一种基于小型正交信号产生器的Doherty功率放大器

一种基于小型正交信号产生器的doherty功率放大器
技术领域
1.本发明涉及涉及微电子电路，尤其涉及一种基于小型正交信号产生器的doherty功率放大器。


背景技术：

2.功率放大器通常是无线收发机中耗电最大的模块，它的性能基本决定了整个无线发射机系统的能源效率和线性度。随着无线通信技术的发展，人们利用丰富的毫米波频谱资源以实现无线系统的高数据速率。为了获得更大的数据传输速率，通常采用了高阶的正交频分复用和正交幅度调制等。然而，由此产生的高峰值平均功率比对功率放大器的功率回退效率提出了严格的要求，以及在其幅度和相位响应的宽功率范围内的高线性度要求，以确保信号不失真的传输。功率放大器作为无线通信系统前端最重要的模块之一，其功率回退效率大大影响着系统的效率。在各种功率回退效率增强技术中，doherty技术被认为是最有前景的选择之一，它支持5g应用中的宽带调制，经由主路功率放大器和辅路功率放大器的协同设计，通过有源负载调制来提高功率回退效率。为了满足5g通信系统所要求的低延时、大带宽等要求，毫米波和太赫兹技术将会被广泛应用，从而实现万物互联。
3.在保证输出功率、效率、线性度等基本指标的前提下，doherty功率放大器的面积一直是功放设计的重难点。为了把doherty功放应用于系统中，其小型化势在必行。过去的十年中，硅基毫米波doherty功率放大器取得了重大进展，其输入端的正交信号产生电路通常采用1/4波长传输线、兰格耦合器、多相滤波器等结构，这些结构都占据了较大的芯片面积，从而使得整体doherty功放的芯片面积较大。如何实现小型化正交信号产生器对小型化doherty功率放大器具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种基于小型正交信号产生器的doherty功率放大器，以解决上述现有技术存在的问题。
5.本发明所述一种基于小型正交信号产生器的doherty功率放大器，其正交信号产生器的i路差分信号经过主路放大后进入输出功率合成器的i路输入，而q路差分信号经过辅路放大后进入q路输入，所述输出功率合成器将放大后的i路差分信号和q路差分信号合成并对外输出；
6.所述的正交信号产生器由上至下依次层叠的第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层组成，其中第一金属层与第二金属层电性连接、第二金属层与第三金属层绝缘连接、第三金属层与第四金属层电性连接：
7.所述第二金属层形成环状结构的i路差分信号输出线路，且设有断口供同一平面中相交干涉的线段穿过；
8.所述第三金属层形成环状结构的q路差分信号输出线路，且设有断口供同一平面中相交干涉的线段穿过；
9.所述第一金属层设置多条跨线段用于一一对应地接驳第二金属层各断口两端；
10.所述第四金属层设置多条跨线段用于一一对应地接驳第三金属层各断口两端；
11.第三金属层的环状结构与第二金属层的环状结构在垂直方向重合，以及第一金属层各跨线段与第四金属层的跨线段在垂直方向重合。
12.所述的i路差分信号线路在正交信号产生器中部形成部分重叠。
13.所述的i路差分信号线路为1.5圈的环状结构。
14.所述的第二金属层包括位于第一象限外圈的第一i路线段、由第四象限中圈经第三象限内圈延伸至第二象限内圈的第二i路线段、由第一象限中圈延伸至第四象限外圈的第三i路线段、由第二象限外圈延伸至第三象限中圈的第四i路线段、由第二象限中圈经第一象限内圈延伸至第四象限内圈的第五i路线段、以及位于第三象限外圈的第六i路线段；其中第一i路线段远离第一输入引线的端部延伸出第一i路输出引线，远离第一i路输出引线的端部与第二i路线段位于第四象限的端部之间形成第一顶层断口；第五i路线段位于第四象限的端部与第四i路线段位于第三象限的端部之间形成第二顶层断口，第四i路线段位于第一象限的端部延伸出第二i路输出引线；第六i路线段远离第二i路输出引线的端部延伸出第二输入引线，远离第二输入引线的端部与第五i路线段位于第二象限的端部之间形成第三顶层断口；第三i路线段远离第一i路输出引线的端部延伸出第一输入引线，远离第一输入引线的端部与第二i路线段位于第二象限的端部之间形成第四顶层断口；
