一种采用功率合成技术的W波段功率放大器

本发明属于毫米波集成电路领域，具体涉及一种采用功率合成技术的w波段功率放大器。

背景技术：

1、在通信和雷达领域，毫米波正逐渐成为炙手可热的话题。毫米波的优势主要体现在其大带宽、高传输速率、高分辨率的测距以及具有更多优质的频谱资源上。毫米波的高频率使其能够提供更大的带宽，有助于实现高速数据传输，满足日益增长的无线通信需求。由于毫米波的波长较短，传输过程中易受阻挡和散射，因此可以实现高分辨率的雷达探测。另外，由于在之前的探测和信号传输中很少使用毫米波频段，因此具备更多可用的频谱资源。尽管毫米波也面临着传输过程损耗大的挑战，但是94ghz作为天然的大气窗口，该频段的电磁波在大气中衰减很小，因此该频段的毫米波雷达具备带宽大、传输速率高、传输距离远等优点，为毫米波的应用开启了更广阔的发展空间。

2、毫米波发射机中的功率放大器在整个系统中扮演着至关重要的角色。功率放大器用于将毫米波信号增强到足够的功率水平，以克服信号在传输过程中的衰减，实现其远距离的传输和探测功能。功率放大器除了提供高输出功率，还需要具备高线性度和高效率的特点。高线性度用来保证信号的准确性和清晰度，避免产生信号失真；高效率则保证最大程度地利用电能，减少不必要的热量产生，从而提高功率放大器的可靠性。在毫米波频段，尤其是w波段(波长介于1～10mm，对应的频率范围为20～300ghz)下，单个晶体管的放大功能已经远远达不到要求，通过将多个晶体管堆叠起来可以提高功率放大器的输出功率。但是随着晶体管堆叠数量的增多，体效应导致了晶体管之间的失配增大，进而导致输出功率趋于饱和，效率也会随着晶体管堆叠层数的增大而降低，所以两管或者三管堆叠是比较好的选择。基于传输线和变压器的功率合成技术是毫米波功率放大器的常用技术，但是功率合成网络通常占用较大的芯片面积且有一定的损耗，如何设计出小型化低损耗的功率合成网络也成为当前毫米波功率放大器的研究热点。因此，需要一种工作在w波段的高线性度和高效率的功率放大器

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种采用功率合成技术的w波段功率放大器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种采用功率合成技术的w波段功率放大器，包括：无源网络、两路差分驱动放大器、两路差分输出放大器和线性化偏置电路；

3、所述无源网络包括：功率分配网络、级间匹配网络和功率合成网络；

4、所述功率分配网络用于从输入端in输入射频输入信号，并将所述射频输入信号in分成幅度和相位相同的两组差分输出信号；

5、每一路所述差分驱动放大器用于输入一组所述差分输出信号，并对所述差分输出信号进行功率放大，得到一组第一放大差分信号；

6、所述级间匹配网络用于接收两组所述第一放大差分信号，将两路差分驱动放大器的输出端与两路差分输出放大器的输入端之间的阻抗进行匹配，以将两组所述第一放大差分信号转换为两组级间匹配信号；

7、所述差分输出放大器用于对所述两组级间匹配信号分别进行功率放，得到两组第二放大差分信号；

8、所述功率合成网络用于将所述两组第二放大差分信号合成为一路射频输出信号并从输出端out输出；

9、所述线性化偏置电路用于为所述差分驱动放大器和所述差分输出放大器提供偏置电压；

10、其中，所述差分驱动放大器和所述差分输出放大器均采用两个晶体管堆叠的stack结构。

11、在本发明的一个实施例中，所述功率分配网络包括：集总功率分配器和两个3-t输入巴伦；

12、所述集总功率分配器的输入端作为所述w波段功率放大器的输入端in，输入射频输入信号，输出两路幅度和相位均相同的输入信号；

13、每个所述3-t输入巴伦输入一路所述输入信号，输出一组差分输出信号至一路所述差分驱动放大器。

14、在本发明的一个实施例中，所述集总功率分配器包括：电感l1、电容c1_1、电容c1_2、电阻r1、电感l2_1和电感l2_2；

15、所述电感l1的第一端分别连接所述电容c1_1的第一极板和所述电容c1_2的第一极板，并作为所述集总功率分配器的输入端；所述电感l1的第二端连接接地端gnd；

