一種功率合成器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種功率合成器，包括N個弧形傳輸線變壓器和N-1個傳輸線，每一個弧形傳輸線變壓器包括主線圈和次線圈，共有N個主線圈和N個次線圈，每一個主線圈的兩端作為功率合成器的輸入端口，N個次線圈分別通過N-1個傳輸線依次串聯(lián)連接。本發(fā)明采用圓弧結(jié)構(gòu)，N個傳輸線變壓器可組合成一個圓形傳輸線變壓器，幾何形狀規(guī)則，設(shè)計簡單，主次線圈之間不需要交叉繞線；N個傳輸線變壓器位置對稱，方便版圖布局。相較于多邊形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用圓弧形狀的傳輸線結(jié)構(gòu)，增加片上傳輸線的品質(zhì)因數(shù)，減小射頻信號的損耗。采用傳輸線變壓器進行功率合成，相較于采用無源電感電容結(jié)構(gòu)的功率合成器，具有超寬帶的信號傳輸特性。
【專利說明】一種功率合成器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高頻無源器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種功率合成器。
【背景技術(shù)】
[0002]無線通信技術(shù)已經(jīng)滲透到生活中各個方面，成功應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、軍事國防、智能家居、機器人控制等許多重要領(lǐng)域。由于人們活動領(lǐng)域的擴大，近距離通信已經(jīng)不能滿足人們的需求，高性能、遠距離無線通信是未來的發(fā)展趨勢。無線發(fā)射設(shè)備中，為了保證足夠遠的傳輸距離，信號必須經(jīng)過一系列的放大器直至獲得足夠大的發(fā)射功率，通過射頻天線發(fā)射出去。然而，一般功率管輸出功率是有限的，無法滿足遠距離傳輸?shù)男枨螅捎锰厥夤に囋O(shè)計的功率管雖然可以達到設(shè)計要求，可是設(shè)計成本大大增加。在功率放大器的設(shè)計中采用功率合成技術(shù)將多路輸出功率進行同相疊加，是獲得更高輸出功率的有效途徑和關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，功率合成器在射頻領(lǐng)域，尤其是到大功率發(fā)射機中的重要性尤其突出。
[0003]現(xiàn)在國際上功率合成器主要有:采用Wilkinson技術(shù)的功率合成器，將兩路放大器的輸出由Wilkinson合成器合為一路，但由于該結(jié)構(gòu)采用四分之一波長傳輸線，很難用集成電路實現(xiàn)；2011年ISSCC會議上三星電機美國公司研究員Woonyun Kim，針對GSM和EDGE手機設(shè)計，在CMOS中集成的一個四頻段功率放大器，采用了功率合成器，最大輸出功率達到2W以上；關(guān)于功率合成器的設(shè)計，美國佐治亞理工學院也提出了相應(yīng)的解決方案，Kyu Hwan An, Jihwan Kim等人對功率合成器的三種結(jié)構(gòu)PCT、PST和PSCT進行了詳細的理論分析，并成功應(yīng)用于線性和非線性功率放大器的設(shè)計。
[0004]但是，以上Woonyun Kim、Kyu Hwan An等人設(shè)計的功率合成器面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，需要用到多層金屬走線，增加了過孔引起的損耗，導(dǎo)致功率合成器的效率下降，影響功率放大器的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種功率合成器，其目的在于提高功率放大器的性能，由此解決現(xiàn)有功率合成器面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，需要用到多層金屬走線，增加了過孔引起的損耗，導(dǎo)致功率合成器的效率下降，影響功率放大器的性能等技術(shù)問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種功率合成器，其特征在于，包括N個弧形傳輸線變壓器和N-1個傳輸線，每一個弧形傳輸線變壓器包括主線圈和次線圈，共有N個主線圈和N個次線圈，每一個主線圈的兩端作為功率合成器的輸入端口，N個次線圈分別通過N-1個傳輸線依次串聯(lián)連接，兩個次線圈的非串聯(lián)連接端作為功率合成器的輸出端口 ；N為大于等于2的正整數(shù)。
