CN110120790B - 用于多频带毫米波5g通信的宽带功率放大器和匹配网络 - Google Patents

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Abstract

一种用于多频带毫米波5G通信的宽带功率放大器和匹配网络。根据一个实施例，匹配网络电路包括：第一电容器，其与所述匹配网络电路的输入端口并联连接；宽带片上变压器，其与所述第一电容器并联连接，其中所述宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中所述次级绕组是部分绕组。所述匹配网络电路包括第二电容器，所述第二电容器串联地连接在所述宽带片上变压器和所述匹配网络电路的输出端口之间。

Description

用于多频带毫米波5G通信的宽带功率放大器和匹配网络
技术领域
本发明的实施例总体涉及无线通信装置。更具体地，本发明的实施例涉及通信装置的多频带功率放大器和宽带匹配网络。
背景技术
5G通信在约24GHz～43GHz的多频带频率范围内工作。多频带频率操作使5G无线通信装置中需要多频带功率放大器(PA)和匹配网络。5G无线发送器所用的传统多频带PA方案是将若干单频带PA和若干相应匹配网络直接组装在单个集成电路(IC)芯片中或者集成在多芯片模块(MCM)上。然而，由于过量的芯片/模块面积和封装的复杂性，因此该方法通常具有高成本。此外，该方案还使5G无线发送器中需要多频带双工器和/或开关网络，这将降低发送器的输出功率和效率。
替代方法是使用诸如变容器或频带选择开关等的可调谐部件，以在较宽的带宽上实现可调谐阻抗匹配。然而，片上可调谐部件呈现了无源损耗和调谐范围之间的直接折衷关系。为了覆盖24～43GHz的频率带宽，PA和相应匹配网络的性能将大幅降低。由于PA输出处的大电压摆动，因此可调谐部件还具有可靠性和非线性的问题。
高阶无源网络是实现宽带匹配的另一种解决方案。然而，传统的高阶无源网络通常需要多个电感器，因此占据了过量的芯片面积。
附图说明
本发明的实施例通过示例而非限制的方式在附图中示出，其中相同的附图标记表示类似的元件。
图1是示出根据一个实施例的无线通信装置的示例的框图。
图2是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的示例的框图。
图3是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的框图。
图4是示出根据一个实施例的功率放大器集成电路的示例的框图。
图5是示出根据一个实施例的宽带输出匹配网络的电路图的示例的框图。
图6A和图6B是图5的宽带输出匹配网络的3D EM模型的立体图和分解图。
图7示出图6A～图6B的输出匹配网络的从差分输出级所见的模拟差分负载阻抗((a)实部和(b)虚部)以及模拟(c)无源损耗的示例图。
图8是根据一个实施例的宽带级间匹配网络的3D EM模型的立体图。
具体实施方式
将参考以下讨论的详情来描述本发明的各实施例和各方面，并且附图将示出各个实施例。以下描述和附图说明了本发明，并且不应被解释为限制本发明。描述了许多具体详情以提供对本发明的各个实施例的透彻理解。然而，在某些情况下，不描述公知的或常规的详情，以提供对本发明的实施例的简明讨论。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着，结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性可被包括在本发明的至少一个实施例中。本说明书中各处出现的的短语“在一个实施例中”不必然都指代同一实施例。
根据一些实施例，匹配网络电路包括：第一电容器，其与匹配网络电路的输入端口并联连接；宽带片上变压器，其与第一电容器并联连接，其中宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中次级绕组是部分绕组。匹配网络电路包括第二电容器，该第二电容器串联地连接在宽带片上变压器和匹配网络电路的输出端口之间。
