一种毫米波频段双路合成双向放大器、芯片及电子设备

本发明涉及通信或雷达领域，尤其涉及一种毫米波频段双路合成双向放大器、芯片及电子设备。

背景技术：

1、无线通信的快速发展改变了人们生产生活的方式，但传统的低波段频谱资源已无法满足人们对更高数据速率和更高标准传输质量的需要，且由于各种通信应用在种类和数量上都表现出爆炸式增长的趋势，使得信道变得十分拥挤，集成电路面临着新的挑战。一种解决此问题的方法是在更高频率寻求新的信道，科学家将关注点转向了毫米波甚至太赫兹波段，作为丰富且未被开发的频谱资源，其波段范围分别为30-300ghz和100ghz～10thz，波长在微波和远红外波之间。

2、传统的收发机其发射机和接收机是独立设计的，不相互影响，具有很高的隔离度，但会占据大量的芯片面积，不利于器件小型化和低成本的需求。因此研究者提出将收发机系统架构进行精简，即双向收发机结构，使其在不大幅减小性能的前提下，实现系统的小型化、低功耗和低成本。双向放大器是双向收发机的关键部分，对收发机性能起决定性作用，在发射和接受模式下可以切换为功率放大器(power amplifier，pa)和低噪声放大器(lownoise amplifier,lna)的工作状态，具有结构简单、面积小、成本低等优势在毫米波车载雷达、多输入多输出系统、相控阵系统等方面具有良好的应用前景。目前主流的技术是通过切换晶体管的偏置条件来实现双向放大器的方向切换，根据复用程度又可以分为输入输出匹配复用以及全级复用，复用程度越高，设计难度越高，面积越小；且随着频率的升高，损耗变大，双向放大器性能变差，在高频下设计高性能且复用程度高的双向放大器成为设计难点。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种毫米波频段双路合成双向放大器、芯片及电子设备。

2、本发明所采用的第一技术方案是：

3、一种毫米波频段双路合成双向放大器，包括两条至少包含两级的双向放大路径，所述双向放大路径包括：

4、低噪声放大器，用于对天线接收到的信号进行放大，包括第一输入匹配网络、第一级间匹配网络和第一输出匹配网络；

5、功率放大器，用于对需要通过天线发射的信号进行放大，包括第二输入匹配网络、第二级间匹配网络和第二输出匹配网络；

6、其中，所述第一输入匹配网络和第二输出匹配网络耦合复用，所述第一输出匹配网络和第二输入匹配网络耦合复用。

7、进一步地，所述低噪声放大器和功率放大器均采用差分电路结构；

8、两条所述双向放大路径称为第一放大路径path1和第二放大路径path2；

9、所述第一放大路径包括低噪声放大器的共栅路径和功率放大器的第1路；

10、所述第二放大路径包括低噪声放大器的共源路径和功率放大器的第2路；

11、所述第一放大路径包括第一输入端和第一输出端，所述第二放大路径包括第二输入端和第二输出端；

12、所述第一输入端与第二输入端并联在一起，构成双路合成双向放大器的输入端；

13、所述第一输出端与第二输出端并联在一起，构成双路合成双向放大器的输出端。

14、进一步地，所述低噪声放大器的共栅路径包括一个采用跨导提升技术的共栅差分放大器ml1和n-1个采用电容中和技术的共源差分放大器ml2、...、mln，所述功率放大器的第1路包括n个采用电容中和技术的共源差分放大器mp1、...、mpn；

15、所述低噪声放大器的共源路径包括用n个采用电容中和技术的共源差分放大器ml1_、...、mln_，所述功率放大器的第2路包括n个采用电容中和技术的共源差分放大器mp1_、...、mpn_；

16、其中，n表示放大器的级数。

17、进一步地，双路合成双向放大器之间的匹配网络包括一个非对称并联输入变压器、至少一个对称的级间匹配变压器、一个对称并联输出变压器；

18、所述非对称并联输入变压器包括第一放大路径path1的输入输出匹配网络t1io1和第二放大路径path2的输入输出匹配网络t2io1；所述对称的级间匹配变压器包括用于第一放大路径path1的n-1个级间匹配网络t1mid1、...、t1midn-1和用于第二放大路径path2的n-1个级间匹配网络t2mid1、...、t2midn-1；所述对称并联输出变压器包括第一放大路径path1的输入输出匹配网络t1io2和第二放大路径path2的输入输出匹配网络t2io2；

