[發明專利]基于八路完全對稱變壓器功率合成的片上功率放大器

有效

• 申請號: 201310223522.3
• 申請日: 2013-06-06
• 公開（公告）號: CN103281040A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 郭開喆;康凱;黃鵬;余益明
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03F3/20
• 分類號: H03F3/20;H03F3/45
• 代理公司: 成都頂峰專利事務所(普通合伙) 51224
• 代理人: 楊軍

技術領域

?本發明涉及一種片上功率放大器，具體地說，是涉及一種基于八路完全對稱變壓器功率合成的片上功率放大器。

背景技術

隨著社會的進步與發展，人們希望能夠不受時間、空間限制，快速、方便、高效的進行交流，因而，無線電技術應運而生；隨著技術的進步，人們對信息傳輸速率提出了更高要求，而毫米波技術恰恰能實現高速無線通信。

眾所周知，收發機是實現無線通訊的必要設備，而功率放大器則是發射機中極為重要的組成部分，功率放大器作為發射機的最后一級，對整個系統的性能起著至關重要的作用，目前，無線通訊收發機中唯一難以集成在收發機中的即是功率放大器，這主要是由于隨著頻率升高，放大器的增益越來越低，無源器件的損耗也越來越大，因而利用CMOS技術設計出能夠輸出較大功率，具有較大增益的功率放大器越來越難。隨著集成電路技術的發展，晶體管的特征尺寸越來越小，這使得利用CMOS工藝設計毫米波集成電路成為可能，同時，集成電路特征尺寸的減小也為功率放大器的設計帶來了挑戰，這主要表現在隨著特征尺寸的減小，晶體管的擊穿電壓越來越低，晶體管擊穿電壓的降低會導致設計高輸出功率的功率放大器越來越難，而目前能有效解決這種矛盾的方法是采用功率合成技術。

現有的功率合成方法主要有利用威爾金森功率合成器實現功率合成和利用變壓器實現功率合成等。然而，由于威爾金森功率合成器所占面積較大，不適合應用于集成電路中，因而采用片上變壓器實現功率合成是較為理想的方法，一般的用于實現功率合成的功率放大器雖然具有較高的增益，但輸出功率卻無法滿足遠距離無線通訊的要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于八路完全對稱變壓器功率合成的片上功率放大器，主要解決現有技術中存在的片上功率放大器的輸出功率較低，同時分布式變壓器的平衡性較差，無法滿足遠距離無線通訊的要求的問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

基于八路完全對稱變壓器功率合成的片上功率放大器，包括將單端信號轉換為差分信號、且具有輸入匹配功能的輸入巴倫，與輸入巴倫相連、將接收到的信號進行放大的放大電路，與放大電路相連、將接收到的四路差分信號進行功率合成的分布式片上變壓器，與分布式片上變壓器相連、將接收到的差分信號轉換為單端信號輸出的輸出巴倫，所述放大電路的級間連接有匹配電路。

具體地說，所述輸入巴倫包括上下耦合的第一原線圈和第一副線圈，第一原線圈一端接輸入信號另一端接地，第一副線圈兩端輸出、且平衡信號端口并聯有短路微帶線；所述輸出巴倫包括上下耦合的第二原線圈和第二副線圈，第二原線圈的兩端接分布式片上變壓器的差分信號輸出端口、且第二原線圈的平衡信號端口并聯有開路微帶線，第二副線圈一端輸出、另一端接地。

進一步地，所述匹配電路包括電路U1和電路U2，以及連接于電路U1和電路U2之間的電容C，所述電路U1和電路U2均為T型微帶線結構。

本發明中，所述分布式片上變壓器由沿x軸、y軸對稱且具有八路信號端口的第三原線圈和沿x軸、y軸對稱且具有兩路信號端口的第三副線圈構成，所述第三副線圈上與兩路信號端口中心對稱的位置處設置有一對用以提高分布式片上變壓器輸出端口平衡性的懸浮的金屬條；所述第三副線圈由兩路并聯交叉環繞為沿x軸、y軸對稱結構的線圈構成。

考慮到實際需求，所述第三原線圈上的虛地點設置有用于進行直流電饋入的饋電點，此饋電點即為分布式片上變壓器的原線圈的中心抽頭。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

（1）本發明中采用全差分放大電路，且每級放大器級間匹配電路采用片上微帶線實現，最后一級采用分布式片上變壓器實現功率合成，該分布式片上變壓器具有對稱結構，具有較好的幅度平衡性和相位平衡性，能實現四路差分信號的高效率合成，因而能夠充分確保本發明具有較高的增益和輸出功率，且在功率放大器的差分輸出端連接有測試巴倫，使得功率放大器的測試較為方便，符合實際需求。

（2）本發明中，在放大電路間設置有由微帶線和電容構成的匹配電路，該匹配電路不僅能夠實現電路的阻抗匹配，而且能夠將接收到的一路信號分為兩路信號，因而在實現阻抗匹配的同時亦能給電路添加適當的偏置，進而提高整體性能，能夠滿足遠距離無線通訊的要求，設計較為巧妙。

（3）本發明將分布式片上變壓器的原線圈和副線圈均設置為對稱結構，且在副線圈的兩路信號端口的對稱面設置了一對與其電結構對稱的懸浮的金屬條，通過該種完全對稱結構的設置有效提高了變壓器各個端口的平衡性，使得本發明適用于功率合成、功率分配和阻抗變換等，符合實際需求。