毫米波功率分配网络的制作方法

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种毫米波功率分配网络。


背景技术：

2.近年来，随着通信技术的快速发展，人们对无线传输数据的需求越来越高，其中，带宽成为了主要瓶颈。目前，主要的商用通信系统大多工作在6ghz以下，提升工作频率是解决这一瓶颈问题的有效方法。过去十年来，毫米波通信技术飞速发展，尤其是相控阵技术，由于能提高等效全向辐射功率(eirp)、降低噪声系数、灵活调节波束方向而受到了广泛关注。毫米波相控阵的一个关键的挑战在于多通道信号之间功率合成或分配的设计。
3.相关技术可知，大多数毫米波相控阵多通道信号处理方法采用数模混和结构的波束成型方式。采用该方式，所需要的通道数量和天线数量较多。由于通道数量的增加意味着功率分配网络数量或阶数的增加，从而引入更多的功率损耗且占用较大的芯片面积，不利于频谱利用率和能量效率的提高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种毫米波功率分配网络，用以解决现有技术中功率分配网络的功率损耗高且芯片占用面积大，不利于频谱利用率和能量效率提高的缺陷，实现了功率分配网络的集成度和频谱利用率的提高。
5.本发明提供一种毫米波功率分配网络，包括：第一通路和第二通路，其中，所述第一通路和所述第二通路镜像设置并共用第一端口；所述第一通路设置有第一传输线和第一lclcl高阶网络，所述第二通路设置有第二传输线和第二lclcl高阶网络，其中，所述第一lclcl高阶网络或所述第二lclcl高阶网络的单位面积阻抗值大于阻抗阈值。
6.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述第一通路的第一位点和所述第二通路的第二位点通过隔离电阻进行连接，其中，所述第一位点为所述第一通路上位于所述第一传输线和所述第一lclcl高阶网络之间的位点；所述第二位点为所述第二通路上位于所述第二传输线和所述第二lclcl高阶网络之间的位点。
7.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述第一lclcl高阶网络或所述第二lclcl高阶网络包括：多抽头电感和多个到地电容，其中，各所述到地电容分别与所述多抽头电感的各抽头连接，所述到地电容的数量与所述抽头的数量相同。
8.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述多抽头电感包括：“8”字形电感。
9.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述“8”字形电感为将平面螺旋电感进行第一处理而得到的电感，其中，所述第一处理为将平面螺旋电感划分为等面积的两部分，并将其中一部分镜像翻转180
°
且连接关系保持不变而进行的处理。
10.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述到地电容包括：mom平行板电容。
11.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述第一传输线或所述第二传输线包括：微带线或共面波导。
12.根据本发明提供的一种毫米波功率分配网络，所述多抽头电感的抽头数量为二。
13.本发明提供的毫米波功率分配网络，通过在第一通路上设置第一传输线和第一lclcl高阶网络，以及在第二通路上设置第二传输线和第二lclcl高阶网络，并利用第一lclcl高阶网络和第二lclcl高阶网络代替传统的四分之一波长传输线，可以使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑，且减少插入损耗，提高了功率分配网络的集成度和频谱利用率。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本发明提供的毫米波功率分配网络的结构示意图之一；
16.图2是本发明提供的多抽头电感的模型原理图；
17.图3是本发明提供的毫米波功率分配网络的结构示意图之二；
18.图4是本发明提供的多抽头“8”字形电感的版图示意图；
19.图5是本发明提供的毫米波功率分配网络的应用场景示意图。
20.附图标记：