[0007]更進一步地，當N為2時，所述功率合成器包括:第一半圓弧形傳輸線變壓器、第二半圓弧形傳輸線變壓器和傳輸線； 第一半圓弧形傳輸線變壓器包括第一主線圈和第一次線圈；第二半圓弧形傳輸線變壓器包括第二主線圈和第二次線圈；第一主線圈的兩端和第二主線圈的兩端均作為所述功率合成器的輸入端口，第一主線圈的中點和第二主線圈的中點作為電源輸入端；第一次線圈的一端通過所述傳輸線與所述第二次線圈連接，所述第一次線圈的另一端和所述第二次線圈的另一端作為所述功率合成器的輸出端口。
[0008]更進一步地，當N為3時，所述功率合成器包括:第一弧形傳輸線變壓器、第二弧形傳輸線變壓器、第三弧形傳輸線變壓器、第一傳輸線和第二傳輸線；第一弧形傳輸線變壓器包括第三主線圈和第三次線圈；第二弧形傳輸線變壓器包括第四主線圈和第四次線圈；第三弧形傳輸線變壓器包括第五主線圈和第五次線圈；每一個主線圈的兩端作為所述功率合成器的輸入端口，每一個主線圈的中點作為電源輸入端；所述第三次線圈的一端通過所述第一傳輸線與所述第四次線圈的一端連接，所述第五次線圈的一端通過所述第二傳輸線與所述第四次線圈的另一端連接；所述第三次線圈的另一端與所述第五次線圈的另一端分別作為所述功率合成器的兩個輸出端口。 [0009]更進一步地，當N為4時，所述功率合成器包括:第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器、第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器、第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器和三個傳輸線；第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器包括第六主線圈和第六次線圈；第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器包括第七主線圈和第七次線圈；第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器包括第八主線圈和第八次線圈；第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器包括第九主線圈和第九次線圈；每一個主線圈的兩端作為所述功率合成器的輸入端口；每一個主線圈的中點作為電源輸入端；第九次線圈的一端通過傳輸線與第六次線圈的一端連接，第六次線圈的另一端通過傳輸線與第七次線圈的一端連接，第七次線圈的另一端通過傳輸線與第八次線圈的一端連接，第八次線圈的另一端和第九次線圈的另一端作為所述功率合成器的輸出端口。
[0010]更進一步地，所述功率合成器為關(guān)于YY’軸對稱的結(jié)構(gòu)，YY’軸定義為功率合成器的豎直中心軸。
[0011]更進一步地，所述功率合成器的輸入電壓和輸出電壓Vrat之間滿足下述公式:Vout=OVnI).Vpi+OVn1).Vp2+...+ (Ii2Ai1)…Vpn ;其中叫、n2 分別為主、次線圈數(shù)；VP1> VP2...Vpn分別表不輸入電壓。
[0012]更進一步地，傳輸線為單層金屬。
[0013]本發(fā)明采用圓弧結(jié)構(gòu)，N個傳輸線變壓器可組合成一個圓形傳輸線變壓器，幾何形狀規(guī)則，設(shè)計簡單，主次線圈之間不需要交叉繞線；N個傳輸線變壓器位置對稱，方便版圖布局。相較于多邊形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用圓弧形狀的傳輸線結(jié)構(gòu)，提高片上傳輸線的品質(zhì)因數(shù)，減小射頻信號的損耗。采用單層金屬設(shè)計傳輸線，主次線圈之間不會有任何交疊，減小線圈間的耦合寄生電容，同時在版圖布局過程中無需使用過孔，避免過孔帶來的損耗。本發(fā)明采用單層金屬設(shè)計，基本適用于任何射頻工藝，無需做任何修改即可應(yīng)用于各種設(shè)計情況，縮短研發(fā)周期，降低設(shè)計成本。采用傳輸線變壓器進行功率合成，相較于采用無源電感電容結(jié)構(gòu)的功率合成器，具有超寬帶的信號傳輸特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是功率合成器的原理示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明所述的N等于2時功率合成器的結(jié)構(gòu)示意圖。