16、所述电容c1_1的第二极板分别连接所述电阻r1的第一端和所述电感l2_1的第一端；

17、所述电容c1_2的第二极板分别连接所述电阻r1的第二端和所述电感l2_2的第一端；

18、所述电感l2_1的第二端和所述电感l2_2的第二端分别连接两个所述3-t输入巴伦的输入端。

19、在本发明的一个实施例中，所述3-t输入巴伦包括：传输线t1_1和传输线t1_2、传输线t2_1、电容decap1和电容decap2；

20、所述传输线t2_1的第一端连接所述电感l2_1的第二端，所述传输线t2_1的第二端连接所述传输线t1_1的第一端，并作为所述功率分配网络的第一正相输出端in_p1；

21、所述传输线t1_1的第二端连接所述电容decap1的第一极板，所述电容decap1的第二极板连接所述接地端gnd；

22、所述传输线t1_2的第一端作为所述功率分配网络的第一反相输出端in_n1，第二端连接所述电容decap2的第一极板；所述电容decap2的第二极板连接所述接地端gnd。

23、在本发明的一个实施例中，所述差分驱动放大器包括两个驱动差分子放大器，每个所述差分子放大器分别输入一组所述差分输出信号；

24、每个所述差分子放大器均包括：电容c2_1、电阻rb1-1、晶体管q1、电感l3_1、晶体管q3、电容cb1_1、电阻rb2_1、电感l4_1、电容c2_2、电阻rb1-2、晶体管q2、电感l3_2、晶体管q4、电容cb1_2、电阻rb2_2和电感l4_2；

25、所述电容c2_1的第一极板连接所述功率分配网络的反相输出端in_n1，第二极板分别连接所述电阻rb1-1的第一端和所述晶体管q1的基极；

26、所述电阻rb1-1的第二端连接所述线性化偏置电路的偏置电压信号端；

27、所述晶体管q1的发射极连接所述接地端gnd，集电极连接所述电感l3_1的第一端；所述电感l3_1的第二端连接所述晶体管q3的发射极；所述晶体管q3的基极分别连接所述电容cb1_1的第一极板和所述电阻rb2_1的第一端；

28、所述电容cb1_1的第二极板连接所述接地端gnd；所述电阻rb2_1的第二端连接外部供电电压端；

29、所述晶体管q3的集电极连接所述电感l4_1的第一端，所述电感l4_1的第二端作为所述差分驱动放大器的第一反相输出端out_n1；

30、所述电容c2_2的第一极板连接所述功率分配网络的第一正相输出端in_p1，第二极板分别连接所述电阻rb1-2的第一端和所述晶体管q2的基极；

31、所述电阻rb1-2的第二端连接所述线性化偏置电路的偏置电压信号端；

32、所述晶体管q2的发射极连接所述接地端gnd，集电极连接所述电感l3_2的第一端；所述电感l3_2的第二端连接所述晶体管q4的发射极；所述晶体管q4的基极分别连接所述电容cb1_2的第一极板和所述电阻rb2_2的第一端；

33、所述电容cb1_2的第二极板连接所述接地端gnd；所述电阻rb2_2的第二端连接外部供电电压端；

34、所述晶体管q4的集电极连接所述电感l4_2的第一端，所述电感l4_2的第二端作为所述差分驱动放大器的第一正相输出端out_p1。

35、在本发明的一个实施例中，所述级间匹配网络包括：两个3-t变压器，每个所述3-t变压器均输入一组第一差分放大信号；

36、每个所述3-t变压器均包括：传输线t3_1、传输线t3_2、传输线t4_1、电容decap5和电容decap6；

37、所述传输线t3_1的第一端作为所述级间匹配网络的第一正相输出端in_p3，第二端连接所述电容decap5的第一极板，所述电容decap5的第二极板连接所述接地端gnd；

38、所述传输线t3_2的第一端作为所述级间匹配网络的第一反相输出端in_n3，第二端连接所述电容decap6的第一极板，所述电容decap6的第二极板连接所述接地端gnd；

39、所述传输线t4_1的第一端所述差分驱动放大器的第一反相输出端out_n1，所述传输线t4_1的第二端连接所述差分驱动放大器的第一正相输出端out_p1，所述传输线t4_1的中部连接电源电压端vdd。

40、在本发明的一个实施例中，所述差分输出放大器包括：两个差分输出子放大器；

41、其中，每个所述差分输出子放大器均包括：第一高通rc滤波器、电阻rb3_1、晶体管q5、电感l5_1、晶体管q7、电容cb2_1、电阻rb4_1、电感l6_1、第二高通rc滤波器、电阻rb3_2、晶体管q6、电感l5_2、晶体管q8、电容cb2_2、电阻rb4_2、电感l6_2；