15.所述的第一金属层包括用于接驳所述第一顶层断口的第一顶层跨线段，用于接驳所述第二顶层断口的第二顶层跨线段，用于接驳所述第三顶层断口的第三顶层跨线段，以及用于接驳所述第四顶层断口的第四顶层跨线段；
16.所述的第三金属层包括位于第一象限外圈的第一q路线段、由第四象限中圈经第三象限内圈延伸至第二象限内圈的第二q路线段、由第一象限中圈延伸至第四象限外圈的第三q路线段、由第二象限外圈延伸至第三象限中圈的第四q路线段、由第二象限中圈经第一象限内圈延伸至第四象限内圈的第五q路线段、以及位于第三象限外圈的第六q路线段；其中第一q路线段远离第一q路输出引线的端部延伸出第一隔离引线，远离第一隔离引线的端部与第二q路线段位于第四象限的端部之间形成第一底层断口；第五q路线段位于第四象限的端部与第四q路线段位于第三象限的端部之间形成第二底层断口，第四q路线段位于第一象限的端部延伸出第二隔离引线；第六q路线段远离第二隔离引线的端部延伸出第二q路输出引线，远离第二q路输出引线的端部与第五q路线段位于第二象限的端部之间形成第三底层断口；第三q路线段远离第一隔离引线的端部延伸出第一q路输出引线，远离第一q路输出引线的端部与第二q路线段位于第二象限的端部之间形成第四底层断口；
17.所述的第四金属层包括用于接驳所述第一底层断口的第一底层跨线段，用于接驳所述第二底层断口的第二底层跨线段，用于接驳所述第三底层断口的第三底层跨线段，以及用于接驳所述第四底层断口的第四底层跨线段。
18.本发明所述一种基于小型正交信号产生器的doherty功率放大器，其优点在于，采用工艺最上四层金属进行布局，将两个变压器通过合理布局成一个变压器的面积，降低了一半面积，同时增大了变压器的耦合系数，降低了损耗。信号通过磁耦合进行传递并实现输出相位正交。
附图说明
19.图1是本发明所述doherty功率放大器的结构示意图；
20.图2是本发明所述正交信号产生器的结构立体图；
21.图3是本发明所述正交信号产生器的结构正视图；
22.图4是本发明所述正交信号产生器第一金属层的结构示意图；
23.图5是本发明所述正交信号产生器第二金属层的结构示意图；
24.图6是本发明所述正交信号产生器第三金属层的结构示意图；
25.图7是本发明所述正交信号产生器第四金属层的结构示意图；
26.图8是本发明所述正交信号产生器的等效电路图；
27.图9是本发明所述正交信号产生器的增益特性图；
28.图10是本发明所述正交信号产生器的相位特性图；
29.图11是本发明所述正交信号产生器的小信号s参数仿真曲线图；
30.图12是本发明所述正交信号产生器的大信号仿真曲线图；
31.图13是本发明所述正交信号产生器的输出功率回退仿真曲线图；
32.图14是本发明所述正交信号产生器的蒙特卡洛仿真曲线图一；
33.图15是本发明所述正交信号产生器的蒙特卡洛仿真曲线图二；
34.图16是本发明所述正交信号产生器的蒙特卡洛仿真曲线图三。
35.附图标记：
36.100-第一金属层：110-第一顶层跨线段、120-第二顶层跨线段、130-第三顶层跨线段、140-第四顶层跨线段；
37.200-第二金属层：210-第一i路线段、211-第一i路输出引线、220-第二i路线段、230-第三i路线段、231-第一输入引线、240-第四i路线段、241-第二i路输出引线、250-第五i路线段、260-第六i路线段、261-第二输入引线；