21.110：第一通路；1101：第一传输线；1102：第一lclcl高阶网络；120：第二通路；1201：第二传输线；1202：第二lclcl高阶网络；130：隔离电阻；11011：第一位点；12011：第二位点；410：第一到地电容；420：第二到地电容；430：第一金属层；440：第二金属层；510：第一传输线；520：第一“8”字形多抽头电感；530：第二传输线；540：第二“8”字形多抽头电感。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.近年来，随着通信技术的快速发展，人们对无线传输数据的需求越来越高，其中，带宽成为了主要瓶颈。目前，主要的商用通信系统大多工作在6ghz以下，提升工作频率是解决这一瓶颈问题的有效方法。过去十年来，毫米波通信技术飞速发展，尤其是相控阵技术，由于能提高等效全向辐射功率(eirp)、降低噪声系数、灵活调节波束方向而受到了广泛关注。毫米波相控阵的一个关键的挑战在于多通道信号之间功率合成或分配的设计。
24.当前，有多种实现毫米波相控阵多通道信号处理的方法，并包括以下三种主流方案：第一种方案是在每一个通道混频到数字基带部分之后，再在基带做波束的成型。这种方案虽然避免了在射频段做功率合成，从而减小信号损耗，但是该方案设计相对复杂且会消耗大量的功耗。第二种方案是将每一个通道的射频信号进行功率合成之后一起混频，再交
给数字基带去处理。这种方案设计复杂度相对较低，波束扫描范围也能比较轻易的实现360
°
全覆盖，且大部分功耗只会消耗在射频部分，但是射频信号的多路合成会引入较大的插入损耗，尤其在e波段这种频率较高的毫米波段。第三种方案是数模混和结构的波束成型方式，这种方案更像是前两种方案的折衷，兼顾了两者的优势，因此，目前大部分设计都是基于这种架构。但是这种结构的一个主要问题是所需要的通道数量和天线数量较多，其中，通道数量的增加意味着功率分配网络数量或阶数的增加，从而引入更多的功率损耗且占用较大的芯片面积，不利于频谱利用率和能量效率的提高。
25.基于以上三种功率分配网络的方案，本发明提出了一种全新的小型化的功率分配网络方案。
26.本发明提出一种毫米波功率分配网络，其中，毫米波功率分配网络采用了新的整体架构以及全新的多抽头的“8”字形电感去代替传统的四分之一波长传输线，使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑，且能够改善插入损耗和通道之间的隔离。
27.本发明将结合下述实施例对毫米波功率分配网络的结构进行说明。
28.图1是本发明提供的毫米波功率分配网络的结构示意图。
29.在本发明一示例性实施例中，如图1所示，毫米波功率分配网络可以包括第一通路110和第二通路120，下面将分别介绍各通路。
30.在一种实施例中，第一通路110和第二通路120可以镜像设置并共用第一端口。结合图1可知，第一通路110可以是由io1至io3形成的通路，第二通路120可以是由io2至io3形成的通路。第一通路110和第二通路120共用的第一端口可以表示为io3。可以理解的是，在一示例中，io3可以是毫米波分配网络的输出端口，相应的，io1和io2分别为毫米波分配网络的输入端口，此时，毫米波分配网络可以作为功率合成网络进行使用。在又一示例中，io3还可以是毫米波分配网络的输入端口，相应的，io1和io2分别为毫米波分配网络的输出端口，此时，毫米波分配网络可以作为功率分配网络进行使用。
31.在又一种实施例中，第一通路110可以设置有第一传输线1101和第一lclcl高阶网络1102，第二通路120可以设置有第二传输线1201和第二lclcl高阶网络1202。可以理解的是，第一传输线1101和第二传输线1201可以是同一种传输线。在一种实施例中，第一传输线1101和第二传输线1201可以是传统的50欧姆传输线，可以是微带线，还可以是共面波导。需要说明的是，在毫米波分配网络中设置第一传输线1101和第二传输线1201，可以便于和前后模块端口进行匹配，并且第一传输线1101和第二传输线1201不会占用过多的芯片面积。第一lclcl高阶网络1102和第二lclcl高阶网络1202可以是同一种高阶网络。在一种实施例中，第一lclcl高阶网络1102和第二lclcl高阶网络1202可以包括抽头电感和到地电容，其中，各到地电容分别与多抽头电感的各抽头进行连接。可以理解的是，到地电容的数量可以与多抽头电感的抽头的数量相同。