[0016]圖3是本發(fā)明所述的N等于3時功率合成器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明所述的N等于4時功率合成器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明所述的N等于8時功率合成器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖6是本發(fā)明所述的N等于4時功率合成器的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖7是本發(fā)明所述的N等于4時功率合成器在不同工藝和外徑尺寸情況下的仿真結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0022]本發(fā)明提供的功率合成器的結(jié)構(gòu)，采用了一種弧形傳輸線變壓器結(jié)構(gòu)，將多個功率放大器的輸出信號相加，降低功率管上所承受的電壓，降低直流損耗，提高功率放大器的效率。該功率合成器的特點是:N個并聯(lián)的弧形線圈組成傳輸線變壓器的主線圈，N個串聯(lián)的弧形線圈組成傳輸線變壓器的次線圈，主線圈和次線圈平行，通過磁場耦合作用實現(xiàn)主線圈的交流信號在次線圈相加，達到功率合成的目的。N為大于等于2的正整數(shù)。傳輸線變壓器的主線圈兩端分別連接功率放大器的差分輸出端，直流電源從主線圈的中點接入，同時主線圈還充當扼流圈的作用；傳輸線變壓器的次線圈和主線圈并聯(lián)，用N-1段傳輸線將N個次線圈串聯(lián)相接，通過次線圈和主線圈之間的磁場耦合作用，實現(xiàn)輸出交流信號相加和功率合成。
[0023] 為了降低線圈的等效電阻，在射頻集成工藝條件下，主線圈和次線圈均采用頂層金屬實現(xiàn)，在普通集成工藝條件下，可以采用多層金屬并聯(lián)，主次線圈均采用圓弧形。本發(fā)明所提出的功率合成器呈完全對稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計簡單，方便版圖布局，下面以N等于4為例進行說明:如圖4所示，四個變壓器所在位置關(guān)于芯片整體布局的中軸線和斜對角線對稱，其中第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400和第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401和第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402沿豎直中心軸Ti’對稱，且第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400和第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401、第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402和第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403沿水平中心軸XX’對稱，第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400和第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401和第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403分別沿斜對角線ee’和--’對稱。
[0024]圖1所示為本發(fā)明所提出的功率合成器102的示意圖，功率合成器102包括兩部分:主線圈和次線圈，其中主線圈由N個雙端輸入的線圈100并聯(lián)組成，次線圈由N個雙端輸出的線圈101串聯(lián)組成；功率合成器總共包括2Ν個輸入端口和2個輸出端口。當N個相同的交流信號Vp1、Vp2…Vpn輸入到功率合成器的主線圈，經(jīng)過N個變壓器耦合作用，輸出Vs1、Vs2-Vsn到變壓器的次線圈，由于變壓器的次線圈串聯(lián)相接，功率合成器的輸出端信號Vwt大小為 m 的相加之和，vwt=vsi+vs2+…+VSN，同時 Vsi=(Vn1) H=(Vn1).νρ2...Vsn=(Ii2Ai1).Vpn，其中ηι、η2為變壓器主次線圈數(shù)，所以功率合成器的輸入輸出電壓關(guān)系如下式(I)所示:
[0025]Vout=Oi2Ai1) -Vp^Oi2Ai1).Vp2+...+ OVn1)…Vpn=N.(η?.Vpn (I)
[0026]從式(I)可以看到，功率合成器的輸出電壓等于N個輸入電壓之和乘以線圈比，即實現(xiàn)N個交流信號的相加。N個弧形傳輸線變壓器可組合成一個圓形傳輸線變壓器，相較于多邊形結(jié)構(gòu)，弧形傳輸線具有最佳品質(zhì)因數(shù)。
[0027]本發(fā)明所提出的功率合成器的主次線圈經(jīng)過組合變換可形成一個完整的圓形傳輸線變壓器，不同取值的N對應(yīng)不同形狀的功率合成器。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在如下幾個方面:
[0029](I)本發(fā)明采用圓弧結(jié)構(gòu)，N個傳輸線變壓器可組合成一個圓形傳輸線變壓器，幾何形狀規(guī)則，設(shè)計簡單，主次線圈之間不需要交叉繞線；N個傳輸線變壓器位置對稱，方便版圖布局。相較于多邊形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用圓弧形狀的傳輸線結(jié)構(gòu)，增加片上傳輸線的品質(zhì)因數(shù)，減小射頻信號的損耗。
[0030](2)本發(fā)明采用單層金屬設(shè)計傳輸線，主次線圈之間不會有任何交疊，減小線圈間的耦合寄生電容，同時在版圖布局過程中無需使用過孔，避免過孔帶來的損耗。本發(fā)明采用單層金屬設(shè)計，基本適用于任何射頻工藝，無需做任何修改即可應(yīng)用于各種設(shè)計情況，縮短研發(fā)周期，減小設(shè)計成本。
[0031](3)本發(fā)明采用傳輸線變壓器進行功率合成，相較于采用無源電感電容結(jié)構(gòu)的功率合成器，具有超寬帶的信號傳輸特性。
[0032]本發(fā)明提出一種功 率合成器，主要應(yīng)用于高頻功率放大器的設(shè)計，屬于射頻集成電路領(lǐng)域，如無線局域網(wǎng)收發(fā)器(Transceiver)、手機通訊芯片(GSM、WCDMA, LTE)等，功率合成器件在功率放大器中主要用來實現(xiàn)功率合成和阻抗變換，提高功率放大器的發(fā)射功率和效率。而且該功率合成器結(jié)構(gòu)簡單，形狀完全對稱，設(shè)計難度小，版圖布局方便，在采用不同工藝設(shè)計時性能基本不變，能方便應(yīng)用到不同的設(shè)計情況，縮短設(shè)計時間，降低設(shè)計成本。
[0033]總體而言，本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用弧形傳輸線結(jié)構(gòu)的功率合成器，能夠取得高效率片上功率合成器、降低功率放大器的設(shè)計難度等有益效果，尤其適用于CMOS工藝設(shè)計的功率放大器。
[0034]為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的功率合成器，現(xiàn)給出具體實例并詳述如下:
[0035]實施例1:
[0036]N等于2時，功率合成器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該功率合成器沿豎直中心軸YY’對稱，由第一半圓弧形傳輸線變壓器200、第二半圓弧形傳輸線變壓器201和傳輸線202組成。第一半圓弧形傳輸線變壓器200由第一主線圈203和第一次線圈204組成，其中第一主線圈203有三個端點:兩個信號輸入端209、210和一個電源輸入端207。第二半圓弧形傳輸線變壓器201的結(jié)構(gòu)和第一半圓弧形傳輸線變壓器200相同，由第二主線圈205和第二次線圈206組成，其中第二主線圈205有三個端點:兩個信號輸入端211、212和一個電源輸入端208。傳輸線202將第一次線圈204、第二次線圈206相接，形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。從圖2可以看到組成功率合成器的傳輸線均為半圓形，所以將第一半圓弧形傳輸線變壓器200和第二半圓弧形傳輸線變壓器201組合可形成兩個并聯(lián)的圓形傳輸線，組成一個完整的圓形傳輸線變壓器。
[0037]該功率合成器結(jié)構(gòu)簡單，由兩個半圓弧形的傳輸線變壓器組成，主次線圈之間的間距根據(jù)設(shè)計規(guī)則一般取最小值，增加線圈之間的耦合。為了進一步提高功率合成器的性能，根據(jù)具體工藝不同可選擇相應(yīng)的方法，一般可以在該結(jié)構(gòu)下加入N肼等隔離層，或者設(shè)計屏蔽接地等結(jié)構(gòu)。
[0038]實施例2:
[0039]N等于3時功率合成器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該功率合成器300由第一弧形傳輸線變壓器301、第二弧形傳輸線變壓器302、第三弧形傳輸線變壓器303、第一傳輸線307和第二傳輸線308組成，三個弧形傳輸線變壓器關(guān)于功率合成器的豎直中心軸Ti’和對角線軸ee’、ff’完全對稱。第一弧形傳輸線變壓器301由第三主線圈318和第三次線圈304組成，其中第三主線圈有三個端點:兩個信號輸入端309、310和一個電源輸入端315。第二弧形傳輸線變壓器302、第三弧形傳輸線變壓器303的結(jié)構(gòu)和第一弧形傳輸線變壓器301相同，不再詳述。從圖3可以看到組成功率合成器的傳輸線均為三分之一圓弧形，所以將第一弧形傳輸線變壓器301、第二弧形傳輸線變壓器302和第三弧形傳輸線變壓器303組合可組成兩個并聯(lián)的圓形傳輸線，形成一個完整的圓形傳輸線變壓器。