38.300-第三金属层：310-第一q路线段、311-第一隔离引线、320-第二q路线段、330-第三q路线段、331-第一q路输出引线、340-第四q路线段、341-第二隔离引线、350-第五q路线段、360-第六q路线段、361-第二q路输出引线；
39.400-第四金属层：410-第一底层跨线段、420-第二底层跨线段、430-第三底层跨线段、140-第四底层跨线段；
40.in-是第一输入端、in 是第二输入端、thu-是第一i路输出端、thu 是第二i路输出端、cpl-是第一q路输出端、cpl 是第二q路输出端、iso-是第一隔离端、iso 是第二隔离端；
41.cp是寄生电容、k是耦合系数、r是隔离电阻。
具体实施方式
42.如图1-7所示，本发明所述一种基于小型正交信号产生器的doherty功率放大器，其正交信号产生器的i路差分信号经过主路放大后进入输出功率合成器的i路输入，而q路差分信号经过辅路放大后进入q路输入，所述输出功率合成器将放大后的i路差分信号和q路差分信号合成并对外输出。
43.所述的正交信号产生器由上至下依次层叠的第一金属层100、第二金属层200、第三金属层300及第四金属层400组成，其中第一金属层100与第二金属层200电性连接、第二
金属层200与第三金属层300绝缘连接、第三金属层300与第四金属层400电性连接：
44.所述第二金属层200形成环状结构的i路差分信号输出线路，且设有断口供同一平面中相交干涉的线段穿过。
45.所述第三金属层300形成环状结构的q路差分信号输出线路，且设有断口供同一平面中相交干涉的线段穿过。
46.所述第一金属层100设置多条跨线段用于一一对应地接驳第二金属层200各断口两端。
47.所述第四金属层400设置多条跨线段用于一一对应地接驳第三金属层300各断口两端。
48.第三金属层300的环状结构与第二金属层200的环状结构在垂直方向重合，以及第一金属层100各跨线段与第四金属层400的跨线段在垂直方向重合。
49.所述的i路差分信号线路在正交信号产生器中部形成部分重叠。
50.所述的i路差分信号线路为1.5圈的环状结构。
51.所述的第二金属层200包括位于第一象限外圈的第一i路线段210、由第四象限中圈经第三象限内圈延伸至第二象限内圈的第二i路线段220、由第一象限中圈延伸至第四象限外圈的第三i路线段230、由第二象限外圈延伸至第三象限中圈的第四i路线段240、由第二象限中圈经第一象限内圈延伸至第四象限内圈的第五i路线段250、以及位于第三象限外圈的第六i路线段260。其中第一i路线段210远离第一输入引线231的端部延伸出第一i路输出引线211，远离第一i路输出引线211的端部与第二i路线段220位于第四象限的端部之间形成第一顶层断口。第五i路线段250位于第四象限的端部与第四i路线段240位于第三象限的端部之间形成第二顶层断口，第四i路线段240位于第一象限的端部延伸出第二i路输出引线241。第六i路线段260远离第二i路输出引线241的端部延伸出第二输入引线261，远离第二输入引线261的端部与第五i路线段250位于第二象限的端部之间形成第三顶层断口。第三i路线段230远离第一i路输出引线211的端部延伸出第一输入引线231，远离第一输入引线231的端部与第二i路线段220位于第二象限的端部之间形成第四顶层断口。
52.所述的第一金属层100包括用于接驳所述第一顶层断口的第一顶层跨线段110，用于接驳所述第二顶层断口的第二顶层跨线段120，用于接驳所述第三顶层断口的第三顶层跨线段130，以及用于接驳所述第四顶层断口的第四顶层跨线段140。
