基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片制造技术

本发明专利技术公开了基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片，该功放芯片包括：宽带输入功分器(1)，载波放大电路(2)、峰值放大电路(3)、后匹配网络(4)，所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与后匹配网络的输入端连接；后匹配网络的输出端连接射频信号的输出端。相对于传统的毫米波非对称氮化镓单片集成Doherty功放芯片，本发明专利技术解决了传统毫米波非对称Doherty功放中峰值放大器功率级大尺寸晶体管增益较低、关断状态下输出阻抗小以及饱和效率偏低等问题，实现了更好的宽带特性，可应用到5G毫米波大规模MIMO移动通信系统中。动通信系统中。动通信系统中。

【技术实现步骤摘要】
基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片


[0001]本专利技术涉及集成电路
，特别涉及一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片。

技术介绍

[0002]启用毫米波频段是5G最重要的技术革新之一。毫米波频段由于其较高的频率以及较大的损耗特性将给物理层器件的设计带来更大的挑战。除此之外，为了进一步提升频谱资源的利用率，还将使用更加复杂的高阶调制方式以及具有更多载波数目更加复杂的载波聚合技术(Carrier Aggregation,CA)，这将导致调制信号的峰均比越来越高。因此，提升毫米波功率放大器在较大回退输出功率处的效率是非常有必要的。
[0003]此外，还将使用基于大规模天线阵列的大规模多入多出技术(Multiple
‑
Input and Multiple
‑
Output,MIMO)以进一步提升数据的吞吐速率，同时进一步提升天线的增益以及波束汇聚的能力。4G技术中就已经开始使用MIMO技术，相比于4G中传统的MIMO技术，5G将采用具有更多天线单元更大规模的天线阵列(天线单元数≥64)，这样可以在相同的时频资源上提供大的阵列增益和多用户的空间复用功能。MIMO技术在5G中的大规模应用使得对单功放输出功率的需求降低，对功放尺寸小型化的需求提升。基于氮化镓(GaN)的高电子迁移率单片集成Doherty功放芯片是满足以上需求的最佳选择之一，因而引起了广泛关注。
[0004]为了进一步提升Doherty功放的回退范围，通常需要采用非对称架构，这就需要使用更大尺寸的峰值放大器末级晶体管。传统的毫米波非对称Doherty功放直接采用单个尺寸较大的晶体管作为峰值放大器的末级晶体管，这将导致较低的增益、关断状态下较低的输出阻抗以及饱和时较低的效率。因此，十分有必要研究出一种毫米波功率放大器来解决上述问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供了一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片。
[0006]技术方案：为实现上述技术问题，本专利技术提供的一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片包括：宽带输入功分器，载波放大电路、峰值放大电路、后匹配网络；其中，
[0007]所述宽带输入功分器的输入端与射频信号输入端连接；
[0008]所述载波放大电路由移相网络、第一输入匹配网络、驱动级载波放大器、第一级间匹配网络、功率级载波放大器、第一输出匹配网络依次级联而成，所述载波放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端连接；
[0009]所述峰值放大电路由第二输入匹配网络、驱动级峰值放大器、第二级间匹配网络、并联的功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器、第二输出匹配网络依次级联而成；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端连接；
[0010]载波放大电路的输出端与峰值放大电路的输出端合路后，与后匹配网络的输入端连接；后匹配网络的输出端连接射频信号的输出端。
[0011]所述的峰值放大电路中，并联的功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器采用等效并联管芯结构，其包括两个尺寸均为N
×
W
g
的晶体管；功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器的总栅宽为N
’×
W
g
’
，根据需要的回退范围及饱和功率确定；功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器的尺寸与总栅宽之间的需要满足如下关系：
[0012]N
′×
W
g
′
＝2
×
N
×
W
g
[0013]其中N在确保W
g
不违反工艺规则的情况下，设置为工艺所允许的最大栅指数目。
[0014]所述的第一输出匹配网络由功率级载波放大器的第一输出电容和紧随其后的载波输出匹配网络级联而成。
