一种宽带无源高阶网络

1.本发明涉及一种宽带无源高阶网络，属于电路与系统领域，特别是微电子与固态电子学的微波/射频/毫米波集成电路技术领域。


背景技术：

2.近年来随着智能终端的普及以及应用的多样化，催生了无线通信的迅速发展。sub-6ghz中频段、特别是毫米波频段由于其高宽带、高数据速率以及低延迟等优点，在卫星通信、雷达、5g无线通信技术等领域得到了广泛关注。为了充分利用毫米波频段的频谱资源，宽带化技术也成为当今研究热点。
3.cmos工艺凭借自身具有的低成本和高集成度优势，一直是射频领域研究的重点。随着频率的不断增加，cmos器件的有效跨导逐渐下降，耐压能力逐渐下滑，寄生效应的影响更加显著，实现电路高带宽性能的设计也变得更加困难。因此基于cmos工艺的宽带化技术仍然成为一种挑战。
4.文献1“h.jia,c.c.prawoto,b.chi,z.wang and c.p.yue,"a full ka-band power amplifier with 32.9％pae and 15.3-dbm power in 65-nm cmos,"in ieee transactions on circuits and systems i:regular papers,vol.65,no.9,pp.2657-2668,sept.2018.”中提出了一种基于磁耦合谐振器匹配网络的cmos宽带毫米波功率放大器，该功率放大器的分数带宽为21.6～41.6ghz，覆盖了全ka波段。该文献通过研究磁耦合谐振器的|z21|的幅频相应曲线的平坦范围，来确定功率放大器的带宽。但由于该磁耦合谐振器的平坦幅度输出频率范围不宽，导致该功率放大器的带宽不够宽，宽带性能还有优化空间。
5.文献2“q.jiang and q.pan,"analysis and design of tuning-less mm-wave injection-locked frequency dividers with wide locking range using 8th-order transformer-based resonator in 40nm cmos,"in ieee journal of solid-state circuits,vol.57,no.9,pp.2812-2828,sept.2022.”中将一种基于八阶变压器的谐振器应用在注入锁定分频器中，实现超宽锁定范围，最大锁定范围可达63.1ghz。但该八阶变压器相位平坦度低，导致该分频器的注入锁定范围受限于最大相移，提高了设计难度。
6.综合上述，相比于传统高阶耦合网络，采用本发明设计的宽带无源高阶网络能够拓宽幅频曲线的平坦范围和相频曲线的“近零”平坦范围，提高幅频曲线和相频曲线的平坦度，使电路实现宽工作频率范围和宽频带范围内的平坦幅度输出。