在一方面，宽带片上变压器的初级绕组和次级绕组包括平面八角绕组。在另一实施例中，初级绕组的平面八角绕组沿平面轴与次级绕组的平面八角绕组电磁耦合。在另一实施例中，初级绕组和次级绕组由介电层分隔开。初级绕组和次级绕组可以作为集成电路(IC)的一部分被设置在不同的衬底层上。
在一个实施例中，次级绕组的部分绕组包括约1.5匝绕组。在一个实施例中，初级绕组连接至电源以向输入端口的电路供给偏置电压。在一个实施例中，次级绕组包括至少两个导电层。
根据另一方面，两级功率放大器(PA)包括第一放大器级、第二放大器级、连接在第一放大器级和第二放大器级之间的第一匹配网络电路、以及连接至第二放大器级的输出端口的第二匹配网络电路。第二匹配网络电路包括：第一电容器，其与第二匹配网络电路的输入端口并联连接；宽带片上变压器，其与第一电容器并联连接，其中宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中次级绕组是部分绕组。初级绕组和次级绕组可以作为集成电路的一部分被设置在不同的衬底层上。第二匹配网络电路包括第二电容器，该第二电容器串联地连接在宽带片上变压器和第二匹配网络电路的输出端口之间。
根据另一方面，RF前端集成电路(IC)装置包括用以放大发送信号的两级功率放大器(PA)。PA包括第一放大器级、第二放大器级、连接在第一放大器级和第二放大器级之间的第一匹配网络电路、以及连接至第二放大器级的输出端口的第二匹配网络电路。第二匹配网络电路包括：第一电容器，其与第二匹配网络电路的输入端口并联连接；宽带片上变压器，其与第一电容器并联连接，其中宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，其中次级绕组是部分绕组。初级绕组和次级绕组可以作为集成电路的一部分被设置在不同的衬底层上。第二匹配网络电路包括第二电容器，该第二电容器串联地连接在宽带片上变压器和第二匹配网络电路的输出端口之间。
图1是示出根据本发明的一个实施例的无线通信装置的示例的框图。参考图1，无线通信装置100(也简称为无线装置)包括RF前端模块101和基带处理器102等。无线装置100可以是任何种类的无线通信装置，诸如移动电话、膝上型电脑、平板电脑、网络电器(例如，物联网或IOT电器)等。
在无线电接收器电路中，RF前端是针对直到且包括混合器级的天线之间的所有电路的通用术语。RF前端包含接收器中的用于在具有原始传入无线电频率的信号被变频为较低的中频(IF)之前处理该信号的所有部件。在微波和***中，RF前端通常被称为低噪声块(LNB)或低噪声向下变频器(LND)，并且通常位于天线处，使得来自天线的信号能够以更容易处理的中频被传输至接收器的其余部分。基带处理器是网络接口中的用于管理所有无线电功能(需要天线的所有功能)的装置(芯片或芯片的一部分)。
在一个实施例中，RF前端模块101包括一个或多个RF收发器，其中各RF收发器经由多个RF天线其中之一在特定频带(例如非重叠频率范围等的特定频率范围)内发送和接收RF信号。RF前端IC芯片还包括连接至RF收发器的频率合成器。频率合成器生成本地振荡器(LO)信号并将其提供至各RF收发器以使得该RF收发器能够在相应频带内对RF信号进行混合、调制和/或解调。RF收发器和频率合成器可以作为单个RF前端IC芯片或封装而集成在单个IC芯片内。
图2是示出根据本发明的一个实施例的RF前端集成电路的示例的框图。参考图2，RF前端101包括连接至多频带RF收发器211的频率合成器20等。收发器211被配置为经由RF天线221在一个或多个频带或宽RF频率范围内发送和接收RF信号。在一个实施例中，收发器211被配置为从频率合成器200接收一个或多个LO信号。针对一个或多个相应频带生成LO信号。为了在相应频带内发送和接收RF信号的目的，收发器利用LO信号来进行混合、调制、解调。尽管仅示出一个收发器和天线，但是可以实现多对收发器和天线，针对每个频带有一对。