32.进一步的，第一lclcl高阶网络或第二lclcl高阶网络的单位面积阻抗值大于阻抗阈值，其中，阻抗阈值可以根据实际情况进行调整，在本实施例中不作具体限定。在应用过程中，可以利用第一lclcl高阶网络1102和第二lclcl高阶网络1202分别代替传统的四分之一波长传输线。在传统的功率分配网络中，对于四分之一波长传输线部分，由于要求特征阻抗为70.7欧姆，如果依然采用传统的传输线结构，需要走线的宽度特定细或者走线下方地平面的挖槽过于复杂，恶化了插入损耗，也不利于设计和仿真的验证。
33.在本实施例中，利用第一lclcl高阶网络1102和第二lclcl高阶网络1202分别代替传统的四分之一波长传输线，可以规避使用占用较大面积的具有特征阻抗(70.7欧姆)的四分之一波长传输线。进而使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑，避免了一些不必要的长走线。此外，抽头电感的使用也避免了宽度过小的金属的使用，进而可以确保无源器件的q值能得到一定的提高。在本发明中，通过使用多抽头电感代替传输线，并且多抽头电感的每个抽头连接到地电容可以构成一个高阶lclcl网络去逼近传输线的集总模型，用以使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑且改善了插入损耗和隔离度。
34.图2是本发明提供的多抽头电感的模型原理图。结合图2可知，p1和p2对应多抽头电感的两个端口，由于中间两个抽头加了到地电容cc1和cc2，因此这个电感被分成了三个小电感lc1、lc2、lc3，且这三个小电感之间存在相互的磁耦合，其中，磁耦合值可以分别表示为mc1、mc2和mc3。在不考虑耦合的情况下，lclcl的等效模型近似可以认为是传输线的集总模型，而耦合的存在使得整个多抽头电感引入的插入损耗能够更小。进一步的，电感绕线的方式能够避免传输线以长走线的方式带来的面积消耗。可以理解的是，可以分别基于电感lc1、电感lc2和电感lc3之间形成的磁耦合mc1、mc2和mc3确定电感值，以使确定的电感值满足预期电感值。
35.本发明提供的毫米波功率分配网络，通过在第一通路上设置第一传输线和第一lclcl高阶网络，以及在第二通路上设置第二传输线和第二lclcl高阶网络，并利用第一lclcl高阶网络和第二lclcl高阶网络代替传统的四分之一波长传输线，可以使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑，且减少插入损耗，提高了功率分配网络的集成度和频谱利用率。
36.为了进一步介绍本发明提供的毫米波功率分配网络，下面将结合下述实施例进行介绍。
37.图3是本发明提供的毫米波功率分配网络的结构示意图之二。
38.在本发明一示例性实施例中，如图3所示，毫米波功率分配网络还可以包括隔离电阻130。
39.在一种实施例中，继续结合图3进行说明，第一通路110的第一位点11011和第二通路120的第二位点12011可以通过隔离电阻130进行连接。其中，第一位点11011可以为第一通路110上位于第一传输线1101和第一lclcl高阶网络1102之间的位点，在本实施例中，第一位点11011可以根据实际情况进行调整，不对第一位点11011的具体位置作限定。第二位点12011可以为第二通路120上位于第二传输线1201和第二lclcl高阶网络1202之间的位点，在本实施例中，第二位点12011可以根据实际情况进行调整，不对第二位点12011的具体位置作限定。在应用过程中，在第一通路110和第二通路120之间设置隔离电阻130，可以确保沿第一通路110传输的毫米波束或信号与沿第二通路120传输的毫米波束或信号不会互相干扰，确保传输的准确性与独立性。
40.在本发明一示例性实施例中，第一lclcl高阶网络或第二lclcl高阶网络可以包括多抽头电感和多个到地电容，其中，多抽头电感可以是“8”字形电感。在本实施例中，通过使用多抽头电感代替传输线，并且多抽头电感的每个抽头连接到地电容可以构成一个高阶lclcl网络去逼近传输线的集总模型，用以使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑且改善了插入损耗和隔离度。