19、其中，n表示放大器的级数。

20、进一步地，所述低噪声放大器与所述功率放大器的级间匹配网络独立设计，并采用共面去耦变压器共享相同的芯片面积。

21、进一步地，所述低噪声放大器与所述功率放大器均为三级放大器；

22、输入输出匹配网络t1io1、t1io2、t2io1和t2io2均为包括三个电感的三线圈变压器，三电感中的任意两个电感磁耦合；

23、输入输出匹配网络t1io1的第一端电感la1接天线，第二端的一个电感la2接所述低噪声放大器的晶体管ml1的源级和所述功率放大器的晶体管mp1的漏极，另一个电感la3交叉连接所述晶体管ml1的栅极，用于共栅放大器的跨导提升；

24、输入输出匹配网络t2io1的第一端电感la1_接天线，第二端的一个电感la2_接所述功率放大器的晶体管mp1_的漏极，另一个电感la3_接所述低噪声放大器的晶体管ml1_的栅极；

25、输入输出匹配网络t1io2/t2io2的第一端电感lb1/lb1_接混频器，第二端的一个电感lb2/lb2_接所述低噪声放大器的晶体管ml3/ml3_的漏极，另一个电感lb3/lb3_接所述功率放大器的晶体管mp3/mp3_的栅极。

26、进一步地，所述毫米波频段双路合成双向放大器包括四个级间匹配网络t1mid1、t1mid2、t2mid1和t2mid2，且级间匹配网络采用变压器面积共面去耦结构；

27、级间匹配网络t1mid1、t1mid2、t2mid1和t2mid2均为四线圈变压器，所述四线圈变压器在版图实现为一个普通单圈变压器和一个8字型变压器的叠加；构成所述普通单圈变压器的两个电感磁耦合，构成所述8字型变压器的两个电感磁耦合，以使所述单圈变压器和和所述8字型变压器之间的磁耦合系数接近于零；

28、级间匹配网络t1mid1/t2mid1第一端的8字型电感lc1/lc1_接所述晶体管mp1/mp1_的栅极，单圈电感lc2/lc2_接所述晶体管ml1/ml1_的漏极，第二端的8字型电感lc3/lc3_接所述晶体管mp2/mp2_的漏极，单圈电感lc4/lc4_接所述晶体管ml2/ml2_的栅极，用于双路双向放大器第1、2级之间的匹配；

29、级间匹配网络t1mid2/t2mid2第一端的8字型电感ld1/ld1_接所述晶体管mp2/mp2_的栅极，单圈电感ld2/ld2_接所述晶体管ml2/ml2_的漏极，第二端的8字型电感ld3/ld3_接所述晶体管mp3/mp3_的漏极，单圈电感ld4/ld4_接所述晶体管ml3/ml3_的栅极，用于双路双向放大器第2、3级之间的匹配。

30、进一步地，所述毫米波频段双路合成双向放大器通过以下方式进行控制：

31、所述电感la2的中心抽头接控制电压vctrl；所述电感la3、lc4、ld4、la3_、lc4_、ld4_的中心抽头接偏置电压vglna，所述电感lc1、ld1、lb3、lc1_、ld1_、lb3_的中心抽头接偏置电压vgpa；所述控制电压vctrl需要大尺寸开关进行控制，通过串行外设接口控制所述开关的开断以及所述偏置电压vglna和vgpa的大小，以控制双向放大器工作在低噪声放大器模式或功率放大器模式下。

32、进一步地，所述低噪声放大器/功率放大器的栅极与功率放大器/低噪声放大器的漏极连接，在功率放大器/低噪声放大器工作的时候，低噪声放大器/功率放大器关断状态下的晶体管作为中和电容使用，级间匹配网络复用。