图3是示出根据一个实施例的RF前端集成电路的框图。参考图3，频率合成器300可以表示如上所述的频率合成器200。在一个实施例中，频率合成器300通信连接至宽带发送器301和宽带接收器302，其中宽带发送器301和宽带接收器302可以是诸如收发器211等的收发器的一部分。宽带发送器301针对多个频带发送RF。
在一个实施例中，发送器301包括滤波器303、混合器304和功率放大器305。滤波器303可以是用于接收要发送至目的地的发送(TX)信号的一个或多个低通(LP)滤波器，其中TX信号可以由诸如基带处理器102等的基带处理器提供。混合器301(也称为向上变频混合器)被配置为基于频率合成器300所提供的本地振荡器(LO)信号而将TX信号混合并调制到一个或多个载波频率信号上。然后通过功率放大器305使调制后的信号放大，然后经由天线310将放大后的信号发送至远程接收器。
RF前端集成电路可以包括接收器302。接收器302包括低噪声放大器(LNA)306、混合器307、以及滤波器308。LNA306经由天线310接收来自远程发送器的RF信号，并使所接收到的RF信号放大。然后由混合器307(也称为向下变频混合器)基于频率合成器300所提供的LO信号来对放大后的RF信号进行解调。然后由滤波器308处理解调后的信号，其中滤波器308可以是低通滤波器。在一个实施例中，发送器301和接收器302经由发送和接收(T/R)开关309来共享天线310。T/R开关309被配置为在发送器301和接收器302之间切换以使天线310在特定时间点连接至发送器301或接收器302。尽管仅示出一对发送器和接收器，但可以将多对发送器和接收器连接至频率合成器300，针对多个频带中的每个频带有一对。
图4是示出根据一个实施例的功率放大器(PA)集成电路的示例的框图。参考图4，PA400可以是图3中的PA305。PA400可以包括驱动器级401、级间匹配网络402、输出级403和输出匹配网络404。级间匹配网络402和输出匹配网络404可以使从驱动器级401和输出级403所见的阻抗相匹配，以使PA 400的功率传输最大化。例如，级间匹配网络402可以使输入阻抗和输出阻抗分别与驱动器级401的输出端口处所见的阻抗和输出级403的输入端口处所见的阻抗相匹配，以使从PA 400的输入端口到输出级403的功率传输最大化。输出匹配网络404可以对从输出级403的输出端口所见的阻抗进行匹配，以使从输出级403到PA 400的输出端口的功率传输最大化。最后，输出匹配网络404可以为PA 400的单端输出端口提供差分单端转换。
参考图4，驱动器级401和输出级403是PA 400的放大器级。在一个实施例中，驱动器级401和输出级403是差分共源共栅(cascode)放大器级。差分放大器是用于放大两个输入电压之间的差、但是抑制两个输入共通的任意电压的放大器。差分放大器针对诸如来自附近部件和电源的噪声等提供共模噪声抑制。共源共栅放大器是两级放大器(例如，FET或BJT)，其包括向共栅(或BJT的共基极)级进行馈送的共源(或BJT的共发射极)级。与单级放大器相比，共源共栅放大器具有较高输入输出隔离(即，由于输入端口和输出端口之间不存在直接连接，因此减少了从输出端口向输入端口的反向传输泄漏)、较高输入阻抗、较高输出阻抗、较高增益、以及较高带宽。这里，驱动器级401和输出级403包括如下的放大器，其中这些放大器将差分拓扑和共源共栅拓扑组合以实现大输出摆动、宽带宽以及高输出功率。
在一个实施例中，驱动器级401和输出级403可以包括分别包括中性电容器Cneu1和Cneu2，以针对相应级使共源FET的任何固有栅漏电容器呈中性，从而提升差分模式功率增益并提高稳定性。在一个实施例中，可以利用约2伏的电源电压来使驱动器级401和输出级403偏置在B类区域中(例如，Vgs约等于260mV)。可以分别向驱动器级401和输出级403的差分输出端口(例如，Vout+和Vout-)馈送2伏的电源电压。这些电源电压可以分别由级间匹配网络402和输出匹配电压404供给。在一个实施例中，驱动器级的尺寸比输出级的尺寸小约2.6倍，以在确保充分驱动的同时确保PA的高效率。
