基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片

基于等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片。


背景技术：

2.启用毫米波频段是5g最重要的技术革新之一。毫米波频段由于其较高的频率以及较大的损耗特性将给物理层器件的设计带来更大的挑战。除此之外，为了进一步提升频谱资源的利用率，还将使用更加复杂的高阶调制方式以及具有更多载波数目更加复杂的载波聚合技术(carrier aggregation,ca)，这将导致调制信号的峰均比越来越高。因此，提升毫米波功率放大器在较大回退输出功率处的效率是非常有必要的。
3.此外，还将使用基于大规模天线阵列的大规模多入多出技术(multiple-input and multiple-output,mimo)以进一步提升数据的吞吐速率，同时进一步提升天线的增益以及波束汇聚的能力。4g技术中就已经开始使用mimo技术，相比于4g中传统的mimo技术，5g将采用具有更多天线单元更大规模的天线阵列(天线单元数≥64)，这样可以在相同的时频资源上提供大的阵列增益和多用户的空间复用功能。mimo技术在5g中的大规模应用使得对单功放输出功率的需求降低，对功放尺寸小型化的需求提升。基于氮化镓(gan)的高电子迁移率单片集成doherty功放芯片是满足以上需求的最佳选择之一，因而引起了广泛关注。
4.为了进一步提升doherty功放的回退范围，通常需要采用非对称架构，这就需要使用更大尺寸的峰值放大器末级晶体管。传统的毫米波非对称doherty功放直接采用单个尺寸较大的晶体管作为峰值放大器的末级晶体管，这将导致较低的增益、关断状态下较低的输出阻抗以及饱和时较低的效率。因此，十分有必要研究出一种毫米波功率放大器来解决上述问题。


