本發(fā)明屬于微波集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有耗散管的有源合成器電路。

背景技術(shù)：

合成器是微波電路與系統(tǒng)中的重要模塊，廣泛運用在收發(fā)器等電路與系統(tǒng)中。它的作用是將兩路同相信號疊加，具有互易性的合成器還可以用作功分器，將一路信號分為同相等功率的兩路信號。傳統(tǒng)的無源合成器理論旨在設(shè)計損耗為零的電路，但實際中通常會有一定損耗。常規(guī)的有源合成器則在端口匹配度、最大功率傳輸、端口隔離度之間面臨折衷問題。這些問題指明了合成器的性能提高與技術(shù)創(chuàng)新的方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種具有增益，能通過耗散增益來提高端口匹配度等性能的有源合成器電路。

本發(fā)明提出的帶有耗散管的有源合成器電路，為差分結(jié)構(gòu)，包括兩個輔助差分放大器和一個有源合成單元，有源合成單元由兩組放大器與耗散管組成；其有兩個正輸入端，和兩個負(fù)輸入端，分別與第一路、第二路輔助放大器連接；兩路輔助放大器與兩的有源合成單元相連，在主體單元的放大管輸入端跨接耗散管（附圖1中的M3管），即耗散管的一端與有源合成單元中第一路信號的放大器輸入端相連，另一端與第二路信號的放大器輸入端相連；有源合成器電路輸出端為正、負(fù)輸出。

本發(fā)明中，耗散管是一個偏置在線性區(qū)的PMOS管，它具有可變電阻的特性，其控制電壓是Vc。

本發(fā)明中，輔助放大器為常規(guī)的共源放大器結(jié)構(gòu)，有源合成單元也采用共源放大器結(jié)構(gòu)，兩路信號通過放大器后在輸出處以電流相加的方式實現(xiàn)合成功能。在兩個信號通路之間加入耗散管，目的是方便調(diào)諧有源合成單元，以便同時提高輸入輸出端口匹配、傳輸增益、輸出端口隔離度等。

下面敘述微波三端口理論并引出耗散管的設(shè)計思想，接著描述耗散管的實現(xiàn)及控制方法，然后具體說明耗散管的性能表現(xiàn)。

三端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)可以寫成，

其中，陣列對角線位置的零項是因為假設(shè)了三端口均匹配。對于無源器件，已經(jīng)有成熟的微波理論證明該網(wǎng)絡(luò)的零損耗性、互易性不能同時實現(xiàn)。對于有源器件，一般不具備互易性，然而其S參數(shù)偏離零損耗性更加遠(yuǎn)。目前有源三端口網(wǎng)絡(luò)理論還不是很成熟，但利用無源三端口網(wǎng)絡(luò)中引入損耗來提高匹配性能的思路，創(chuàng)新性地在有源三端口網(wǎng)絡(luò)中引入耗散管。從下文仿真結(jié)果中可以看出通過調(diào)諧耗散管，匹配等性能出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。

耗散管是通過線性區(qū)PMOS管實現(xiàn)的。如圖1中M3所示。該管的兩端都分別通過電感連接到VDD，其他路徑連接到放大管柵極或者電容，沒有直流通過，所以PMOS管M3工作在線性區(qū)，改變其偏置電壓可以獲得不同的等效電阻，阻值表達(dá)式為：

其中，μ_p是P型管遷移率，C_OX是單位面積柵氧化層電容，W/L是MOS管長寬比，Vsg是源極到柵極壓降，Vthp是P管過驅(qū)動電壓，k用來概括公式中除了電壓以外的系數(shù)。本電路中過驅(qū)動電壓|Vgt|等于控制電壓Vc減去放大管的柵極偏置電壓，因此可以得到等效電阻與控制電壓Vc成反比例關(guān)系。

圖2以25-GHz附近頻段為例，比較了耗散管在兩種控制狀態(tài)下的匹配性能。圖中的仿真是單獨針對有源合成單元進行的，在Vc=1.2V時，S11如紅色虛線所示，在Vc=0.6V時，S11如藍(lán)色實線所示。兩種情況下的S22差不多，表明對單端口一側(cè)的影響較小。

