CN110719078A - 一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器 - Google Patents
一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，包括输入预失真线性化差分放大网络、第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络、输出差分转单端匹配网络，本发明核心架构采用二路合成的末级大功率放大网络在毫米波频段具备高功率、高效率、高增益特性，同时利用差分放大结构的高频寄生参数抑制特性，以及结合了输入预失真线性化差分放大网络的模拟预失真线性化技术，使得整个功率放大器在汽车雷达应用的频段获得了良好的高增益、高效率、高线性度和高功率输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对汽车雷达系统的收发机发射模块应用的高功率高效率高线性度功率放大器。
背景技术
随着汽车雷达系统和射频微波电路的快速发展，汽车雷达射频前端收发器也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此市场迫切的需求汽车雷达发射机的功率放大器具有高输出功率、高线性度、高增益、高效率、低成本等性能。然而，当采用集成电路工艺设计实现汽车雷达系统功率放大器芯片电路时，其性能受到了一定制约，主要体现：
(1)高功率、高效率能力受限：传统功率放大器采用多路并联合成结构，或者是分布式结构，这两种结构的合成效率有限，导致一部分功率损耗在合成网络中，限制了高功率、高效率能力。
(2)线性度指标、高效率能力受限：传统功率放大器受到晶体管寄生非线性电容的影响，尤其是在接近饱和工作时，线性度指标较低，因此往往需要进行功率回退，牺牲高功率输出能力和高效率指标，来改善线性度指标。
高功率高效率高线性度放大器的典型的方法是采用数字预失真结合Doherty功率放大器的结构，但是这种方法也存在一定的局限性，传统数字预失真结合Doherty功率放大器的结构在汽车雷达系统应用频段时，往往受到晶体管寄生参数，数字预失真系统的带宽等局限性，对于线性度和效率的改善较为有限，同时其电路结构较为复杂，不利于低成本指标。同时，基于传统单个晶体管结构或Cascode晶体管的在实现汽车雷达系统应用频段放大器时，往往增益较低，如果采用传统模拟预失真的方法，则需要牺牲一定的增益来改善线性度，这更加恶化了此类解决方案的增益指标。
由此可以看出，基于集成电路工艺实现汽车雷达系统应用的高功率高效率高线性度放大器设计难点为：高功率、高效率输出难度较大；线性度指标、高效率能力受限存在很多局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，结合了晶体管堆叠技术、差分放大器技术、模拟预失真线性化技术的优点，具有在汽车雷达应用频段高功率、高效率、高线性度且成本低等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，包括输入预失真线性化差分放大网络、第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络和输出差分转单端匹配网络；
输入预失真线性差分放大网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端和第二输出端分别与第一末级大功率放大网络和第二末级大功率放大网络的输入端连接，输入预失真线性差分放大网络的第一输出端和第二输出端信号相位相差180度；
第一末级大功率放大网络和第二末级大功率放大网络的输出端分别与输出差分转单端匹配网络的第一输入端和第二输入端连接，输出差分转单端匹配网络的输出端为整个功率放大器的输出端，输出差分转单端匹配网络的第一输入端和第二输入端信号相位相差180度。
本发明的有益效果是：本发明采用的输入预失真线性差分放大网络除了能实现输入射频信号的驱动放大器、功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配及相位调节，同时实现单端信号到差分信号的转换，保证差分信号的相位差。最关键的是，采用了模拟预失真线性化技术，在功率放大器工作在大信号的时候，输入预失真线性差分放大网络实现功率扩张特性，从而抵消第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的功率压缩特性，从而显著提升整个放大器的线性度指标。