[0015]所述的第二输出匹配网络由功率级第一峰值放大器的第二输出电容、功率级第二峰值放大器的第三输出电容、第一并联谐振电感、第二并联谐振电感、第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和第三阻抗变换线构成；其中，功率级第一峰值放大器的输出端分别接第二输出电容、第一并联谐振电感和第一阻抗变换线；功率级第二峰值放大器的输出端分别接第三输出电容、第二并联谐振电感和第二阻抗变换线，第一阻抗变换线和第二阻抗变换线的另一端合并后接第三阻抗变换线。
[0016]所述的第一输入匹配网络与第一外部供电端连接；所述第一级间匹配网络与第二外部供电端以及第一外部供电端连接；所述第一输出匹配网络与第二外部供电端连接；所述第二输入匹配网络与第三外部供电端连接；所述第二级间匹配网络与第二外部供电端以及第三外部供电端连接；所述第二输出匹配网络与第二外部供电端连接。
[0017]所述的驱动级载波放大器、功率级载波放大器、驱动级峰值放大器以及功率级第一峰值放大器和功率级第二峰值放大器均为高电子迁移率晶体管。
[0018]所述的第一阻抗变换线、第二阻抗变换线和第三阻抗变换线均为四分之一波长。
[0019]有益效果：相对现有技术而言，本专利技术具有如下优点：
[0020]1、采用等效并联管芯结构，解决了传统毫米波非对称Doherty功放中峰值放大器功率级大尺寸晶体管增益较低、关断状态下输出阻抗小以及饱和效率偏低等问题；
[0021]2、将载波放大器功率级晶体管的输出电容吸收进紧随其后的等效四分之一波长线网络；而将峰值放大器功率级晶体管的输出电容进行谐振抵消可以进一步展宽毫米波Doherty功放的带宽。
[0022]总体而言，本专利技术提供的基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片，回退范围较大，回退及饱和效率高，在较宽的频率范围内具有良好的Doherty特性，可以很好地作为毫米波功率放大器件广泛应用在第五代移动通信毫米波大规模MIMO系统中。
附图说明:
[0023]图1为本实施例的一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片的电路结构原理框图；
[0024]图2为本专利技术具体实施方式中采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器(右)与传统结构(左)对比图；
[0025]图3为本专利技术具体实施方式中采用等效并联栅宽结构的功率级峰值放大器与采用
传统结构的功率级峰值放大器在关断状态时的输出阻抗仿真结果对比；
[0026]图4为本专利技术具体实施方式中采用等效并联栅宽结构功率级峰值放大器与采用传统结构功率级峰值放大器的毫米波非对称Doherty功放在饱和时峰值放大器与载波放大器的基波电流比仿真结果对比；
[0027]图5为本专利技术具体实施方式中联栅宽结构功率级峰值放大器与采用传统结构功率级峰值放大器的毫米波非对称Doherty功放的饱和功率、效率以及回退效率随频率变化的仿真曲线。
[0028]图中有：宽带输入功分器1，载波放本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片，其特征在于，该功放芯片包括：宽带输入功分器(1)，载波放大电路(2)、峰值放大电路(3)、后匹配网络(4)；其中，所述宽带输入功分器(1)的输入端与射频信号输入端(RFIN)连接；所述载波放大电路(2)由移相网络(21)、第一输入匹配网络(22)、驱动级载波放大器(T1)、第一级间匹配网络(23)、功率级载波放大器(T2)、第一输出匹配网络(24)依次级联而成，所述载波放大电路(2)的输入端与所述宽带输入功分器的第一输出端(out1)连接；所述峰值放大电路(3)由第二输入匹配网络(31)、驱动级峰值放大器(T3)、第二级间匹配网络(32)、并联的功率级第一峰值放大器(T4)和功率级第二峰值放大器(T5)、第二输出匹配网络(33)依次级联而成；所述峰值放大电路的输入端与所述宽带输入功分器的第二输出端(out2)连接；载波放大电路(2)的输出端与峰值放大电路的(3)的输出端合路后，与后匹配网络(4)的输入端连接；后匹配网络(4)的输出端连接射频信号的输出端(RFOUT)。2.如权利要求1所述的基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片，其特征在于，所述的峰值放大电路(3)中，并联的功率级第一峰值放大器(T4)和功率级第二峰值放大器(T5)采用等效并联管芯结构，其包括两个尺寸均为N
×
W
g
的晶体管；功率级第一峰值放大器(T4)和功率级第二峰值放大器(T5)的总栅宽为N
’×
W
g
’
，根据需要的回退范围及饱和功率确定；功率级第一峰值放大器(T4)和功率级第二峰值放大器(T5)的尺寸与总栅宽之间的需要满足如下关系：N
′×
W
g
′
＝2
×
N
×
W
g
其中N在确保W
g
不违反工艺规则的情况下，设置为工艺所允许的最大栅指数目。3.如权利要求1所述的基于等效并联管芯结构的毫米波非对称Doherty功放芯片，其特征在于，所述的第一输出匹配网络(24)由功率级载波放大器(T2)的第一输出电容(C
out,C1
)和紧随其后的载波输出匹配网络(241)级联...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓维，刘睿佳，张雷，赵子明，董勤，曹阳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：