42、所述第一高通rc滤波器的第一端连接所述传输线t3_2的第一端，第二端分别连接所述电阻rb3_1的第一端和所述晶体管q5的基极；

43、所述电阻rb3_1的第二端连接所述线性化偏置电路的偏置电压信号端；

44、所述晶体管q5的发射极连接所述接地端gnd，集电极连接所述电感l5_1的第一端；

45、所述电感l5_1的第二端连接所述晶体管q7的发射极；

46、所述晶体管q7的基极分别连接所述电容cb2_1的第一极板和所述电阻rb4_1的第一端，所述晶体管q7的集电极连接所述电感l6_1的第一端；

47、所述电容cb2_1的第二极板连接所述接地端gnd；所述电阻rb4_1的第二端连接外部供电电压端；所述电感l6_1的第二端作为所述差分输出放大器的第一反相输出端out_n3；

48、所述第二高通rc滤波器的第一端连接所述传输线t3_1的第一端，第二端分别连接所述电阻rb3_2的第一端和所述晶体管q6的基极；

49、所述电阻rb3_2的第二端连接所述线性化偏置电路的偏置电压信号端；

50、所述晶体管q6的发射极连接所述接地端gnd，集电极连接所述电感l5_2的第一端；

51、所述电感l5_2的第二端连接所述晶体管q8的发射极；

52、所述晶体管q8的基极分别连接所述电容cb2_2的第一极板和所述电阻rb4_2的第一端，所述晶体管q8的集电极连接所述电感l6_2的第一端；

53、所述电容cb2_2的第二极板连接所述接地端gnd；所述电阻rb4_2的第二端连接外部供电电压端；所述电感l6_2的第二端作为所述差分输出放大器的第一同相输出端out_p3。

54、在本发明的一个实施例中，所述功率合成网络包括：集总功率合成器和两个3-t输出巴伦；

55、所述两个3-t输出巴伦分别输入一组第二差分放大信号，输出端连接所述功率合成器；

56、所述功率合成器的输出端作为w波段功率放大器的输出端out，输出射频输出信号。

57、在本发明的一个实施例中，所述集总功率合成器包括：电容c4、电感l7_1、电感l7_2、电阻r2和电容c3；

58、所述电容c4的第一极板分别连接所述电感l7_1的第一端和所述电感l7_2的第一端，并作为所述功率合成网络的输出端；所述电容c4的第二极板连接所述接地端gnd；

59、所述电感l7_1的第二端分别连接所述电阻r2的第一端和所述电容c3的第一极板；

60、所述电感l7_2的第二端分别连接所述电阻r2的第二端和所述电容c3的第二极板。

61、在本发明的一个实施例中，每个所述3-t输出巴伦均包括：传输线t5_1和传输线t5_2、传输线t6_1、电容decap9和电容decap10；

62、所述传输线t6_1的第一端连接所述电阻r2的第一端，所述传输线t6_1的第二端连接所述传输线t5_1的第一端；

63、所述传输线t5_1的第一端连接所述差分输出放大器的第一同相输出端out_p3；

64、所述传输线t5_1的第二端连接所述电容decap9的第一端，所述电容decap9的第二端连接所述接地端gnd；

65、所述传输线t5_2的第一端连接所述差分输出放大器的第一反相输出端out_n3；

66、所述传输线t5_2的第二端连接所述电容decap10的第一端，所述电容decap10的第二端连接所述接地端gnd。

67、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

68、1.本发明的采用功率合成技术的w波段功率放大器，工作在92～96ghz，使用两管堆叠的stack结构作为输出放大器和驱动放大器的有源结构，使用线性化偏置电路供电，它在毫米波频段时仍然具有优异的性能，线性度、饱和输出功率、功率附加效率和功率增益等指标均可以达到很高的水平。

69、2.本发明的采用功率合成技术的w波段功率放大器，采用的3-t巴伦有效地降低了变压器合成时导致的损耗，在保持小型化的同时，还保持着差分信号良好的幅度和相位不平衡性能。采用3-t变压器进行级间匹配，抛弃了传统的上下叠层变压器，与输入巴伦和输出巴伦在结构上保证一致性。

70、3.本发明的采用功率合成技术的w波段功率放大器，使用两种结构不同的集总功率分配器与集总功率合成器，可以根据功率分配端口距离的远近灵活选择集总功率分配器/集总功率合成器的结构，使设计更加灵活。

71、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。