一种用于汽车雷达系统的77GHz功率放大器的制作方法

本发明涉及一种雷达功率放大器，尤其涉及一种用于汽车雷达系统的77GHz功率放大器，属于无线电子通信技术领域。

背景技术：

随着汽车工业的发展，汽车安全性能受到厂商和消费者越来越多的重视。汽车交通事故频发，造成了重大的生命、财产损失，汽车的行驶安全问题也得到了社会的广泛关注，我国是多自然灾害的国家，经常某个地区出现长久的多雾天气，尤其是在高速公路上行驶的车辆，遇到雾天或者雨天，由此产生的汽车追尾造成的交通事故极易发生。人们对汽车防碰撞、自适应巡航、盲区监测和辅助驾驶等功能不断提出新的要求，汽车毫米波雷达系统应运而生。毫米波是指频率在30GHz到300GHz之间的电磁波，由于它具有波长短、频带宽、方向性好和穿透能力强等优点，已在许多方面均有应用。毫米波雷达防撞探测方式克服了激光和超声波雷达探测方式中恶劣环境适应性差的缺点。毫米波雷达普遍使用的是连续频率调制(CWFM)，从目标反射回来信号的调制频率相对于发射信号的调制频率有个时间上的延迟，利用这个延迟来判断与目标之间的距离。

当碰撞不可避免时，通过对刹车、头靠、安全带等进行控制，减轻因碰撞而带来的危害，极大程度的减少人身及财产安全的事故发生。

在传统的防撞探测系统中，通常采用激光和超声波雷达探测并获取车辆周围环境信息，由于防撞探测系统的工作环境十分复杂，周围地物的干扰、恶劣的气象条件以及工业现场大量的粉尘干扰，都会严重制约激光和超声波方式的目标检测能力。

究其原因，主要是因为：汽车毫米波雷达系统主要包括接收系统和发射系统，功率放大器作为发射机的关键部分，一直是77GHz汽车毫米波雷达系统中的设计难点。

现有77GHz功率放大器设计常采用 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor的英文缩写）、SiGe BiCMOS（SiGe BiCMOS工艺集成技术,是在制造电路结构中的双极晶体管时,在硅基区材料中加入一定含量的锗,形成应变硅异质结构晶体管,以改善双极晶体管特性的一种硅基工艺集成技术）、GaAs工艺。CMOS工艺成本最低，但其面临着诸多挑战。其主要挑战是CMOS 工艺无源元件的低Q值造成能量在无源元件中较多的损耗，以及先进的工艺节点的CMOS晶体管的低击穿电压造成放大器的输出摆幅较小，而且CMOS晶体管因为热载流子效应很难制造出高线性度的应用于77GHz汽车毫米波雷达系统的功率放大器。GaAs工艺性能最好，但是制造成本昂贵。SiGe BiCMOS工艺与CMOS工艺完全兼容，而且具有较高击穿电压和截止频率而越来越受到重视。

在77GHz功率放大器的研究方面，国内外已经进行了广泛的研究，传统的77GHz功率放大器普遍存在的问题是输入输出匹配网络损耗较大，增益低，输出功率低和功耗大。现有77GHz汽车毫米波雷达系统方案中的射频收发机大多采用多款芯片组合来实现，存在体积大，功耗大，一致性差，成本较高等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决77GHz汽车毫米波雷达系统的功率放大器由于采用多款芯片的组合而存在线性度低、体积大、高功耗、高成本、集成度低的技术问题，本发明提供一种全集成的用于汽车雷达系统的77GHz功率放大器，提高系统稳定性，消除外界环境对天线及汽车防碰撞雷达的影响。

本发明的技术方案是这样实现的：一种用于汽车雷达系统的77GHz功率放大器，其电路主要由增益放大器和匹配网络组成；增益放大器为四级；匹配网络包括与增益放大器输入端相连的输入匹配网络、四级增益放大器之间的级间匹配网络和与增益放大器输出端相连的输出匹配网络；四级增益放大器均为AB类差分功率放大器，功率放大器的输出与差分天线直连，不需要片上巴伦进行转接，从而节省芯片面积；匹配网络为传输线和MIM电容相配合的匹配方式。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的匹配网络中采用50Ω特征阻抗的慢波传输线。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的AB类差分功率放大器包括两路相同的单端放大电路。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的四级增益放大器中包括电阻TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10、TL11和TL12，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10，晶体管Q1、Q2、Q3和Q4；其电路连接方式为：电容C1、C3、C5、C7和C9的一端接地，另一端接VDDa，电阻TL1的一端接信号输入端，另一端接VDDa；电阻TL2的一端与TL1并联接输入端，另一端接电容C2；电阻TL3的一端接晶体管Q1，另一端接VDDa；电阻TL4一端与电阻TL3并联，另一端接电容C4；电阻TL5一端接晶体管Q2，另一端接VDDa；电阻TL6的一端与TL5并联，另一端通过电容C6与电阻TL7串联；电阻TL8的一端与晶体管Q3相连，另一端接VDDa；电阻TL9的一端并联TL8，另一端通过电容C8与电阻TL10串联；电阻TL11的一端与晶体管Q4相连，另一端接VDDa；电阻TL12的一端与电阻TL11并联，另一端通过电容C10信号输出。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的电阻TL1、TL2和电容C2实现输入匹配到50Ω。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的电阻TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10以及电容C4、C6和C8实现级间匹配，使放大电路每一级获得最大增益并传输到后级。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的电容C1、C3、C5、C7和C9为电源滤波电容。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的晶体管Q1、Q2和Q3为放大晶体管，对信号进行放大处理。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的晶体管Q4、电阻TL11、TL12和电容C10实现输出匹配到50欧姆。