进一步的，输入预失真线性差分放大网络的输入端连接电容C1,电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端接接地电容C2、电感L3和电感L2，电感L2的另一端接接地电容C3和栅极供电端口Vg1，电感L3的另一端接场效应管Md的栅极，场效应管Md的源极接地，场效应管Md的漏极接电感L4，电感L4的另一端接电容C4和电感L5，电感L5的另一端接耦合变压器T1初级线圈的非同名端，耦合变压器T1初级线圈的同名端接电感L6，电感L6的另一端接接地电容C5和漏极供电端口Vd1。变压器T1的次级线圈的同名端、非同名端连接输入预失真线性差分放大网络的第一、第二输出端，T1的次级线圈的中间抽头端连接栅极供电端口Vg2和接地电容C8,电容C4一端接场效应管Me的漏极和电阻R1，电阻R1的另一端接场效应管Me的源极和电阻R2，电阻R2的另一端接源极供电端口Vs1；场效应管Me的源极接接地电容C6，场效应管Me的栅极接接地电容C7和电阻R3，电阻R3另一端接供电端口Vs2。
上述进一步方案的有益效果是：通过供电端口的Vs1和端口Vs2对于晶体管Me的调节作用，可以实现对于电路预失真信号的强弱控制，从而具备线性度优化时的可调节性，同时，驱动放大器结构提供了良好的线性增益，弥补了预失真电路电路结构对于放大器增益的损失。
进一步的，第一末级大功率放大网络和第二末级大功率放大网络的输入端均接电感Lgj的b端，电感Lgj的a端接接地电容Cpj、电感Lpj和电感Lqj，电感Lqj的另一端接场效应管Mqj的栅极，Mqj的源极接地，Mqj的漏极接微带线TLqj，微带线TLqj的另一端接场效应管Mtj的源极，Mtj的栅极接接地电容Ctj和电阻Rtj，电阻Rtj的另一端接电阻Rqj的a端和电阻Rrj的b端，电阻Rqj的b端接地，场效应管Mtj的漏极接微带线TLtj，微带线TLtj的另一端接场效应管Mnj的源极，场效应管Mnj的栅极接接地电容Cnj和电阻Rnj，电阻Rnj的另一端接电阻Rrj的a端和电阻Ruj的b端，场效应管Mnj的漏极接微带线TLnj，微带线TLnj的另一端接电阻Ruj的a端和电感Lu1的b端；电感Lpj的另一端接场效应管Mpj的栅极，Mpj的源极接地，Mpj的漏极接微带线TLpj，微带线TLpj另一端接场效应管Msj的源极，场效应管Msj的栅极接电阻Rsj和接地电容Csj，电阻Rsj的另一端接电阻Rqj的a端和电阻Rrj的b端，场效应管Msj的漏极接微带线TLsj，TLsj的另一端接效应管Mmj的源极，Mmj的栅极接接地电容Cmj和电阻Rmj，电阻Rmj的另一端接电阻Rrj的a端和电阻Ruj的b端，Mmj的漏极接微带线TLmj，微带线TLmj的另一端接电阻Ruj的a端和电感Luj的b端；电感Lu1的a端接接地电容Cuj和电感Lvj,电感Lvj的另一端为第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输出端，其中，j＝1和2。
上述进一步方案的有益效果是：本发明第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络中采用的核心电路是基于一对自偏三晶体管堆叠双路合成结构的差分放大电路，该结构可以显著提升功率放大器的功率容量和功率增益，同时改善了传统堆叠结构在毫米波频段对于寄生参数的敏感特性。
进一步的，输出差分转单匹配网络第一、第二输入端接变压器T2的次级线圈的同名端和非同名端，在变压器T2的中间抽头端连接电感L7，电感L7的另一端接接地电容C9和漏极供电端口Vd2。变压器T2的初级线圈的同名端连接电容C10，电容C10的另一端为输出差分转单匹配网络的输出端，变压器T2的初级线圈的非同名端接地。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输出差分转单匹配网络除了能实现差分射频信号的功率合成外，还能将差分信号转换为单端信号，引入的插损较小，同时保障了所述放大器的输出功率和效率。
附图说明
图1为本发明功率放大器原理框图；
图2为本发明功率放大器电路图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，包括输入预失真线性化差分放大网络、第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络、输出差分转单端匹配网络。
如图1所示输入预失真线性差分放大网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一输出端、第二输出端分别与第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输入端连接，输入预失真线性差分放大网络的第一输出端、第二输出端信号相位相差180度；
第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输出端分别与输出差分转单端匹配网络的第一输入端、第二输入端连接，输出差分转单端匹配网络的输出端为整个功率放大器的输出端，输出差分转单端匹配网络的第一、第二输入端信号相位相差180度。