图5是示出根据一个实施例的宽带输出匹配网络的集总模型等效电路的示例的框图。图6A和图6B是图5的宽带输出匹配网络的3D EM模型的立体图和分解图，其中该输出匹配网络被实现为集成电路。参考图5以及图6A～图6B，输出匹配网络404包括片上变压器501、寄生电容器Cdev(例如，输出匹配网络404中所固有的变压器绕组平面与接地平面之间的电容)、以及金属-氧化物-金属(MOM)电容器Cp和Cs。寄生电容是电路的部分之间由于彼此接近而存在的不可避免的电容。参考图5，片上变压器501可以通过具有磁化电感器和漏电感器的理想变压器来建模而成，并且寄生电容器分流接地(Cpar1和Cpar2)。这里，k是磁耦合系数，n是匝数比，以及L是初级自感。因此，通过输出匹配网络404的物理布局配置，输出匹配网络404可以是仅占据单个变压器封装(footprint)的宽带高阶无源网络。由于装置寄生电容器Cdev可以通过调谐Cp而被吸收至输出匹配网络404中，因此从输出级403所见的负载阻抗在PA 400的整个带宽内应当为实部的且几乎恒定。在一个实施例中，输出级403的负载阻抗可被调谐为约36Ω(差分)，以在宽带宽(例如，24～43GHz的频率范围)上生成大于20dBm的饱和功率(Psat)。
参考图6A～图6B，在一个实施例中，片上变压器501包括初级绕组601和次级绕组602。初级绕组601可以连接至电源电压(例如，VDD)(诸如约2伏的电源电压等)，以向PA的输出级(诸如图4的输出级403等)供给电圧。初级绕组601可以包括直径约为112μm且绕组宽度约为8μm的八角形绕组。次级绕组602可以是部分绕组。在一个实施例中，次级绕组602是具有直径约为114微米(μm)且绕组宽度约为8.5μm的1.5匝的八角形绕组。次级绕组602可以利用两个或更多个导电层光蚀刻而成，以形成1.5匝的八角形绕组。初级绕组601和次级绕组602能够以一个叠在另一个顶上的方式位于衬底的不同层处。
图7是图6A～图6B的输出匹配网络的通过差分输出级所见的模拟差分负载阻抗((a)实部和(b)虚部)以及模拟(c)无源损耗的示例图。参考图7中的(a)、(b)和(c)，对于24～42GHz的频率范围，输出匹配网络404的实阻抗在以约36Ω为中心的31～42Ω内变化。输出匹配网络的虚阻抗约为零。参考图7中的(d)，针对24～42GHz的频率范围，输出匹配网络的无源损耗约为1～1.5dB。
图4的级间匹配网络还可以以与输出匹配网络404类似的方式设计，以实现宽带匹配。图7是根据一个实施例的宽带级间匹配网络的3D EM模型的立体图。级间匹配网络402包括具有初级绕组801和次级绕组802的片上变压器。初级绕组801可以连接至电源电压(例如，VDD)(诸如约2伏的电源电压等)，以向PA的驱动器级(诸如图4的驱动器级401等)供给电圧。初级绕组801可以包括直径约为85μm且绕组宽度约为15μm的八角形绕组。次级绕组802可以是直径约为76μm且绕组宽度约为8.5μm的八角形绕组。尽管图8示出单匝，但是次级绕组802可以利用两个或更多个导电层光蚀刻而成，以形成多匝绕组。
在以上说明书中，本发明的实施例已经参考其特定的典型实施例进行了描述。明显地，可以在不偏离如权利要求书中所阐述的本发明的较宽的精神和范围的情况下对本发明的实施例进行各种修改。因此，说明书和附图应被视为说明性意义而非限制性意义。

Claims (21)

1.一种匹配网络电路，所述匹配网络电路包括：
第一电容器，其与所述匹配网络电路的输入端口并联连接，差分共源共栅放大器级与所述匹配网络电路的输入端口串联连接，利用馈送到所述差分共源共栅放大器级的差分输出端口的电源电压来使在B类区域中操作的所述差分共源共栅放大器级偏置；
宽带片上变压器，其与所述第一电容器并联连接，其中所述宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，所述次级绕组是部分绕组，所述电源电压供应到匹配网络的初级绕组，所述宽带片上变压器处于供应到匹配网络的初级绕组的电源电压在接地平面的空腔上；以及
第二电容器，其串联地连接在所述宽带片上变压器和所述匹配网络电路的输出端口之间。
2.根据权利要求1所述的匹配网络电路，其中，所述宽带片上变压器的初级绕组和次级绕组包括平面八角绕组。