53.所述的第三金属层300包括位于第一象限外圈的第一q路线段310、由第四象限中圈经第三象限内圈延伸至第二象限内圈的第二q路线段320、由第一象限中圈延伸至第四象限外圈的第三q路线段330、由第二象限外圈延伸至第三象限中圈的第四q路线段340、由第二象限中圈经第一象限内圈延伸至第四象限内圈的第五q路线段350、以及位于第三象限外圈的第六q路线段360。其中第一q路线段310远离第一q路输出引线331的端部延伸出第一隔离引线311，远离第一隔离引线311的端部与第二q路线段320位于第四象限的端部之间形成第一底层断口。第五q路线段350位于第四象限的端部与第四q路线段340位于第三象限的端部之间形成第二底层断口，第四q路线段340位于第一象限的端部延伸出第二隔离引线341。第六q路线段360远离第二隔离引线341的端部延伸出第二q路输出引线361，远离第二q路输出引线361的端部与第五q路线段350位于第二象限的端部之间形成第三底层断口。第三q路线段330远离第一隔离引线311的端部延伸出第一q路输出引线331，远离第一q路输出引线
331的端部与第二q路线段320位于第二象限的端部之间形成第四底层断口。
54.所述的第四金属层400包括用于接驳所述第一底层断口的第一底层跨线段410，用于接驳所述第二底层断口的第二底层跨线段420，用于接驳所述第三底层断口的第三底层跨线段430，以及用于接驳所述第四底层断口的第四底层跨线段440。
55.正交信号产生器的集总模型如图8所示，其中第二i路输出引线241等效为thu ，第一i路输出引线211等效为thu-，第二输入引线261等效为in ，第一输入引线231等效为in-，第二隔离引线341等效为iso ，第一隔离引线311等效为iso-，第二q路输出引线361等效为cpl ，第一q路输出引线331等效为cpl-。第二金属层200、第三金属层300以及对地之间形成等效的寄生电容cp。第二金属层200与第三金属层300之间形成耦合系数为k的两个变压器，分别对应差分的q路耦合。差分的输入信号在第二金属层200中对第三金属层300进行变压耦合，以实现差分的q路对外输出。而在第二金属层200在实现差分的i路对外输出。利用金属走线的寄生电容cp和实际的变压器进行谐振，从而不需要额外添加电容就能实现谐振，降低了功率损耗。针对传统doherty功率放大器结构中的正交信号产生器面积大，损耗大的缺点，本发明通过将iq两路变压器进行合理的版图布局，利用金属间上下磁耦合和侧边磁耦合相结合的方法，使之只占一个变压器的面积，实现了其小型化的目标。
56.在图9中可见，增益特性在28ghz仅有0.6db的插入损耗，其中3db是功率分离。而图10中可见，在20ghz-40ghz内，相位正交特性良好，有利于实现宽带应用。因此该正交信号产生器实现了良好的相位正交性。
57.图11是本发明所述doherty功率放大器的小信号s参数仿真结果，其显示在28ghz左右，小信号增益s21为18.7db，其3db带宽为26.02-29.05ghz。输入匹配s11在28ghz为-20.61db。隔离度s12在28ghz小于-84.31db。
58.图12是本发明所述doherty功率放大器的大信号仿真结果，其功率增益是22.1db，功率增益抖动为0.86db，饱和输出功率是23.3dbm，输出1db压缩点是22.92dbm。
59.图13是本发明所述doherty功率放大器的大信号输出功率回退仿真结果，其峰值功率附加效率是37.38％，6db输出功率回退效率是24.5％，相比理想b类放大器，6db功率回退效率提升了1.54倍。
60.通过蒙特卡洛仿真模拟，可以进一步验证了工艺角变化和不匹配所带来的影响。仿真100次的结果如图14-16所示，其显示了误差分布，与后仿真结果具有良好的一致性。证明本发明所述正交信号产生器具有小面积、低损耗等特点的同时，所述doherty功率放大器在整体性能不变。
61.对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。