如图2所示，输入预失真线性差分放大网络的输入端连接电容C1,电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端接接地电容C2、电感L3和电感L2，电感L2的另一端接接地电容C3和栅极供电端口Vg1，电感L3的另一端接场效应管Md的栅极，场效应管Md的源极接地，场效应管Md的漏极接电感L4，电感L4的另一端接电容C4和电感L5，电感L5的另一端接耦合变压器T1初级线圈的非同名端，耦合变压器T1初级线圈的同名端接电感L6，电感L6的另一端接接地电容C5和漏极供电端口Vd1。变压器T1的次级线圈的同名端、非同名端连接输入预失真线性差分放大网络的第一、第二输出端，T1的次级线圈的中间抽头端连接栅极供电端口Vg2和接地电容C8,电容C4一端接场效应管Me的漏极和电阻R1，电阻R1的另一端接场效应管Me的源极和电阻R2，电阻R2的另一端接源极供电端口Vs1；场效应管Me的源极接接地电容C6，场效应管Me的栅极接接地电容C7和电阻R3，电阻R3另一端接供电端口Vs2。
第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输入端接电感Lgj的b端，电感Lgj的a端接接地电容Cpj、电感Lpj和电感Lqj，电感Lqj的另一端接场效应管Mqj的栅极，Mqj的源极接地，Mqj的漏极接微带线TLqj，微带线TLqj的另一端接场效应管Mtj的源极，Mtj的栅极接接地电容Ctj和电阻Rtj，电阻Rtj的另一端接电阻Rqj的a端和电阻Rrj的b端，电阻Rqj的b端接地，场效应管Mtj的漏极接微带线TLtj，微带线TLtj的另一端接场效应管Mnj的源极，场效应管Mnj的栅极接接地电容Cnj和电阻Rnj，电阻Rnj的另一端接电阻Rrj的a端和电阻Ruj的b端，场效应管Mnj的漏极接微带线TLnj，微带线TLnj的另一端接电阻Ruj的a端和电感Lu1的b端；电感Lpj的另一端接场效应管Mpj的栅极，Mpj的源极接地，Mpj的漏极接微带线TLpj，微带线TLpj另一端接场效应管Msj的源极，场效应管Msj的栅极接电阻Rsj和接地电容Csj，电阻Rsj的另一端接电阻Rqj的a端和电阻Rrj的b端，场效应管Msj的漏极接微带线TLsj，TLsj的另一端接效应管Mmj的源极，Mmj的栅极接接地电容Cmj和电阻Rmj，电阻Rmj的另一端接电阻Rrj的a端和电阻Ruj的b端，Mmj的漏极接微带线TLmj，微带线TLmj的另一端接电阻Ruj的a端和电感Luj的b端；电感Lu1的a端接接地电容Cuj和电感Lvj,电感Lvj的另一端为第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输出端。其中，j＝1、2。
输出差分转单匹配网络第一、第二输入端接变压器T2的次级线圈的同名端和非同名端，在变压器T2的中间抽头端连接电感L7，电感L7的另一端接接地电容C9和漏极供电端口Vd2。变压器T2的初级线圈的同名端连接电容C10，电容C10的另一端为输出差分转单匹配网络的输出端，变压器T2的初级线圈的非同名端接地。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入信号通过输入端RFin进入预失真线性化差分放大网络，首先进行输入阻抗变换匹配、驱动信号放大，然后进入预失真控制网络，当输入信号为小信号状态时，预失真网络中的Me晶体管未开启；输入信号为大信号状态时，预失真网络中的Me晶体管开启改善大信号功率压缩特性，之后通过T1后转为差分信号的形式同时进入第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输入端，通过该放大网络进行功率放大后，以差分信号的形式同时从第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输出端输出，再经过输出差分转单端匹配网络后，将二路信号合成为一路单端信号从输出端RFout输出。
基于上述电路分析，本发明提出的一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用差分形式的两路电流合成型自偏三堆叠放大器，同时结合了模拟预失真线性化驱动放大器：
差分形式的两路电流合成型自偏三堆叠放大器与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；
差分形式的两路电流合成型自偏三堆叠放大器由于采用的模拟预失真线性化驱动结构，改善了传统三堆叠放大器随着晶体管堆叠次数的增加从而恶化工作线性度的难题，同时采用差分形式的堆叠放大器，抑制了高频寄生参量对于毫米波堆叠放大器的恶化作用，改善了针对汽车雷达频段应用的功率能力和效率指标。