3.根据权利要求2所述的匹配网络电路，其中，所述初级绕组的平面八角绕组沿平面轴与所述次级绕组的平面八角绕组电磁耦合。
4.根据权利要求2所述的匹配网络电路，其中，所述初级绕组和所述次级绕组由介电层分隔开。
5.根据权利要求1所述的匹配网络电路，其中，所述次级绕组的部分绕组包括1.5匝绕组。
6.根据权利要求1所述的匹配网络电路，其中，所述初级绕组连接至电源以向所述输入端口的电路供给偏置电压。
7.根据权利要求1所述的匹配网络电路，其中，所述次级绕组包括至少两个导电层。
8.一种两级功率放大器即两级PA，所述PA包括：
第一放大器级；
第二放大器级；
第一匹配网络电路，其连接在所述第一放大器级和所述第二放大器级之间；以及
第二匹配网络电路，其连接至所述第二放大器级的输出端口，其中所述第二匹配网络电路包括：
第一电容器，其与所述第二匹配网络电路的输入端口并联连接，所述第二放大器级包括与所述第二匹配网络电路的输入端口串联连接的差分共源共栅放大器级，利用馈送到所述差分共源共栅放大器级的差分输出端口的电源电压来使在B类区域中操作的所述差分共源共栅放大器级偏置；
宽带片上变压器，其与所述第一电容器并联连接，其中所述宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，所述次级绕组是部分绕组，所述电源电压供应到第二匹配网络的初级绕组，所述宽带片上变压器处于供应到第二匹配网络的初级绕组的电源电压在接地平面的空腔上；以及
第二电容器，其串联地连接在所述宽带片上变压器和所述第二匹配网络电路的输出端口之间。
9.根据权利要求8所述的PA，其中，所述宽带片上变压器的初级绕组和次级绕组包括平面八角绕组。
10.根据权利要求9所述的PA，其中，所述初级绕组的平面八角绕组沿平面轴与所述次级绕组的平面八角绕组电磁耦合。
11.根据权利要求9所述的PA，其中，所述初级绕组和所述次级绕组由介电层分隔开。
12.根据权利要求8所述的PA，其中，所述次级绕组的部分绕组包括1.5匝绕组。
13.根据权利要求8所述的PA，其中，所述初级绕组连接至电源以向所述输入端口的电路供给偏置电压。
14.根据权利要求8所述的PA，其中，所述次级绕组包括至少两个导电层。
15.一种射频前端电路即RF前端电路，其包括用以放大发送信号的功率放大器，所述功率放大器包括：
第一放大器级；
第二放大器级；
第一匹配网络电路，其连接在所述第一放大器级和所述第二放大器级之间；以及
第二匹配网络电路，其连接至所述第二放大器级的输出端口，其中所述第二匹配网络电路包括：
第一电容器，其与所述第二匹配网络电路的输入端口并联连接，所述第二放大器级包括与所述第二匹配网络电路的输入端口串联连接的差分共源共栅放大器级，利用馈送到所述差分共源共栅放大器级的差分输出端口的电源电压来使在B类区域中操作的所述差分共源共栅放大器级偏置；
宽带片上变压器，其与所述第一电容器并联连接，其中所述宽带片上变压器包括初级绕组和次级绕组，所述次级绕组是部分绕组，所述电源电压供应到第二匹配网络的初级绕组，所述宽带片上变压器处于供应到第二匹配网络的初级绕组的电源电压在接地平面的空腔上；以及
第二电容器，其串联地连接在所述宽带片上变压器和所述第二匹配网络电路的输出端口之间。
16.根据权利要求15所述的RF前端电路，其中，所述宽带片上变压器的初级绕组和次级绕组包括平面八角绕组。
17.根据权利要求16所述的RF前端电路，其中，所述初级绕组的平面八角绕组沿平面轴与所述次级绕组的平面八角绕组电磁耦合。
18.根据权利要求16所述的RF前端电路，其中，所述初级绕组和所述次级绕组由介电层分隔开。
19.根据权利要求15所述的RF前端电路，其中，所述次级绕组的部分绕组包括1.5匝绕组。
20.根据权利要求15所述的RF前端电路，其中，所述初级绕组连接至电源以向所述输入端口的电路供给偏置电压。
21.根据权利要求15所述的RF前端电路，其中，所述次级绕组包括至少两个导电层。
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