CN111292922B - 一种具有低插入损耗的8字形四路功率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，涉及功率合成器，具体提供一种具有低插入损耗的新型8字形四路功率合成器；用以解决传统8字形(eight‑shaped)变压器功率合成器多路合成具有较大的插入损耗、恶化电路整体性能，及输入端口阻抗的不一致性问题。本发明通过对传统8字形功率合成器的改进，将传统的8字形变压器的次级线圈分裂成两个关于信号方向对称的8字形线圈，并采用了两圈次级线圈将初级线圈夹在中间的相互嵌套结构，具有更少的能量泄漏、较高的耦合系数，且有效减小了面积，有利于实现高带宽和低插入损耗功率合成设计；同时，该独特的物理结构保证了本发明功率合成器的各个端口输入阻抗高度一致的特性。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及功率合成器，具体为一种具有低插入损耗的8字形四路功率合成器。
背景技术
众所周知，通信系统的工作频率越高，则能提供更快的信号传输速率和更大的信道容量。由于频谱资源的占用，因而采用了K/Ka波段的24.75~27.5GHz、以及37~42.5GHz的移动毫米波宽带系统来支持高吞吐量的第五代（the 5th generation mobilecommunication，5G）蜂窝网络通信。硅基射频集成电路制造工艺以其优异的特性以及廉价的成本而备受关注。与MOSFET相比，BiCMOS晶体管不存在体效应的影响，因此能提供相对更高的线性度。硅基电路相比于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺不仅具有十分低廉的造价，并且可以和数字电路集成，具有十分重要的研究价值。
集成电路中NPN晶体管的β F 最大可以达到500，因此其能提供相对更高的增益，从而实现更高的PAE（功率附加效率），高性能晶体管HP NPN具有优异的高频特性；但由于硅基工艺可靠性的限制，与III-V族工艺相比，射频功率放大器的供电电压以及电流密度都相对较小，因此硅基晶体管单管的输出功率有限；为了提高功率放大器的输出功率，可以采用多路功率合成的方法。功率合成技术有着片上功率合成和空间功率合成等方法。在毫米波频率，片上功率合成技术得到广泛应用，主要结果包括：直接功率合成，威尔金森功率合成和基于变压器的功率合成。直接功率合成直接合成了来自多个通道的电流，并将它们应用于输出负载以获得大功率，但阻抗变换网络可能导致大的损耗和不对称的布局；基于传输线的威尔金森功率合成可在指定频率下为所有端口实现良好的隔离和匹配，但只适用于窄带应用，并且对耦合和元件寄生效应很敏感，在毫米波频段需要占用大量芯片面积；基于变压器的功率合成集成了功率合成和阻抗匹配的功能，而且不会额外增加无源网络的损耗，被广泛应用于提高电路的功率输出能力。
在传统的变压器多路功率合成中，往往采用独立的多个变压器电流合成方法，从而提高功率放大器的输出功率。对于每一个变压器具有高耦合系数、低插入损耗，但对于采用独立的多个变压器电流合成方法而言，由于使用多个独立的变压器，一定程度上将引入更多的损耗；同时，变压器之间会存在相互影响，且存在各端口阻抗存在不一致性问题，由于功率合成器同时具有功率合成以及阻抗变换的功能，因此其阻抗匹配的好坏很大程度上能够影响其损耗；当匹配网络的阻抗匹配效果较差时，一部分能量消耗会因阻抗不连续而被消耗掉。
传统8字形（eight-shaped）变压器功率合成器结构如图4所示，其中初级线圈、次级线圈均为独立单圈结构，仍存在上述问题。同时，由于输出端口不一致，信号通路的不一致，将导致功率合成器输入端口阻抗的不一致性，此时四路输入端的阻抗都将不相等；而为克服这一问题，可以使图4所示功率合成器左右两边的八边形线圈的直径不相等，从而增加功率合成器的输入阻抗一致性；但这种方法将增加合成器网络的设计难度，且会增加其插入损耗，同时还可能引入其他问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统8字形（eight-shaped）变压器功率合成器多路合成具有较大的插入损耗、恶化电路整体性能，及输入端口阻抗的不一致性问题；提供一种具有低插入损耗的8字形功率合成器结构。本发明的8字形功率合成器结构具有高度对称性，具有更少的能量泄漏，有效提高了初次级线圈的正对面积，使得该功率合成变压器的耦合系数相对较高，从而有效改善了功率合成网络的插入损耗问题；也有效改善了传统变压器功率合成器存在的输入端口阻抗不一致问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有低插入损耗的8字形四路功率合成器，由一个初级线圈和两个次级线圈构成；其特征在于，所述初级线圈由关于中间交叉点镜像对称的两路输入构成，共同构成一个8字形初级线圈；所述两个次级线圈均为由一大一小的两个八边形构成的8字形次级线圈，所述两个8字形次级线圈关于中间交叉点镜像放置，形成大圈套小圈的相互嵌套结构，且所述8字形初级线圈位于该相互嵌套结构的大圈与小圈的中间。
