CN114024514B - 一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通讯***中的放大器，具体提供一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构，用以解决现有高频工作下(尤其是毫米波、太赫兹波段)放大器功率增益不足的问题。本发明包括带串联型有损嵌入式网络的共源放大器与Y/Z型LLREN，带串联型有损嵌入式网络的共源放大器由放大器、电阻Rs与90°传输线构成；在传统放大器构成的二端口网络下，通过引入一个串联型有损嵌入式网络有效的提高放大器的单向功率增益U，同时，结合过中和化技术，加入Y/Z型LLREN，显著提高放大器的最大可用增益Gma，使得最终放大器结构的功率增益得到显著提高。

Description

一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通讯***中的放大器，具体提供一种用于提升功率增益的带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构。
背景技术
毫米波及太赫兹通信***，能提供大的通信容量，更快的通信速度，得到更多人的关注；但同时，逐渐增加的工作频率对无线射频前端***的设计带来了挑战。对于射频***中的放大器，功率增益是一个很重要的参数指标，其标志了放大器的信号放大能力；而作为放大器中的核心部分：晶体管而言，有两个指标指示了晶体管随频率变化的放大能力，一个是最高截止频率(ft)，一个是最高振荡频率(fmax)；其中，最高振荡频率定义了，当晶体管工作在这个频率时，功率增益会变成1。进一步的，放大器主要功率增益指标包括最大可用增益Gma及单向功率增益U，其中，最大可用增益Gma表示当稳定性因子Kf大于等于1时、放大器实现输入输出共轭匹配时小信号功率增益能达到的最高值；单向功率增益U表示当放大器的Y参数中Y12接近0时，也就是放大器单向化最明显的时候的晶体管的功率增益，此时Gma＝U。
在文献“A Study of Operating Condition and Design Methods to Achievethe Upper Limit of Power Gain in Amplifiers at Near-fmax Frequencies”(Z.Wang,P.Heydari,IEEE TCAS-I,vol.64,no.2,pp.261-271,2017)中利用过中和化技术使最大可用增益Gma提高了将近5dB，在文献中，通过在一个给定的单向功率增益U的情况下，对放大器引入外加的Y/Z型LLREN(Lossless,linear and reciprocal embedded network无损、线性且互易的嵌入式网络)的时候，可以在保持U不变的情况下，使Gma最后能达到的上限值为有效地提高最大可用增益Gma。但是，可以看出，Gma的理论上限值仍然受U的限制，而且当放大器的工作频率逐渐升高，接近fmax的时候，U会急剧下降；因此，如果有一种能提高工作频率下的单向功率增益的技术，将有效地解决这个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构，用以解决现有高频工作下(尤其是毫米波、太赫兹波段)放大器功率增益不足的问题。本发明在传统放大器构成的二端口网络下，通过引入一个串联型有损嵌入式网络，在满足预设条件下，提高单向功率增益；并基于此，采用Y/Z型LLREN进一步提高最大可用增益Gma，使得放大器的功率增益得到有效提高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构，包括：带串联型有损嵌入式网络的共源放大器、Y型LLREN与Z型LLREN；其特征在于，所述带串联型有损嵌入式网络的共源放大器由晶体管M1、电阻Rs与90°传输线构成，所述电阻Rs的一端连接晶体管M1的源极、另一端接地，90°传输线一端连接晶体管M1的源极、另一端接地；所述Y型LLREN连接于共源放大器的输入与输出之间，所述Z型LLREN的连接于电阻Rs与地之间。
进一步的，所述放大器的z参数满足：Re[Z11]+Re[Z22]-Re[Z12]-Re[Z21]＜0。
进一步的，所述电阻Rs的取值范围为：
其中，Z11、Z12、Z21、Z22分别表示共源放大器的二端口网络的Z参数矩阵中的各项
进一步的，所述过中和化放大器结构中，输入信号Vin通过隔直电容C1进入到晶体管M1的栅极，从晶体管M1的漏极输出并经过隔直电容C2得到输出信号；电源电压VDD通过扼流电感L2给晶体管M1的漏极供电，偏置电压Vbias通过扼流电感L1给晶体管M1的栅极供电。
进一步的，所述Z型LLREN采用电容Cz，所述Y型LLREN采用串联的电感Ly与电容Cy、电感Ly另一端接晶体管M1的输入、电容Cy另一端接晶体管M1的输出。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构，其一：在传统放大器构成的二端口网络下，通过引入一个串联型有损嵌入式网络有效的提高放大器的单向功率增益U，不同于传统的源极退化电阻的结构，本发明通过加入90°传输线提供DC偏置，该串联型有损嵌入式网络不改变直流偏置点，旨在提高单向功率增益U；其二，结合过中和化技术，加入Y/Z型LLREN，显著提高放大器的最大可用增益Gma，最后使得放大器的功率增益得到显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例中用于提升功率增益的带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构框架图。
图2为本发明实施例中共源放大器的电路原理图，即为图1中标注的101部分。