作为一种优选方式，本发明所述功率放大器中所述的晶体管Q1、Q2、Q3和Q4均采用1个发射极，且使用最小发射极宽度，晶体管偏置到各自的最大频率fmax处。

本发明的有益效果：本发明所述的功率放大器电路采用AB类差分功率放大器结构，差分功率放大器的输出与差分天线直接相连，不需要片上巴伦进行转接，从而节省芯片面积，回波损耗低于-15dB，电路总增益为15dB，输出1dB压缩点功率为15dBm，PAE达到15%；是一种全集成、高线性度、低成本、体积小且一致性好的功率放大器。

附图说明

图1是本发明77GHz功率放大器的电路结构示意图。

图2是本发明77GHz功率放大器的单端电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

如图1、2所示，一种用于汽车雷达系统的77GHz功率放大器，采用SiGe BiCMOS工艺设计，在77GHz频率下，衬底对信号的衰减较大，功率放大器的增益和输出功率都受到严重限制，因此，在本发明中的功率放大器采用四级级联共射放大结构，以提高功率放大器电路电压增益和输出功率。

电路由四级增益放大器以及输入匹配网络，级间匹配网络和输出匹配网络组成。功率放大器电路采用AB类差分功率放大器结构，AB类差分功率放大器的输出与差分天线直接相连，不需要片上巴伦进行转接，从而节省芯片面积。AB类差分功率放大器由两路相同的单端放大电路实现，单端放大电路原理图见图２，图2中的偏置电路没有给出。功率放大器的匹配网络采用了传输线（50Ω特征阻抗）和MIM电容相配合的匹配方式。因SiGe BiCMOS工艺中衬底对微波信号衰减较大，匹配网络的损耗在毫米波电路中需要重点考虑，匹配网络不仅影响毫米波电路增益，而且影响功率放大器输出功率和效率。为了减小匹配网络的损耗，匹配网络中采用了慢波传输线。

本发明所述功率放大器中所述的四级增益放大器中包括电阻TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10、TL11和TL12，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10，晶体管Q1、Q2、Q3和Q4；其电路连接方式为：电容C1、C3、C5、C7和C9的一端接地，另一端接VDDa，电阻TL1的一端接信号输入端，另一端接VDDa；电阻TL2的一端与TL1并联接输入端，另一端接电容C2；电阻TL3的一端接晶体管Q1，另一端接VDDa；电阻TL4一端与电阻TL3并联，另一端接电容C4；电阻TL5一端接晶体管Q2，另一端接VDDa；电阻TL6的一端与TL5并联，另一端通过电容C6与电阻TL7串联；电阻TL8的一端与晶体管Q3相连，另一端接VDDa；电阻TL9的一端并联TL8，另一端通过电容C8与电阻TL10串联；电阻TL11的一端与晶体管Q4相连，另一端接VDDa；电阻TL12的一端与电阻TL11并联，另一端通过电容C10信号输出。

其中：电阻TL1、TL2和电容C2的作用是实现输入匹配到50Ω；电阻TL3-TL10以及电容C4、C6和C8实现级间匹配，使放大电路每一级获得最大增益并传输到后级；电容C1、C3、C5、C7和C9为电源滤波电容；晶体管Q1-Q3为放大晶体管，对信号进行放大处理，使用成指数递增的晶体管尺寸，这样能够确保后级放大电路比前几放大电路增加3dB增益，有效克服衬底对信号的损耗；晶体管Q4、电阻TL11、电阻TL12和电容C10实现输出匹配到50欧姆，为了实现输出功率最大，输出匹配网络结合了负载牵引技术。所有晶体管晶体管Q1-Q4均采用1个发射极，且使用最小发射极宽度，晶体管尽可能偏置到它们各自的最大频率fmax。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。