在整个针对汽车雷达的高功率高效率高线性度功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、电容的大小是综合考虑整个电路的增益、线性度和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在高功率输出能力、高功率增益、良好的输入输出匹配特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，其特征在于，包括输入预失真线性化差分放大网络、第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络和输出差分转单端匹配网络；
所述输入预失真线性差分放大网络的输入端为整个所述功率放大器的输入端，其第一输出端和第二输出端分别与所述第一末级大功率放大网络的输入端和第二末级大功率放大网络的输入端连接，所述输入预失真线性差分放大网络的第一输出端和第二输出端信号相位相差180度；
所述第一末级大功率放大网络和第二末级大功率放大网络的输出端分别与所述输出差分转单端匹配网络的第一输入端和第二输入端连接，所述输出差分转单端匹配网络的输出端为整个所述功率放大器的输出端，所述输出差分转单端匹配网络的第一输入端和第二输入端信号相位相差180度。
2.根据权利要求1所述的一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，其特征在于，所述输入预失真线性差分放大网络的输入端连接电容C1,电容C1的另一端连接电感L1，电感L1的另一端接接地电容C2、电感L3和电感L2，电感L2的另一端接接地电容C3和栅极供电端口Vg1，电感L3的另一端接场效应管Md的栅极，场效应管Md的源极接地，场效应管Md的漏极接电感L4，电感L4的另一端接电容C4和电感L5，电感L5的另一端接耦合变压器T1初级线圈的非同名端，耦合变压器T1初级线圈的同名端接电感L6，电感L6的另一端接接地电容C5和漏极供电端口Vd1；变压器T1的次级线圈的同名端、非同名端分别连接输入预失真线性差分放大网络的第一、第二输出端，耦合变压器T1的次级线圈的中间抽头端连接栅极供电端口Vg2和接地电容C8,电容C4一端接场效应管Me的漏极和电阻R1，电阻R1另一端接场效应管Me源极和电阻R2，电阻R2的另一端接源极供电端口Vs1；场效应管Me的源极接接地电容C6，场效应管Me的栅极接接地电容C7和电阻R3，电阻R3另一端接供电端口Vs2。
3.根据权利要求1所述的一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，其特征在于，所述第一末级大功率放大网络和第二末级大功率放大网络的输入端均接电感Lgj的b端，电感Lgj的a端接接地电容Cpj、电感Lpj和电感Lqj，电感Lqj的另一端接场效应管Mqj的栅极，Mqj的源极接地，Mqj的漏极接微带线TLqj，微带线TLqj的另一端接场效应管Mtj的源极，Mtj的栅极接接地电容Ctj和电阻Rtj，电阻Rtj的另一端接电阻Rqj的a端和电阻Rrj的b端，电阻Rqj的b端接地，场效应管Mtj的漏极接微带线TLtj，微带线TLtj的另一端接场效应管Mnj的源极，场效应管Mnj的栅极接接地电容Cnj和电阻Rnj，电阻Rnj的另一端接电阻Rrj的a端和电阻Ruj的b端，场效应管Mnj的漏极接微带线TLnj，微带线TLnj的另一端接电阻Ruj的a端和电感Lu1的b端；电感Lpj的另一端接场效应管Mpj的栅极，Mpj的源极接地，Mpj的漏极接微带线TLpj，微带线TLpj另一端接场效应管Msj的源极，场效应管Msj的栅极接电阻Rsj和接地电容Csj，电阻Rsj的另一端接电阻Rqj的a端和电阻Rrj的b端，场效应管Msj的漏极接微带线TLsj，TLsj的另一端接效应管Mmj的源极，Mmj的栅极接接地电容Cmj和电阻Rmj，电阻Rmj的另一端接电阻Rrj的a端和电阻Ruj的b端，Mmj的漏极接微带线TLmj，微带线TLmj的另一端接电阻Ruj的a端和电感Luj的b端；电感Lu1的a端接接地电容Cuj和电感Lvj,电感Lvj的另一端为所述第一末级大功率放大网络、第二末级大功率放大网络的输出端；其中，j＝1和2。
4.根据权利要求1所述的一种用于汽车雷达收发机的毫米波功率放大器，其特征在于，所述输出差分转单匹配网络的第一输入端和第二输入端分别接变压器T2的次级线圈的同名端和非同名端，在变压器T2的中间抽头端连接电感L7，电感L7的另一端接接地电容C9和漏极供电端口Vd2；变压器T2的初级线圈的同名端连接电容C10，电容C10的另一端为输出差分转单匹配网络的输出端，变压器T2的初级线圈的非同名端接地。
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