一种带有有源负载调制的太赫兹数字功率放大器

本发明属于无线通信，具体涉及一种带有有源负载调制的太赫兹数字功率放大器。

背景技术：

1、虽然以sub-6ghz频段和毫米波频段为主的第五代(5g)移动通信网络很大程度上满足了当前社会强烈的通信需求，但是随着现代社会的快速进步和对无线通信性能要求的不断增长，5g移动通信网络也终将难以满足微秒级别的超低延迟及tbit/s级别的超高传输速率等通信指标，所以太赫兹频段通信被认为是实现具有超高数据流量的第六代(6g)移动通信网络的关键技术之一；而数字功率放大器作为现代数字无线通信系统中的重要部件，同时集成了数字模拟转换、上变频和功率放大三种功能，在同一部件上直接完成了从数字基带信号到射频调制信号的转换，是实现高效率、高度集成化的射频微波发射机的关键技术之一。因此，对高性能太赫兹数字功率放大器架构的研究对未来我国社会有着极高的经济价值以及战略意义。

2、然而，当前的太赫兹频段的功率放大器架构受高频影响及工艺性能的限制，大多使用结构简单的传输线零度合成网络来完成功率合成，鲜少关注无源结构相对复杂的有源负载调制技术，但是日益增长数据流量需求必然使得今后的发射机系统引入愈发复杂的高阶调制技术以提高频谱利用率，因此数字功率放大器的信号通常具有较大的动态范围，而零度合成网络难以解决负载阻抗大范围波动的问题，导致在不同功率级下阻抗的失配及效率的降低，在功率状态数量较多的高阶调制下更会使得发射机系统的整体效率严重损失；此外，受实际布线限制，多路零度合成网络不同路之间走线长短的差异所导致的相位差会导致合成后功率提升的效果被削弱，这就从本质上决定了零度合成网络无法做到较多路数功率的合成(在现有的成果中通常不超过16路)，进而难以实现具有较大动态范围的数字功率放大器。

3、因此，在太赫兹频段的数字功率放大器中引入有源负载调制技术，并探究对应合适的无源合成网络架构，对于实现集成化、高效率、大动态范围的太赫兹数字发射芯片的有着重要的意义。

技术实现思路

1、针对背景技术中提到的现有技术存在的不足，本发明提供了一种带有有源负载调制的太赫兹数字功率放大器。该放大器采用差分cascode结构的功放单元，以实现数字基带信号对数字功率放大器状态的控制，完成对数字基带信号的调制和功率放大，并采用耦合线巴伦作为功率合成网络，实现了太赫兹频段下具有宽带大阻抗变比的有源负载调制，有效地提升了大动态范围的数字功率放大器的整体效率。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种带有有源负载调制的太赫兹数字功率放大器，其特征在于，包括驱动功率分配网络、m个数字功放单元、输出功率合成网络；其中，所述驱动功率分配网络将太赫兹频段的输入射频信号功率等分并由一级驱动放大器放大后传输至各路数字功放单元以保证整体增益；所述数字功放单元由数字基带信号控制，同时实现数字基带信号与射频信号的混频以及对混频后信号的功率放大；所述输出功率合成网络将来自m路数字功放单元的功率信号合成，并在不同的功率级状态下实现对数字功放单元的有源负载调制以提升效率。

4、进一步地，所述驱动功率分配网络包括输入功率分配网络和m个驱动放大器单元；其中，所述输入功率分配网络前端由一个微带线零度合成网络逆置构成，以实现功率等分，微带线零度合成网络的每一分支末端采用一组耦合线巴伦将单端射频输入信号转换为差分射频输入信号；所述驱动放大器单元由一对差分共发射极晶体管构成，并使用一对交叉耦合电容以提升驱放的增益和稳定度，所述驱动放大器单元将差分射频输入信号放大后传输至各数字功放单元。