41.进一步的，将电感绕成“8”字型能够有效降低其跟周围无源结构的耦合，有效增强隔离度。可以理解的是，本发明提供的毫米波功率分配网络，通过在模拟端进行功率合成或分配的基础上对四分之一波长传输线进行了优化设计，使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑，且改善了插入损耗和隔离度。
42.在本发明一示例性实施例中，“8”字形电感可以为将平面螺旋电感进行第一处理而得到的电感。其中，第一处理为将平面螺旋电感划分为等面积的两部分，并将其中一部分镜像翻转180
°
且连接关系保持不变而进行的处理。
43.在一种实施例中，如图4所示，对于制作多抽头“8”字形电感，可以先将普通的平面螺旋电感分为面积相等的两部分，再将其中一部分镜像翻转180
°
且确保连接关系保持不变。由于“8”字形电感的上半线圈走线方向相反，因此磁通量的方向相互抵消，所以，外部无源器件和“8”字形电感的耦合系数为0，隔离度得到优化。进一步的，在整个电感的两个三等分点处分别加入第一到地电容410和第二到地电容420，可以构成一个lclcl的高阶网络去等效传输线的集总模型。在应用过程中，通过参数扫描仿真能够得到用户想要的电感值和电容值。
44.在本发明一示例性实施例中，与多抽头“8”字形电感连接的到地电容可以为mom平行板电容。在一示例中，多抽头电感的抽头数量可以为二，相应的，到地电容的数量也可以为二。
45.继续以图4为例进行说明，io1和io2分别为多抽头电感的两个端口，第一到地电容410和第二到地电容420可以是mom平行板电容。在应用过程中，可以利用cmos工艺的最顶层的两层厚金属(对应图4中的第一金属层430和第二金属层440)绕出预期电感值的“8”字形电感，再将到第一地电容410和第二到地电容420连接到中间的两个三等分点上。可以看出，该电感的上下两部分的走线方向相反，因此磁通量的方向相互抵消，与外围器件的隔离性较好。
46.为了进一步介绍本发明的毫米波功率分配网络，下面将结合下述实施例进行说明。
47.图5是本发明提供的毫米波功率分配网络的应用场景示意图。
48.在本发明一示例性实施例中，本发明提供的毫米波功率分配网络可以是应用于毫米波e波段的小型化功率分配网络，其工作范围可以覆盖66ghz-76ghz。结合图5可知，在应用过程中，io1、io2和io3分别连接对应的模块端口。隔离电阻r1可以设定为100欧姆。其中，第一传输线510可以设定为具有50欧姆的阻值，第二传输线530也可以设定为具有50欧姆的阻值。如图5可知，第一“8”字形多抽头电感520和第二“8”字形多抽头电感540，由于中间两个抽头各连接了两个到地电容c1，因此各多抽头电感被分成了三个小电感l1。在应用过程中，当信号由io1和io2汇总到io3时，实现的就是功率合成的功能，当信号由io3分配到io1和io2时，实现的就是功率分配的功能。测试发现，在e波段，此种毫米波功率分配网络能在紧凑的网络版图面积下得到0.5db左右的插损。
49.本发明提供的小型化的功率分配网络，可以规避设计困难且占用较大面积的传统70.7欧姆特征阻抗的四分之一波长的传输线。在应用过程中，通过使用多抽头的电感进行等效替换，可以减小版图占用面积，并且插入损耗也能有一定的减小。进一步的，将多抽头电感设计成“8”字形多抽头电感，可以有效减小周围无源器件的耦合，改善隔离度。本发明
提供的小型化的功率分配网络，主要由电感和电容构成，因为工作在e波段，电感和电容的面积都比较小，再加上本来会占据较大面积的传输线用了多抽头电感去代替，可以确保本发明提供的小型化的功率分配网络具有版图面积小的特点。
50.根据上述描述可知，本发明提供的毫米波功率分配网络，通过在第一通路上设置第一传输线和第一lclcl高阶网络，以及在第二通路上设置第二传输线和第二lclcl高阶网络，并利用第一lclcl高阶网络和第二lclcl高阶网络代替传统的四分之一波长传输线，可以使得毫米波功率分配网络的版图更加紧凑，且减少插入损耗，提高了功率分配网络的集成度和频谱利用率。
51.进一步可以理解的是，本发明实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
52.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
53.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
54.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。