技术实现要素：

7.发明目的：本发明的目的在于提供一种宽带无源高阶网络能拓宽幅频曲线的平坦范围和相频曲线的“近零”平坦范围，提高幅频曲线和相频曲线的平坦度，以解决传统用于射频/毫米波频段的高阶网络的幅频曲线、相频曲线的平坦范围和平坦度的折中问题；所述宽带无源高阶网络能够同时实现相频曲线的宽“近零”平坦范围和幅频曲线的宽平坦幅度
输出范围，以解决传统用于射频/毫米波频段的高阶网络的相频曲线的“近零”平坦范围和幅频曲线的平坦幅度输出范围的折中问题。
8.技术方案：本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
9.一种宽带无源高阶网络，所述高阶网络由两个及两个以上子网络级联组成；所述子网络由电容、电感以及电感之间的耦合效应实现；两个子网络之间存在连接或耦合；所述宽带无源高阶网络的幅频特性曲线呈现宽频率范围的平坦特性，由子网络的幅频特性曲线加权叠加构成；所述宽带无源高阶网络的相频特性曲线呈现宽频率范围的“近零”特性，由子网络的超前或滞后的相频特性曲线相互抵消构成。
10.作为优选，所述子网络t1的输入端作为所述高阶网络的输入端，所述子网络tn的输出端作为所述高阶网络的输出端；所述子网络由一个至多个子单元1或子单元2级联组成；所述子单元1由两个电容和两个电感组成；所述子单元1的输入端口的正端和负端之间并联一个电感，子单元1的输出端口的正端和负端之间并联一个电感；所述两个电感的正端之间通过一个电容相连，两个电感的负端之间通过一个电容相连；所述两个电感之间存在耦合；所述子单元2由两个电容和一个电感组成；所述子单元2的输出端口的正端和负端之间并联一个电感；所述电感正端连接一个电容，电感负端连接一个电容。
11.作为优选，所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2以及第一电容c1、第二电容c2；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合；所述子网络t2包括第三电感l3以及第三电容c3、第四电容c4；所述子网络t1中第二电感l2正端和所述子网络t2中第三电感l3正端，分别与第三电容c3的正端和负端连接；t1中第二电感l2负端和所述子网络t2中第三电感l3负端，分别与第四电容c4的正端和负端连接。
12.作为优选，所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2以及第一电容c1、第二电容c2；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合；所述子网络t2包括第三电感l3、第四电感l4以及第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6；第三电感l3正端和第四电感l4正端分别与第三电容c3的正端和负端连接，第三电感l3负端和第四电感l4负端分别与第四电容c4的正端和负端连接；第三电感l3和第四电感l4之间存在耦合；所述子网络t1中第二电感l2正端和所述子网络t2中第三电感l3正端，分别与第五电容c5的正端和负端连接；所述子网络t1中第二电感l2负端和所述子网络t2中第三电感l3负端，分别与第六电容c6的正端和负端连接。
13.作为优选，所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3以及第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第二电感l2正端和第三电感l3正端分别与第三电容c3的正端和负端连接，第二电感l2负端和第三电感l3负端分别与第四电容c4的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合，第二电感l2和第三电感l3之间存在耦合，第一电感l1和第三电感l3之间存在耦合；所述子网络t2包括
第四电感l4以及第五电容c5、第六电容c6；所述子网络t1中第三电感l3正端和所述子网络t2中第四电感l4正端，分别与第五电容c5的正端和负端连接；所述子网络t1中第三电感l3负端和所述子网络t2中第四电感l4负端，分别与第六电容c6的正端和负端连接。
14.作为优选，所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3以及第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第二电感l2正端和第三电感l3正端分别与第三电容c3的正端和负端连接，第二电感l2负端和第三电感l3负端分别与第四电容c4的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合，第二电感l2和第三电感l3之间存在耦合，第一电感l1和第三电感l3之间存在耦合；所述子网络t2包括第四电感l4、第五电感l5以及第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8；第四电感l4正端和第五电感l5正端分别与第七电容c7的正端和负端连接，第四电感l4负端和第五电感l5负端分别与第八电容c8的正端和负端连接；所述子网络t1中第三电感l3正端和所述子网络t2中第四电感l4正端，分别与第五电容c5的正端和负端连接；t1中第三电感l3负端和所述子网络t2中第四电感l4负端，分别与第六电容c6的正端和负端连接；第四电感l4和第五电感l5之间存在耦合。
15.具体实现时，网络中的电感采用片上电感实现或键合线实现，电容采用片上电容、片上可变电容或电感间的寄生电容实现。
16.有益效果：现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.1、本发明的一种宽带无源高阶网络能够拓宽幅频曲线的平坦范围和相频曲线的“近零”平坦范围，提高幅频曲线和相频曲线的平坦度，以解决传统用于射频/毫米波频段的高阶网络的幅频曲线、相频曲线的平坦范围和平坦度的折中问题。
18.2、本发明的一种宽带无源高阶网络能够同时实现相频曲线的宽“近零”平坦范围和幅频曲线的宽平坦幅度输出范围，以解决传统用于射频/毫米波频段的高阶网络的相频曲线的“近零”平坦范围和幅频曲线的平坦幅度输出范围的折中问题。
19.3、本发明的一种宽带无源高阶网络，可应用于功率放大器电路、振荡器电路、倍频器电路、分频器电路或接收机、发射机中，充当负载、匹配网络或阻抗变换网络功能，实现宽工作频率范围，宽频带范围内的平坦幅度输出或宽频带范围内的阻抗匹配。
附图说明
20.图1是本发明一种宽带无源高阶网络的结构框图。
21.图2是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施例电路原理图。
22.图3是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施例电路原理图。
23.图4是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施例电路原理图。
24.图5是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施例电路原理图。
25.图6是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施例电路的幅频特性曲线示意图。
26.图7是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施例电路的相频特性曲线示意图。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