图3为本发明实施例中用于提升功率增益的带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构的电路原理图。
图4为本发明实施例中共源放大器的工作原理示意图。
图5为本发明实施例中使用了用于提升单向功率增益的串联有损嵌入式网络后放大器单向功率增益的变化曲线图。
图6为本发明实施例中用于提升功率增益的带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构的的功率增益变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，在下文所述的特定实施例代表本发明的示例性实施例，并且本质上仅为示例说明而非限制。
本实施例提供一种用于提升功率增益的带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构，如图1所示，由两部分构成：第一部分为用于提升单向功率增益U的带串联型有损嵌入式网络的共源放大器101，第二部分为用于进一步将最大可用增益Gma提高到提升后单向功率增益U对应的上限值Gmax的Y/Z型LLREN；具体为：
所述带串联型有损嵌入式网络的共源放大器如图2所示，包括：放大器、电阻Rs与90°传输线；采用电阻Rs作为串联有损嵌入式网络，其一端连接晶体管M1的源极、另一端接地；90°传输线一端连接晶体管M1的源极、另一端接地，90°传输线的长度由工作频率确定，该90°传输线起到在直流情况下给晶体管M1提供地电压的直流偏置、在交流情况下开路的作用；输入信号Vin通过隔直电容C1进入到晶体管M1的栅极，从晶体管的漏极输出并经过隔直电容C2得到输出信号；电源电压VDD通过扼流电感L2给晶体管M1的漏极供电，偏置电压Vbias通过扼流电感L1给晶体管M1的栅极供电；
所述Y/Z型LLREN包括Y型LLREN与Z型LLREN，如图3所示，采用电容Cz作为Z型LLREN、其串联于电阻Rs到地之间；采用串联的电感Ly与电容Cy作为Y型LLREN、其连接于晶体管M1的漏极与栅极之间(电感Ly与电容Cy串联后、电感Ly另一端接晶体管的栅极、电容Cy另一端接晶体管的漏极)，电容Cy起到隔直电容的作用、使晶体管漏极的直流电位不影响栅极的直流电位，此时，电感Ly和电容Cy共同构成Y型LLREN；
在本实施例中，使用的设计工艺为CMOS 65NM工艺，晶体管M1的栅长为60nm、栅宽为700nm、叉指数量为12；本实施例中放大器的工作频率为200GHz，电感L1和L2的值为100pH，电容C1和C2的值为80fF，电阻Rs为7Ω，偏置电压Vbias为1V，电源电压VDD皆为1V；Cy为30fF、Ly为33.3pH、Cz为55fF。
从工作原理上讲：
如图4所示为有源二端口网络串联一个有损嵌入式网络的结构框架示意图，一个有源二端口网络可以通过Z参数矩阵的形式进行描述，而单向功率增益U也可以写成Z参数表达的形式：
当有源二端口网络串联一个有损嵌入式网络之后，有源二端口网络的Z参数矩阵中的每一项都将加上Rs，从U的表达式可以看出，U的分子部分不会随着加入Rs而变化，而分母会随着Rs的变化而变化；当有源二端口网络的z参数满足：
Re[Z11]+Re[Z22]-Re[Z12]-Re[Z21]＜0
单向功率增益U会随着Rs的增大而增大；更进一步地，当加入的Rs足够大，使得(Re[Z11]+Rs)(Re[Z22]+Rs)＜(Re[Z12]+Rs)(Re[Z21]+Rs)时，U会变成负值，而U是负值对于放大器而言没有意义；因此Rs能提高U的取值范围为：
其中，Z11、Z12、Z21、Z22分别表示有源二端口网络的Z参数矩阵中的各项。
如图5所示为本实施例中的实施效果，该图为单向功率增益随着Rs变化而变化的结果图，可以看到，当该放大器的z参数满足Re[Z11]+Re[Z22]-Re[Z12]-Re[Z21]＜0时，随着Rs的增加，单向功率增益U有明显地提升。
如图6所示为本实施例中基于带串联型有损嵌入式网络的共源放大器提升U的情况下，加入Y/Z型LLREN后增益随着频率的变化情况，在200GHz处，最大可用增益Gma提升了10dB，得到了显著提高，也即是说，当实现输入输出共轭匹配的情况下，放大器功率增益提高了10dB。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种带串联型有损嵌入式网络的过中和化放大器结构，包括：带串联型有损嵌入式网络的共源放大器、Y型LLREN与Z型LLREN；其特征在于，所述带串联型有损嵌入式网络的共源放大器由晶体管M1、电阻Rs与90°传输线构成，所述电阻Rs的一端连接晶体管M1的源极、另一端接地，90°传输线一端连接晶体管M1的源极、另一端接地；所述Y型LLREN连接于共源放大器的输入与输出之间，所述Z型LLREN的连接于电阻Rs与地之间；
所述电阻Rs的取值范围为：
其中，Z11、Z12、Z21、Z22分别表示共源放大器的二端口网络的Z参数矩阵中的各项。
2.按权利要求1所述过中和化放大器结构，其特征在于，所述共源放大器的z参数满足：Re[Z11]+Re[Z22]-Re[Z12]-Re[Z21]＜0。
3.按权利要求1所述过中和化放大器结构，其特征在于，所述过中和化放大器结构中，输入信号Vin通过隔直电容C1进入到晶体管M1的栅极，从晶体管M1的漏极输出并经过隔直电容C2得到输出信号；电源电压VDD通过扼流电感L2给晶体管M1的漏极供电，偏置电压Vbias通过扼流电感L1给晶体管M1的栅极供电。
4.按权利要求1所述过中和化放大器结构，其特征在于，所述Z型LLREN采用电容Cz，所述Y型LLREN采用串联的电感Ly与电容Cy、电感Ly另一端接放大器的输入、电容Cy另一端接放大器的输出。
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