圖3定性地說明了所提出的有源合成電路的取值和設(shè)計思路。有源合成電路與無源合成電路的區(qū)別在于信號在合并過程中被放大，假設(shè)電路滿足線性時不變以及疊加定理，那么可以把這一放大作用分離出去。具體到圖3，線段AC和線段BC在C點匯合可以表示兩路合并的過程，第一路的放大作用被分離為網(wǎng)絡(luò)N1，它的增益等于有源合成電路的單路增益，它的相位等于有源合成電路的單路相位減去四分之一波長相位，由于兩路相同，N2與N1相同。

N1和N2減少的四分之一波長體現(xiàn)在線段AC和BC中，它們無增益無損耗，相位對應(yīng)于四分之一波長。這樣一來，耗散管R_M3和線路ABC構(gòu)成了經(jīng)典的有耗無源功率分配器電路，我們可以利用成熟的對應(yīng)微波理論，得到N1和N2輸出阻抗與R_M3成反比例關(guān)系。

其中，Zout是N1和N2的輸出阻抗，它是從AB往輸入方向看過去而求得，然后再聯(lián)解耗散管自身的阻抗公式就可以確定取值?？梢钥吹竭^驅(qū)動電壓|Vgt|與等效電阻成反比例關(guān)系，它可以由N1和N2的輸出阻抗確定。

由于輔助放大器和有源合成單元的放大部分均為常規(guī)共源放大器，可以直接利用成熟的共源放大器理論進行分析和設(shè)計，這里不再贅述。在得到這部分放大器之后，它的輸出阻抗和耗散管也就自然得到了。中間的C1、C2、C3、L為級間匹配網(wǎng)絡(luò)，利用成熟的微波匹配理論可以求解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的帶有耗散管的有源合成器電路圖，包括兩個輔助放大器和一個有源合成單元，偏置未畫出。

圖2 為單獨對有源合成主體單元進行仿真的結(jié)果，證明耗散管在不同控制狀態(tài)下該單元的匹配性能發(fā)生改變。

圖3為有源合成電路的設(shè)計思路示意圖。

圖4為一個設(shè)計實例的各器件設(shè)計取值。

圖5為一個設(shè)計實例的輸入S11、輸出S22、端口隔離度仿真結(jié)果，其中端口隔離度用負(fù)值表示。

圖6是一個設(shè)計實例的S21合成信號幅度和每一分路輸入到合成輸出的信號相位。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種帶有耗散管的有源合成電路，由兩個常規(guī)結(jié)構(gòu)的輔助放大器和一個有源合成單元構(gòu)成。耗散管位于有源合成單元中，通過一個偏置在線性區(qū)的P型晶體管來實現(xiàn)。

以無源三端口網(wǎng)絡(luò)理論的思路為基礎(chǔ)，耗散管的作用是通過調(diào)整其等效電阻來改變有源合成單元的端口匹配性能，這一點已在圖2中體現(xiàn)。

圖4是一個帶有耗散管的有源合成電路的設(shè)計實例，工作頻段為24.25-26.65-GHz，采用TSMC65nm CMOS-LP工藝。圖中已經(jīng)標(biāo)注了所有MOS管的設(shè)計尺寸以及無源器件值，注意差分電路每對相同的器件只標(biāo)明一個取值。偏置等與核心電路無關(guān)的輔助部分未畫出。

圖5是設(shè)計實例的輸入S11、輸出S22、端口隔離度仿真結(jié)果，其中藍(lán)色實線為S11，帶圓點標(biāo)記的紅色虛線為S22，帶方塊標(biāo)記的綠色虛線為端口隔離度，用負(fù)值表示。S22在頻段內(nèi)小于-10dB，S11大約小于-6dB，隔離度小于-30dB。

圖6是設(shè)計實例中合成信號的S21幅度及分路信號相位特性。相位特性方面，綠色和藍(lán)色虛線（兩線重合）為分路信號的S21相位，每一分路輸入到合成輸出的信號相位均為206.7度，這證明了有源合成器的功能。兩個分路信號是由Balun對輸入信號進行單端—差分轉(zhuǎn)換得到的，如果計算該單端輸入信號到合成輸出信號的S21特性，可以得到S21相位為206.7度，圖中以黃色虛線表示（與綠色、藍(lán)色虛線重合）；同時S21幅度為8dB左右，圖中以紅色實線表示，而一般無源合成器很難達(dá)到理想狀態(tài)下的3dB，這體現(xiàn)出有源合成器的優(yōu)勢。