分别pa3、pa4信号正交，pa4相位分别pa1、pa2信号正交。四个单端输入信号的输入阻抗为25欧姆，正交功率合成器的差分输出阻抗为100欧姆，两个匹配负载的阻值均为12欧姆。图8给出了本发明实施例单端合成的s参数仿真结果，可以看出，在中心频点60 ghz处，每路输出信号的插入损耗约为-1.55 db，信号输出端的回波损耗约为-30.72 db，幅度不平衡度约为0.06 db，正交端口相位相差89.89
°
，相位不平衡度约为0.11
°
。
27.图9是本发明实施例正交功率合成器差分合成结构版图，由两个正交耦合器和两个平衡功率合成器构成两个上下对称的正交功率合成器，两对差分信号通过电流合成的方式合成一对差分信号输出。图10和图11分别为本发明实施例正交功率合成器的两种差分合成结构路径图。八路输入信号分别来自四个差分功率放大器pa1、pa2、pa3、pa4的差分输出级，幅度相等，相位以90
°
间隔分布，相位组合方式灵活，不限于两种典型模式：功率放大器lua输出端的参考相位为45
°
，依次组合方式一：功率放大器45
°
相位的输出端qnu，ipd分别与功率合成器lua，lub端相连；功率放大器135
°
相位的输出端qpu，ind分别与功率合成器ldb，lda端相连；功率放大器225
°
相位的输出端qnd，ipu分别与功率合成器rua，rub端相连；功率放大器315
°
相位的输出端qpd，inu分别与功率合成器rdb，rda端相连。依次组合方式二：功率放大器45
°
相位的输出端qnu，ipd分别与功率合成器lua，lub端相连；功率放大器135
°
相位的输出端qpu，ind分别与功率合成器lda，ldb端相连；功率放大器225
°
相位的输出端qnd，ipu分别与功率合成器rua，rub端相连；功率放大器315
°
相位的输出端qpu，inu分别与功率合成器rda，rdb端相连。其中，i和q分配代表了i路信号，q路信号，n和p代表的是差分信号的+和-，u和d分别代表了up和down，l和r分别代表耦合器的左右两边。
28.具体地，隐含式输出移相和功率合成结构，在低功率模式下，为了节省直流能量，关闭一条支路，功率信号流经另一条支路。功率信号流经支路的阻抗模式进行了最佳匹配，因此具有高输出阻抗，从而提高了该模式的射频输出功率与耗散的直流功率之比（pae）。当工作在高功率模式下时，功率信号被分割，分别做正负45度移相，分割的功率信号流经耦合
结构的两个分支。信号同时放大后，移相回来。以便他们在输出端通向组合。这种新结构的独特特性在于两个路径具有完全独立的阻抗匹配网络。这两个独立的路径可以根据高低功率模式需要提供不同的输出阻抗，而不会失去所需要的相位平衡。在低功率模式下，关闭一条支路，并针对该功率模式单独优化另一个支路pa输出处的阻抗，从而在该功率模式下实现改进的pae。在高功率模式下，需要两条支路全打开来提供足够的输出功率。由于一条支路的阻抗已调整为最佳低功率工作模式性能，该模式的高阻抗特性导致该功率放大器支路表现出增益压缩；而另一功率放大器支路在功率增益压缩之前表现出增益扩展。当两个功率放大器支路组合时，相关的三阶互调失真（imd3）乘积在某些功率水平相互抵消，功率增益压缩的支路和功率增益扩展的支路都不会产生不需要的imd3。因此，功率放大器线性特性得到了显著的改善同时也进一步调整了功率放大器的负载线以增强pae。
29.其次，所述基于集成无源器件技术的双模正交功率合成器具有对称性的平衡性结构。该结构对参与匹配的分布式元器件的精度依赖小，并对由频率变化引起的功率合成器阻抗变化不敏感，因此拓展了功率放大器的带宽。另外，所述基于集成无源器件技术的双模功率功合器采用半导体制造工艺加工，并通过异构集成方法于高频功率放大器集成，集成系统的一致性和可靠性优于传统的有机物层压板封装工艺。最后，所述合成器采用高阻硅衬底材料，由此功率合成器制造成本低、插损小，频率响应宽，进一步提高了功率放大器的线性和效率。
30.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。