33、进一步地，所述低噪声放大器与所述功率放大器均为三级放大器；

34、所述输入输出匹配网络t1io1为三线圈变压器，所述三电感中的任意两个电感磁耦合；所述输入输出匹配网络t1io2、t2io1和t2io2为两线圈变压器；

35、所述变压器t1io1的第一端电感la1接天线，第二端的一个电感la2接所述低噪声放大器的晶体管ml1的源极，另一个电感la3接所述晶体管ml1的栅极和所述功率放大器的晶体管mp1的漏极；

36、所述变压器t2io1的第一端电感la1_接天线，第二端电感la2_接所述低噪声放大器的晶体管ml1_的栅极和所述功率放大器的晶体管mp1_的漏极；

37、所述变压器t1io2/t2io2的第二端电感lb1/lb1_接混频器，第一端电感lb2/lb2_接所述低噪声放大器的晶体管ml3/ml3_的漏极和所述功率放大器的晶体管mp3/mp3_的栅极。

38、进一步地，所述功率放大器和低噪声放大器的级间匹配网络共用，所述级间匹配网络t1mid1、t1mid2、t2mid1和t2mid2为两线圈变压器；

39、所述变压器t1mid1/t2mid1的第一端电感lc1/lc1_接所述晶体管ml1/ml1_的漏极和所述晶体管mp1/mp1_的栅极，第二端电感lc2/lc2_接所述晶体管ml2/ml2_的栅极和所述晶体管mp2/mp2_的漏极，用于双向放大器第1、2级之间的匹配；

40、所述变压器t1mid2/t2mid2的第一端电感ld1/ld1_接所述晶体管ml2/ml2_的漏极和所述晶体管mp2/mp2_的栅极，第二端电感ld2/ld2_接所述晶体管ml3/ml3_的栅极和所述晶体管mp3/mp3_的漏极，用于双向放大器第2、3级之间的匹配。

41、进一步地，当所述低噪声放大器的晶体管与功率放大器的晶体管均为nmos晶体管时，所述电感la2中心抽头处接控制电压均vctrl，所述低噪声放大器的尾电流源晶体管的栅极接偏置电压vglna，所述功率放大器的尾电流源晶体管的栅极接接偏置电压vgpa；所述控制电压vctrl需要大尺寸开关进行控制，通过串行外设接口控制所述开关的开断以及所述偏置电压vglna和vgpa的大小，以控制双向放大器工作在低噪声放大器模式或功率放大器模式下。

42、进一步地，当低噪声放大器的晶体管与功率放大器的晶体管为nmos晶体管与pmos晶体管交叉连接时，不需要尾电流源；nmos晶体管源极接地，pmos晶体管源极接vdd，所述匹配网络电感la2中心抽头处接地，所述匹配网络电感la3、lc2、ld2、la2_、lc2_、ld2_的中心抽头接控制电压vctrl1，所述电感lc1、ld1、lb2、lc1_、ld1_、lb2_的中心抽头接控制电压vctrl2；所述控制电压vctrl1和vctrl2需要大尺寸开关进行控制，通过串行外设接口控制所述开关的开断，以控制双向放大器工作在低噪声放大器模式或功率放大器模式下。

43、本发明所采用的第二技术方案是：

44、一种芯片，包括如上所述的一种毫米波频段双路合成双向放大器。

45、本发明所采用的第三技术方案是：

46、一种电子设备，包括如上所述的一种毫米波频段双路合成双向放大器，或者如上所述的芯片。

47、本发明的有益效果包括：

48、(1)现有的双向放大器主要是单路lna和单路pa，本发明提出了一种双路的双向放大器，lna采用噪声抵消技术，pa采用两路功率合成技术，每路lna和pa构成一个单独的双向放大器，合在一起构成双路双向放大器，lna的噪声系数减小，pa的饱和输出功率增加，有利于增加系统的灵敏度和传输范围。

49、(2)本发明运用三电感耦合技术、变压器面积共用去耦技术或电感复用技术，可以将芯片面积减小到单向放大器的一半左右。

50、(3)现有的双向放大器主要集中在低频段，28ghz左右居多，对高频段的双向放大器鲜有研究，本发明填补了高频段双向放大器的空白。