[0040]同樣實施例1中所述的提高功率合成器性能的方法也適用于實施例2。
[0041]實施例3:
[0042]N等于4時功率合成器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，該功率合成器由第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401、第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402、第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403和三個傳輸線420、421、422組成，四個四分之一圓弧形傳輸線變壓器關(guān)于功率合成器的水平中心軸XX’、豎直中心軸YY’和對角線軸ee’、ff’完全對稱。每個四分之一圓弧形傳輸線變壓器包括四個部分:主線圈、次線圈差分信號輸入端和電源VDD輸入端，而且每個四分之一圓弧形傳輸線變壓器自身關(guān)于與之相交的斜對角線對稱。404為第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400的第六主線圈，其中點處410為電源電壓VDD的輸入端口，用片上焊盤(PAD)實現(xiàn)，其兩端408、409為差分信號輸入端口，一般和功率管的輸出端口相連，如MOS管的漏端、BJT管的集電極，同時第六主線圈404還作為功率管的扼流電感起阻隔交流信號的作用。423為第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400的第六次線圈，和第六主線圈404之間通過磁場作用相互耦合。第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400關(guān)于對角線ff ’對稱。405為第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401的第七主線圈，其中點處413為電源電壓VDD的輸入端口，用片上焊盤(PAD)實現(xiàn)，其兩端411、412為差分信號輸入端口，一般和功率管的輸出端口相連，如MOS管的漏端、BJT管的集電極，同時第七主線圈405還作為功率管的扼流電感起阻隔交流信號的作用。424為第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401的第七次線圈，和第七主線圈405之間通過磁場作用相互耦合。第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401關(guān)于對角線ee’對稱。406為第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402的第八主線圈,其中點處416為電源電壓VDD的輸入端口，用片上焊盤(PAD)實現(xiàn)，其兩端414、415為差分信號輸入端口，一般和功率管的輸出端口相連，如MOS管的漏端、BJT管的集電極，同時第八主線圈406還作為功率管的扼流電感起阻隔交流信號的作用。425為第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402的第八次線圈，和第八主線圈406之間通過磁場作用相互耦合。第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402關(guān)于對角線ff’對稱。407為第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403的第九主線圈，其中點處419為電源電壓VDD的輸入端口，用片上焊盤(PAD)實現(xiàn)，其兩端417、418為差分信號輸入端口，一般和功率管的輸出端口相連，如MOS管的漏端、BJT管的集電極，同時第九主線圈407還作為功率管的扼流電感起阻隔交流信號的作用。426為第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403的第九次線圈，和第九主線圈407之間通過磁場作用相互耦合。第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403關(guān)于對角線ee’對稱。第六次線圈423、第七次線圈424、第八次線圈425、第九次線圈426通過傳輸線420、421、422相連，組成串聯(lián)形式，通過磁場耦合作用將四個高頻放大器輸出信號相加，輸出到負載電阻。