技术实现要素：

5.发明目的：为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片。
6.技术方案：为实现上述技术问题，本发明提供的一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片包括：宽带输入功分器，载波放大电路、峰值放大电路、后匹配网络；其中，
7.所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；
8.所述载波放大电路由移相网络、第一输入匹配网络、驱动级载波放大器、第一级间匹配网络、功率级载波放大器、第一输出匹配网络依次级联而成，所述载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；
9.所述峰值放大电路由第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器、第二级间匹配网络、并联的功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器、第二输出匹配网络依次级联而成；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；
10.载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与后匹配网络的输入端连接；后匹配网络的输出端连接射频信号的输出端。
11.所述的峰值放大电路中，并联的功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器采用等效并联管芯结构，其包括两个尺寸均为n
×
wg的晶体管；功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器的总栅宽为n
’×wg’，根据需要的回退范围及饱和功率确定；功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器的尺寸与总栅宽之间的需要满足如下关系：
12.n
′×
wg′
＝2
×n×
wg13.其中n在确保wg不违反工艺规则的情况下，设置为工艺所允许的最大栅指数目。
14.所述的第一输出匹配网络由功率级载波放大器的第一输出电容和紧随其后的载波输出匹配网络级联而成。
15.所述的第二输出匹配网络由功率级第一峰值放大器的第二输出电容、功率级第二峰值放大器的第三输出电容、第一并联谐振电感、第二并联谐振电感、第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和第三阻抗变换线构成；其中，功率级第一峰值放大器的输出端分别接第二输出电容、第一并联谐振电感和第一阻抗变换线；功率级第二峰值放大器的输出端分别接第三输出电容、第二并联谐振电感和第二阻抗变换线，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的另一端合并后接第三阻抗变换线。
16.所述的第一输入匹配网络与第一外部供电端连接；所述第一级间匹配网络与第二外部供电端以及第一外部供电端连接；所述第一输出匹配网络与第二外部供电端连接；所述第二输入匹配网络与第三外部供电端连接；所述第二级间匹配网络与第二外部供电端以及第三外部供电端连接；所述第二输出匹配网络与第二外部供电端连接。
17.所述的驱动级载波放大器、功率级载波放大器、驱动级峰值放大器以及功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器均为高电子迁移率晶体管。
18.所述的第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和第三阻抗变换线均为四分之一波长。
19.有益效果：相对现有技术而言，本发明具有如下优点：
20.1、采用等效并联管芯结构，解决了传统毫米波非对称doherty功放中峰值放大器功率级大尺寸晶体管增益较低、关断状态下输出阻抗小以及饱和效率偏低等问题；
21.2、将载波放大器功率级晶体管的输出电容吸收进紧随其后的等效四分之一波长线网络；而将峰值放大器功率级晶体管的输出电容进行谐振抵消可以进一步展宽毫米波doherty功放的带宽。
22.总体而言，本发明提供的基于等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片，回退范围较大，回退及饱和效率高，在较宽的频率范围内具有良好的doherty特性，可以很好地作为毫米波功率放大器件广泛应用在第五代移动通信毫米波大规模mimo系统中。
附图说明:
23.图1为本实施例的一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片的电路结构原理框图；
24.图2为本发明具体实施方式中采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器(右)与传统结构(左)对比图；
25.图3为本发明具体实施方式中采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器与采用
传统结构的功率级峰值放大器在关断状态时的输出阻抗仿真结果对比；
26.图4为本发明具体实施方式中采用等效并联栅宽结构功率级峰值放大器与采用传统结构功率级峰值放大器的毫米波非对称doherty功放在饱和时峰值放大器与载波放大器的基波电流比仿真结果对比；
27.图5为本发明具体实施方式中联栅宽结构功率级峰值放大器与采用传统结构功率级峰值放大器的毫米波非对称doherty功放的饱和功率、效率以及回退效率随频率变化的仿真曲线。
28.图中有：宽带输入功分器1，载波放大电路2、峰值放大电路3、后匹配网络4；移相网络21、第一输入匹配网络22、第一级间匹配网络23、第一输出匹配网络24、载波输出匹配网络241；第二输入匹配网络31、第二级间匹配网络32、第二输出匹配网络33；驱动级载波放大器t1、功率级载波放大器t2、驱动级峰值放大器t3、功率级第一峰值放大器t4、功率级第二峰值放大器t5；射频信号输入端rfin、射频信号的输出端rfout；第一阻抗变换线tl1、第二阻抗变换线tl2、第三阻抗变换线tl3；宽带输入功分器的第一输出端out1、宽带输入功分器的第二输出端out2；第一输出电容c
out,c1
、第二输出电容c
out,p2
、第三输出电容c
out,p3
；第一并联谐振电感l1、第二并联谐振电感l2；第一外部供电端v
g1
、第二外部供电端vd、第三外部供电端v
g2
。
具体实施方式
29.下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以下实施列对本发明不构成限定。
30.本实施例提供的等效并联管芯结构的毫米波非对称doherty功放芯片，如图1所示，其包括：
31.宽带输入功分器，所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；
32.载波放大电路，载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；所述载波放大电路主要由移相网络、第一输入匹配网络、驱动级载波放大器t1、第一级间匹配网络、功率级载波放大器t2、第一输出匹配网络依次级联而成；
33.峰值放大电路，峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；所述峰值放大电路主要由第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器t3、第二级间匹配网络、功率级第一峰值放大器t4、功率级第二峰值放大器t5、第二输出匹配网络依次级联而成；
34.后匹配电路，载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与后匹配电路的输入端连接；后匹配电路的输出端与射频信号的输出端连接；
35.本发明中的宽带输入功分器、移相网络、第一输入匹配网络、第一级间匹配网络、第二输入匹配网络、第二级间匹配网络、载波输出匹配网络以及后匹配网络，均可采用现有技术或本领域常规技术手段实现。
36.所述第一输出匹配网络由功率级载波放大器t2的第一输出电容c
out,c1
和紧随其后的载波输出匹配网络级联而成；
37.所述的采用等效并联管芯结构的功率级峰值放大器，其包括两个尺寸均为n
×
wg的晶体管即功率级第一峰值放大器t4、功率级第二峰值放大器t5；功率级第一峰值放大器
t4、功率级第二峰值放大器t5的总栅宽为n
’×wg’根据需要的回退范围及饱和功率确定；功率级第一峰值放大器t4、功率级第二峰值放大器t5的尺寸与总栅宽之间的需要满足如下关系：
38.n
′×
wg′
＝2
×n×
wg39.其中n在确保wg不违反工艺规则的情况下，设置为工艺所允许的最大栅指数目。
40.所述的第二输出匹配网络由功率级第一峰值放大器t4、功率级第二峰值放大器t5的第二输出电容c
out,p2
、第三输出电容c
out,p3
、它们各自对应的并联的第一并联谐振电感l1、第二并联谐振电感l2、四分之一波长第一阻抗变换线tl1、第二阻抗变换线tl2、第三阻抗变换线tl3级联而成。
41.图2是采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器与传统结构对比图。其中左侧的是采用传统结构的功率级峰值放大器晶体管结构而右图是采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器结构。
42.图3是采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器与采用传统结构的功率级峰值放大器在关断状态时的输出阻抗仿真结果对比。从图3可以看出，采用等效并联管芯结构可以有效提升在关断状态下功率级峰值放大器的输出阻抗。
43.图4是采用等效并联栅宽结构功率级峰值放大器与采用传统结构功率级峰值放大器的毫米波非对称doherty功放在饱和时峰值放大器与载波放大器的基波电流比仿真结果对比。从图4可以看出，采用等效并联栅宽结构可以有效提升毫米波非对称doherty功放在饱和时的基波电流比，进而增强负载调制。
44.图5为采用等效并联栅宽结构功率级峰值放大器与采用传统结构功率级峰值放大器的毫米波非对称doherty功放的大信号特性仿真结果。从图5可以看出，采用等效并联栅宽结构可以有效提升毫米波非对称doherty功放的整体性能。本具体实施方式的doherty功放芯片的中心频率为26ghz，带宽为4ghz，全频带饱和功率为37.6-38.4dbm，饱和效率为32.5-35.4％。8-db回退效率为20.2-31.7％。低功率区的功率增益大于14.9db，仿真结果呈现出了良好的doherty功放特性。
45.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。