进一步的，所述功率合成器中，线圈交叉的“中国结”处，采用次层金属实现跨连接。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种具有低插入损耗的改进8字形四路功率合成器，通过对传统8字形功率合成器的改进，将传统的8字形变压器的次级线圈分裂成两个关于信号方向对称的8字形线圈，并采用了两圈次级线圈将初级线圈夹在中间的相互嵌套结构，具有更少的能量泄漏、较高的耦合系数，且有效减小了面积，有利于实现高带宽和低插入损耗功率合成设计；同时，该独特的物理结构保证了本发明功率合成器的各个端口输入阻抗高度一致的特性。
附图说明
图1为本发明具有低插入损耗的8字形四路功率合成器绕线拓扑结构示意图。
图2为本发明具有低插入损耗的8字形四路功率合成器HFSS模型。
图3为本发明具有低插入损耗的8字形四路功率合成器的输入阻抗，其中，(a)为阻抗实部，(b)为阻抗虚部。
图4为传统8字形功率合成器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
为了改善传统的8字形功率合成器存在的问题，本发明提出了一种8字形功率合成器，其结构如图1所示；本发明的功率合成器的初次级线圈最大限度采用损耗最小的顶层金属，通过将传统的8字形变压器的次级线圈分裂成两个关于信号方向对称的8字形线圈，两圈次级线圈将初级线圈夹在中间以达到提高耦合系数的效果。
更为具体的讲：本实施例中功率合成的两路输入初级线圈关于中间交叉点镜像对称，共同构成一个8字形；两个次级线圈分别由一大一小的两个八边形构成一个8字形，对应的两个8字形次级线圈关于中间交叉点镜像放置，形成大圈套小圈的相互嵌套结构，而初级线圈位于相互嵌套的大圈小圈中间；一个8字形的初级线圈和两个8字形次级线圈相互嵌套，在中间交叉的“中国结”处，利用次层金属实现跨连接；3个8字形线圈共同构成了8字形功率合成器。
上述8字形功率合成器的左右任意一个八边形线圈所形成的电磁场幅度相等，且每个8字形线圈中的两个八边形的电磁场极性相反，在线圈之外的电磁场能一定程度上实现相互抵消。由于8字形紧密的相互嵌套结构，能够最大程度地提高初次级线圈的正对面积，提高耦合系数。此外，由于镜像对称结构，初次级线圈间的寄生电容分布同样关于信号方向对称，两组初次级线圈之间都将会产生流经寄生电容的寄生电流，由于次级线圈是关于信号方向对称的，所以次级线圈与初级线圈间的寄生电流分布也是对称的。此外，该8字形功率合成器能够提高各个输入端口阻抗的一致性。综上，本发明8字形功率合成器具有更少的能量泄漏，较低的插入损耗，从而提高了放大器的效率和增益，并且能够减小对其它电路模块可能引起的干扰。
如图3所示为上述8字形功率合成器的HFSS模型，该结构的功率合成器包含了三个8字形的线圈，其中，一个8字形的初级线圈和两个8字形次级线圈相互嵌套，在交叉处利用次层金属实现跨连接；每个8字形线圈包含两个八边形的线圈。
如图4所示为上述8字形功率合成器的四个输入端口的输入阻抗与频率的关系曲线；在25~45GHz之间，四个端口输入阻抗的实部都大约维持在10~15之间，在20~42GHz之间，输入阻抗的虚部维持在10~15之间；此输入阻抗特性表明该功率合成器为PA在K、Ka波段的正常工作提供了前提和保证。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.一种具有低插入损耗的8字形四路功率合成器，由一个初级线圈和两个次级线圈构成；其特征在于，所述初级线圈由关于中间交叉点镜像对称的两路输入构成，共同构成一个8字形初级线圈；所述两个次级线圈均为由一大一小的两个八边形构成的8字形次级线圈，所述两个8字形次级线圈关于中间交叉点镜像放置，形成大圈套小圈的相互嵌套结构，且所述8字形初级线圈位于该相互嵌套结构的大圈与小圈的中间。
2.按权利要求1所述具有低插入损耗的8字形四路功率合成器，其特征在于，所述功率合成器中，所有线圈交叉的“中国结”处，采用次层金属实现跨连接。
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