[0043]第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401、第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402、第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403的主次線圈均采用芯片制造工藝中的金屬層實現(xiàn)，金屬的材料由實際工藝決定，射頻工藝的情況一般選用頂層金屬，因為頂層金屬最厚而且離襯底最遠，可以降低對襯底的寄生電容和對襯底的泄露電流；普通工藝一般可采用多層金屬并聯(lián)實現(xiàn)，通過增加金屬的等效厚度，減小直流損耗，提高變壓器的性能。第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器400、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器401、第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器402、第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器403的主次線圈均采用四分之一弧形傳輸線實現(xiàn)，根據(jù)具體工藝的加工規(guī)則也可以進行必要的修改，采用多邊形結(jié)構(gòu)，如八邊形，但是圓形片上傳輸線具有最高品質(zhì)因數(shù)。在具體的實施過程中可以在四個變壓器兩端加入調(diào)諧電容，提高片上變壓器的性能。
[0044]同樣實施例1中所述的提高功率合成器性能的方法也適用于實施例3。
[0045]實施例4:
[0046]N等于8時功率合成器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，該功率合成器500由八個相同的弧形傳輸線變壓器組成，每個傳輸線變壓器包括主線圈502和次線圈505，主線圈503包括三個輸入端點:兩個信號輸入端503、504和一個電源電壓輸入端501。八個弧形傳輸線變壓器關(guān)于功率合成器的水平中心軸XX’、豎直中心軸Ti’和對角線軸ee’、ff ’完全對稱。從圖5可以看到組成功率合成器的傳輸線均為八分之一圓弧形，所以將八個傳輸線變壓器組合可形成一個完整的圓形傳輸線變壓器。
[0047]同樣實施例1中所述的提高功率合成器性能的方法也適用于實施例4。
[0048]實驗結(jié)果:
[0049]對N等于 4 的情況進行仿真驗證,采用 TSMC0.18um&0.13um MixedSignal&RF 1P6MCMOS和SiGe HBT BiCMOS三種不同工藝進行設(shè)計，選擇Agilent Momentum軟件對圖4所示的功率合成器模塊進行設(shè)計和電磁仿真。功率合成器的三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，對功率合成器的外徑取不同尺寸，仿真結(jié)果如圖7所示。取插入損耗作(IL)為功率合成器性能衡量標準，圖7(a)圖所示為N等于4時功率合成器在三種不同工藝(TSMC0.18um CMOS,TSMC0.13umCMOS、SiGe HBT BiCMOS)下插入損耗對頻率的變化趨勢，曲線LI對應(yīng)為TSMC0.18um CMOS工藝設(shè)計的N等于4時功率合成器的插入損耗，曲線L2、L3分別對應(yīng)為TSMC0.13um CMOS工藝和SiGe工藝設(shè)計的功率合成器的插入損耗?？梢钥吹皆摴β屎铣善髟诓捎貌煌に囋O(shè)計時插入損耗變化趨勢一致，說明本發(fā)明所提出的功率合成器性能基本與設(shè)計工藝無關(guān)，無需修改結(jié)構(gòu)即可應(yīng)用于任何設(shè)計工藝；圖7 (b)圖所示為N等于4時最小插入損耗對功率合成器外徑的變化趨勢，其中曲線L4、L5、L6分別對應(yīng)于TSMC0.18um CMOS、TSMC0.13umCMOS、SiGe HBT BiCMOS三種不同工藝設(shè)計的功率合成器的最小插入損耗對外徑的變化情況，三條曲線均隨著外徑的變大而下降，說明功率合成器外徑外徑越大，插入損耗也越大，所以在具體的設(shè)計中需要根據(jù)版圖面積、放大器工作頻率選擇合適尺寸山4對應(yīng)的插入損耗最小，即采用TSMC0.18um CMOS工藝設(shè)計的功率合成器性能最佳，其原因在于該工藝頂層金屬最厚(4.6um)，TSMC0.13um CMOS和SiGe HBT BiCMOS工藝的頂層金屬厚度分別為