5、进一步地，所述数字功放单元采用差分cascode结构，在共发射极晶体管与共基极晶体管之间采用一段微带线作为级间匹配，同时使用一对交叉耦合电容以提升功放的增益和稳定度；其中所述驱动功率分配网络传输的射频信号从共发射极晶体管的基极输入，数字基带信号从共基极晶体管的基极输入，从共基极晶体管的集电极输出功率放大后的混频信号；当数字信号为低电平时，数字功放单元为关断状态，不输出射频信号，当数字信号为高电平时，数字功放单元为开启状态，输出放大后的射频信号，因此，从输出信号时域波形的角度来看，每个数字功放单元具有将数字基带信号和射频信号在时域上相乘并放大的效果，即输出了经过功率放大的1bit幅度调制信号。

6、进一步地，在所述差分cascode结构中，通过并联的方式改变共发射极晶体管和共基极晶体管的数量，以改变各路数字功放单元的功率权重。

7、进一步地，当数字功率放大器的比特数为n bit时，需要2n种功率级状态；2n种功率级状态由2n路等权功放单元合成或至少n路不等权功放单元合成。

8、进一步地，所述输出功率合成网络包括巴伦合成网络和2m个预匹配电路。

9、其中，所述预匹配电路，由一截微带线构成，用于实现数字功放单元与巴伦合成网络之间的阻抗匹配；使用预匹配电路的原因在于，在太赫兹频段耦合线巴伦难以直接提供数字功放单元所需的负载阻抗(尤其是一个较大的阻抗虚部)，因此使用一截微带线将巴伦的端口阻抗匹配到功放单元所需的负载阻抗。

10、进一步地，当m个数字功放单元为不等权数字功放单元时，所述巴伦合成网络前端由m/2个二合一串联耦合线巴伦组成、后端由m/2个耦合线巴伦和多合一串联耦合线巴伦组成；每两对所述数字功放单元输出的混频信号通过预匹配电路传输至一个二合一串联耦合线巴伦合成为一路单端信号，再通过耦合线巴伦转换为差分信号并传输至多合一串联耦合线巴伦，最后合成为一路n bit幅度调制信号输出。

11、当m个数字功放单元为等权数字功放单元时，所述巴伦合成网络前端由m/2个二合一串联耦合线巴伦组成、后端由一个微带线零度合成网络构成；每两对所述数字功放单元输出的混频信号通过预匹配电路传输至一个二合一串联耦合线巴伦合成为一路单端信号，最后直接通过微带线零度合成网络合成为一路n bit幅度调制信号输出。

12、在巴伦合成网络中采用串联耦合线巴伦的结构，其优势在于：第一，耦合线巴伦本身具有易于实现宽带大阻抗变比的特点；第二，耦合线巴伦作为分布式巴伦，更适用于分布效应明显的太赫兹频段，且耦合线巴伦不使用绕线电感形成变压器，在高频下不会出现因超过自谐振频率而失效的问题；第三，串联耦合线巴伦属于一种电压合成结构，更适用于关断时输出阻抗呈现低阻状态的太赫兹频段功放的有源负载调制。

13、所设计的预匹配电路和耦合线巴伦合成网络共同作用形成的有源负载调制效果为：在最大功率级状态下匹配到各路功放单元的最优负载阻抗，在其他功率级状态下则使开启的各路功放单元的负载阻抗尽可能接近其最优负载阻抗，以保证效率损失在可接受范围内，从而提升数字功率放大器的整体效率。

14、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

15、本发明通过采用差分cascode结构的数字功放单元，在同一结构上同时实现了幅度调制和功率放大两种功能，并且可以根据实际电路的复杂度限制来调整各路数字功放单元的功率权重与总路数以形成指定比特数的数字功率放大器；此外，通过在输出功率合成网络中引入串联耦合线巴伦的结构，利用其电压合成的特性及高频下良好的宽带大阻抗变比匹配性能，实现了太赫兹频段的有源负载调制，使得数字功放单元在各个功率级状态下的匹配情况得到明显的改善，从而有效地提升了在信号动态范围较大时数字功率放大器的整体效率。