28.本发明公开的一种宽带无源高阶网络，由电容、电感以及电感之间的耦合效应实现，该高阶网络的幅频特性曲线呈现宽频率范围的平坦特性，相频特性曲线呈现宽频率范围的“近零”特性；可以应用于放大器电路、振荡器电路、倍频器电路、分频器电路或接收机、发射机中，充当负载、匹配网络或阻抗变换网络功能，实现宽工作频率范围，宽频带范围内的平坦幅度输出或宽频带范围内的阻抗匹配。
29.如图1所示，本发明实例所述的一种宽带无源高阶网络由两个及两个以上子网络级联组成，两个子网络之间存在连接或耦合。所述子网络t1的输入端作为所述高阶网络的输入端，所述子网络tn的输出端作为所述高阶网络的输出端；所述子网络由一个至多个子单元1或子单元2级联组成；所述子单元1由两个电容和两个电感组成；所述子单元1的输入端口的正端和负端之间并联一个电感，子单元1的输出端口的正端和负端之间并联一个电感；所述两个电感的正端之间通过一个电容相连，两个电感的负端之间通过一个电容相连；所述两个电感之间存在耦合；所述子单元2由两个电容和一个电感组成；所述子单元2的输出端口的正端和负端之间并联一个电感；所述电感正端连接一个电容，电感负端连接一个电容。
30.所述宽带无源高阶网络，通过合理设计其电感、电容以及电感之间耦合系数的值，令子网络的幅频特性曲线加权叠加，子网络的超前或滞后的相频特性曲线相互抵消，使幅频特性曲线呈现宽频率范围的平坦特性，使相频特性曲线呈现宽频率范围的“近零”特性，
31.如图2所示，是本发明实施例所述的宽带无源高阶网络的另一种具体电路结构。所所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2以及第一电容c1、第二电容c2；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合系数k12；所述子网络t2包括第三电感l3以及第三电容c3、第四电容c4；所述子网络t1中第二电感l2正端和所述子网络t2中第三电感l3正端，分别与第三电容c3的正端和负端连接；t1中第二电感l2负端和所述子网络t2中第三电感l3负端，分别与第四电容c4的正端和负端连接。调整耦合系数，可以调节工作频率范围、平坦幅度输出频率范围及匹配的中心频率。
32.如图3所示，是本发明实施例所述的宽带无源高阶网络的另一种具体电路结构。所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2以及第一电容c1、第二电容c2；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合系数k12；所述子网络t2包括第三电感l3、第四电感l4以及第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6；第三电感l3正端和第四电感l4正端分别与第三电容c3的正端和负端连接，第三电感l3负端和第四电感l4负端分别与第四电容c4的正端和负端连接；第三电感l3和第四电感l4之间存在耦合系数k34；所述子网络t1中第二电感l2正端和所述子网络t2中第三电感l3正端，分别与第五电容c5的正端和负端连接；所述子网络t1中第二电感l2负端和所述子网络t2中第三电感l3负端，分别与
第六电容c6的正端和负端连接。调整耦合系数，可以调节工作频率范围、平坦幅度输出频率范围及匹配的中心频率。
33.如图4所示，是本发明实施例所述的宽带无源高阶网络的另一种具体电路结构。所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3以及第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合；第二电感l2正端和第三电感l3正端分别与第三电容c3的正端和负端连接，第二电感l2负端和第三电感l3负端分别与第四电容c4的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合系数k12，第二电感l2和第三电感l3之间存在耦合系数k23，第一电感l1和第三电感l3之间存在耦合系数k13；；所述子网络t2包括第四电感l4以及第五电容c5、第六电容c6；所述子网络t1中第三电感l3正端和所述子网络t2中第四电感l4正端，分别与第五电容c5的正端和负端连接；所述子网络t1中第三电感l3负端和所述子网络t2中第四电感l4负端，分别与第六电容c6的正端和负端连接。调整耦合系数，可以调节工作频率范围、平坦幅度输出频率范围及匹配的中心频率。
34.如图5所示，是本发明实施例所述的宽带无源高阶网络的另一种具体电路结构。所述宽带无源高阶网络由子网络t1和子网络t2级联组成；所述子网络t1包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3以及第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4；第一电感l1正端和第二电感l2正端分别与第一电容c1的正端和负端连接，第一电感l1负端和第二电感l2负端分别与第二电容c2的正端和负端连接；第二电感l2正端和第三电感l3正端分别与第三电容c3的正端和负端连接，第二电感l2负端和第三电感l3负端分别与第四电容c4的正端和负端连接；第一电感l1和第二电感l2之间存在耦合系数k12，第二电感l2和第三电感l3之间存在耦合系数k23，第一电感l1和第三电感l3之间存在耦合系数k13；所述子网络t2包括第四电感l4、第五电感l5以及第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8；第四电感l4正端和第五电感l5正端分别与第七电容c7的正端和负端连接，第四电感l4负端和第五电感l5负端分别与第八电容c8的正端和负端连接；所述子网络t1中第三电感l3正端和所述子网络t2中第四电感l4正端，分别与第五电容c5的正端和负端连接；t1中第三电感l3负端和所述子网络t2中第四电感l4负端，分别与第六电容c6的正端和负端连接；第四电感l4和第五电感l5之间存在耦合系数k45。调整耦合系数，可以调节工作频率范围、平坦幅度输出频率范围及匹配的中心频率。
35.图2-图6所述的具体实施电路可以从差分结构转换成单端结构，同样可以实现拓宽幅频响应曲线的平坦范围和相频响应曲线的“近零”平坦范围，提高幅频响应曲线和相频曲线的平坦度的效果。
36.宽带无源高阶网络基于两个及两个以上子网络的级联，所述子网络由电容、电感以及电感之间的耦合效应实现，可以拓宽幅频响应曲线的平坦范围和相频响应曲线的“近零”平坦范围，提高幅频响应曲线和相频曲线的平坦度。电感可以采用片上电感实现或键合线实现，电容可以采用片上电容、片上可变电容或电感间的寄生电容实现。
37.如图6是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施电路的幅频特性曲线示意图，如图7是本发明一种宽带无源高阶网络的具体实施电路的相频特性曲线示意图。从图中可
以看出宽带无源高阶网络可以拓宽幅频响应曲线的平坦范围和相频曲线的“近零”平坦范围，提高幅频响应曲线和相频曲线的平坦度。
38.本发明实施例所述的宽带无源高阶网络可应用于放大器电路、振荡器电路、分频器电路、倍频器电路或接收机、发射机中，充当负载、匹配网络或阻抗变换网络功能，并实现宽工作频率范围、宽平坦幅度输出和宽频带范围内的阻抗匹配。
39.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。