3.35um和2.07um，遠小于TSMC180的4.6um，所以在具體設(shè)計的過程中應(yīng)該選取頂層金屬最厚的工藝，如果工藝的金屬厚度均相同也可以采用多層金屬并聯(lián)，提高功率合成器的效率。[0050] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種功率合成器，其特征在于，包括N個弧形傳輸線變壓器和N-1個傳輸線，每一個弧形傳輸線變壓器包括主線圈和次線圈，共有N個主線圈和N個次線圈，每一個主線圈的兩端作為功率合成器的輸入端口，N個次線圈分別通過N-1個傳輸線依次串聯(lián)連接，兩個次線圈的非串聯(lián)連接端作為功率合成器的輸出端口 ；N為大于等于2的正整數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的功率合成器，其特征在于，當N為2時，所述功率合成器包括:第一半圓弧形傳輸線變壓器(200)、第二半圓弧形傳輸線變壓器(201)和傳輸線(202); 第一半圓弧形傳輸線變壓器(200)包括第一主線圈(203)和第一次線圈(204);第二半圓弧形傳輸線變壓器(201)包括第二主線圈(205)和第二次線圈(206);第一主線圈(203)的兩端和第二主線圈(205)的兩端均作為所述功率合成器的輸入端口，第一主線圈(203)的中點和第二主線圈(205)的中點作為電源輸入端； 第一次線圈(204 )的一端通過所述傳輸線(202 )與所述第二次線圈(206 )連接，所述第一次線圈(204)的另一端和所述第二次線圈(206)的另一端作為所述功率合成器的輸出端□。
3.如權(quán)利要求1所述的功率合成器，其特征在于，當N為3時，所述功率合成器包括:第一弧形傳輸線變壓器(301)、第二弧形傳輸線變壓器(302)、第三弧形傳輸線變壓器(303)、第一傳輸線(307)和第二傳輸線(308)； 第一弧形傳輸線變壓器(301)包括第三主線圈(318)和第三次線圈(304);第二弧形傳輸線變壓器(302)包括第四主線圈(319)和第四次線圈(305);第三弧形傳輸線變壓器(303)包括第五主線圈(320)和第五次線圈(306); 每一個主線圈的兩端作為所述功率合成器的輸入端口，每一個主線圈的中點作為電源輸入端；所述第三次線圈(304 )的 一端通過所述第一傳輸線(307 )與所述第四次線圈(305 )的一端連接，所述第五次線圈(306)的一端通過所述第二傳輸線(308)與所述第四次線圈(305)的另一端連接；所述第三次線圈(304)的另一端與所述第五次線圈(306)的另一端分別作為所述功率合成器的兩個輸出端口。
4.如權(quán)利要求1所述的功率合成器，其特征在于，當N為4時，所述功率合成器包括:第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器(400)、第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器(401)、第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器(402)、第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器(403)和三個傳輸線.第一四分之一圓弧形傳輸線變壓器(400)包括第六主線圈(404)和第六次線圈(423);第二四分之一圓弧形傳輸線變壓器(401)包括第七主線圈(405)和第七次線圈(424);第三四分之一圓弧形傳輸線變壓器(402)包括第八主線圈(406)和第八次線圈(425);第四四分之一圓弧形傳輸線變壓器(403)包括第九主線圈(407)和第九次線圈(426)； 每一個主線圈的兩端作為所述功率合成器的輸入端口 ；每一個主線圈的中點作為電源輸入端；第九次線圈(426)的一端通過傳輸線與第六次線圈(423)的一端連接，第六次線圈(423)的另一端通過傳輸線與第七次線圈(424)的一端連接，第七次線圈(424)的另一端通過傳輸線與第八次線圈(425)的一端連接,第八次線圈(425)的另一端和第九次線圈(426)的另一端作為所述功率合成器的輸出端口。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的功率合成器，其特征在于，所述功率合成器為關(guān)于YY’軸對稱的結(jié)構(gòu)，YY’軸定義為功率合成器的豎直中心軸。
6.如權(quán)利要求1-4任一項所述的功率合成器,其特征在于,所述功率合成器的輸入電壓和輸出電壓Vtjut之間滿足下述公式=Vout=OVn1) -Vp^OVn1) * Vp2+--- +(H2Zn1).Vffl;其中叫、n2分別為主、次線圈數(shù)；VP1、VfVffl分別表不輸入電壓。
7.如權(quán)利要求1-4任.一項所述的功率合成器，其特征在于，傳輸線為單層金屬。
【文檔編號】H01P5/12GK103474736SQ201310393884
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】任志雄, 劉覽琦, 石林 申請人:武漢芯泰科技有限公司