一种毫米波可重构共源共栅放大器及其可重构方法

技术领域

本发明涉及一种通过可重构结构及其可重构方法实现不同频段信号输出的毫米波可重构共源共栅放大器，用于微波及毫米波芯片电路中，属于放大器技术领域。

背景技术

毫米波频段具有频率高、频带宽、传输速率快等特点，能够在通信、雷达等诸多领域得到十分广泛的应用。近年来，随着无线通信技术的飞速发展，对毫米波器件的要求也越来越严苛，人们需要不断地探索研究更高频段的毫米波器件来满足无线通信技术的需求。为了实现更高的通信容量，毫米波通信通常采用多个频段来扩展更大的通信带宽，比如第五代(5G)移动通信在毫米波频段主要采用24～29.5GHz频段和37～43GHz频段甚至V波段(50～75GHz)、E波段(60～90GHz)等更高的毫米波波段。

毫米波放大器包括低噪声放大器、功率放大器，是毫米波收发前端中的关键模块。目前已实现了多种不同频段的毫米波放大器电路，但多数设计工作在固定的频率，能够实现不同频段信号放大输出的毫米波电路非常少。当未来的无线通信系统期望工作在多个频段来实现更大的通信容量、更灵活的通信组网时，如果采用多个固定频段工作的毫米波放大器电路将带来更复杂的通信系统结构和更大的成本和功耗，难以适用多频毫米波通信系统的应用。因此，发展可以工作在不同频段的毫米波可重构放大器电路将能够实现硬件电路的复用，简化通信系统的架构，同时也可以降低成本及功耗。

发明内容

为了克服现有研究的不足，本发明提供了一种毫米波可重构共源共栅放大器及其可重构方法，实现不同频段毫米波信号的可重构放大，并展现较好的增益和噪声性能。

一种毫米波可重构共源共栅放大器，包括输入可重构匹配网络、共源共栅晶体管和输出可重构匹配网络；

所述可重构输入匹配网络由输入端、第一电容和第一开关串联结构、变压器、第二电容和第一电阻组成；输入端与变压器初级线圈一端、第一电容一端和第一晶体管的栅极连接，第一电容另一端连接第一开关一端，第一开关的另一端接地；变压器初级线圈的另一端与第二电容、第一电阻并联结构的一端连接，第二电容的另一端接地，第一电阻的另一端接直流电源，为第一晶体管的栅极提供偏置电压；变压器次级线圈的一端与第一晶体管的源极相连，另一端接地；

所述的共源共栅晶体管由共源级的第一晶体管、共栅级的第二晶体管和第一电感组成；共源共栅晶体管通过第一晶体管的栅极和源极连接输入可重构匹配网络，通过漏级连接第一电感的一端，第一电感的另一端连接第二晶体管的源极，第二晶体管的栅极连接直流电源，为第二晶体管的栅极提供偏置电压，第二晶体管的漏级与可重构输出匹配网络中第三电容、第二电感并联结构的一端相连，第三电容的另一端与输出端连接；

所述的可重构输出匹配网络由第二电感、第三电感和第二开关并联结构组成，第二电感的一端连接第二晶体管的漏级，第二电感的另一端连接与第二开关和第三电感并联结构的一端相连，第二开关和第三电感并联结构的另一端连接第二晶体管的漏极偏置电压；

作为优选，所述的可重构输入匹配网络由输入端、第一电容和第一开关串联结构、变压器、第二电容和第一电阻组成，为变压器耦合增加放大级晶体管有效跨导的可重构增益提升结构；第一开关采用NMOS型开关管，其栅极为开关控制端，源级和漏级分别为开关的两端；当第一开关导通时，NMOS型开关管等效为电阻，第一开关关断时，NMOS型开关管等效为电容，通过切换开关控制信号可以改变输入匹配电容的容值，实现放大器的可重构输入匹配。

作为优选，所述的可重构输出匹配网络由第二电感、第三电感和第二开关并联结构组成，第二开关采用NMOS型开关管，其栅极为开关控制端，源级和漏级分别为开关的两端；当第二开关导通时，NMOS型开关管等效为电阻，第二开关关断时，NMOS型开关管等效为电容，通过切换开关控制信号可以改变输出匹配电感的感值，实现放大器输出端的可重构匹配。

作为优选，所述的共源共栅晶体管均采用NMOS型晶体管，其栅长为60nm，栅宽为40μm，共源晶体管栅极偏置电压为0.55V，共栅晶体管栅极偏置电压为1.6V，漏极偏置电为2V。

作为优选，所述的电容采用金属-氧化物-金属(MOM)电容，MOM电容采用叉指结构，其品质因数高、损耗小。

作为优选，所述的第一电感、第二电感、第三电感的电感值分别为250pH、200pH、180pH；

作为优选，所述的第一电阻的电阻值大于5kΩ，该电阻用于为直流提供参考地，同时防止交流泄露。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的一种毫米波可重构共源共栅放大器及其可重构方法可以实现不同频段毫米波信号的放大输出，其电路结构复用的实现方法非常适合于在多频段毫米波收发机系统中使用。本发明的毫米波可重构共源共栅放大器通过分别重构输入匹配网络电容值和输出匹配网络的电感值，实现不同频段的阻抗和噪声匹配；同时结合变压器耦合的增益提升结构，使不同频段均具有较大的放大增益。本发明的毫米波可重构共源共栅放大器电路结构精简，可重构控制方便，同时元器件少，易于实现，能够有效降低成本和功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的毫米波可重构共源共栅放大器结构图；

图2为本发明实施例的第一种可重构状态等效电路结构图；

图3为本发明实施例的第二种可重构状态等效电路结构图；

图4为本发明实施例的毫米波可重构共源共栅放大器仿真增益曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，毫米波可重构共源共栅放大器，包括输入可重构匹配网络、共源共栅晶体管和输出可重构匹配网络。

所述的可重构输入匹配网络由输入端In、电容C1和开关SW1串联结构、变压器T1、电容C2和电阻R1组成；输入端In与变压器T1初级线圈一端、电容C1一端和晶体管M1的栅极连接，电容C1另一端连接开关SW1一端，开关SW1的另一端接地；变压器T1初级线圈的另一端与电容C2、电阻R1并联结构的一端连接，电容C2的另一端接地，电阻R1的另一端接直流电源VG，为晶体管M1的栅极提供偏置电压；变压器T1次级线圈的一端与晶体管M1的源极相连，另一端接地。开关SW1采用NMOS型开关管，当开关SW1导通时，开关管等效为电阻R

所述的共源共栅晶体管由共源级的晶体管M1、共栅级的晶体管M2和电感L1组成；共源共栅级晶体管通过晶体管M1的栅极和源极连接输入可重构匹配网络，通过漏级连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接晶体管M2的源极，晶体管M2的栅极连接直流电源V

所述的可重构输出匹配网络由电感L2、电感L3和开关SW2并联结构组成，电感L2的一端连接晶体管M2的漏级，电感L2的另一端连接与开关SW2和电感L3并联结构的一端相连，开关SW2和电感L3并联结构的另一端连接晶体管M2的漏极偏置电压V

所述的电容C1、电容C2、电容C3采用MOM电容，MOM电容采用叉指结构，其品质因数高、损耗小。其中电容C1与开关SW1构成可重构电容结构，电容C2为旁路电容，电容C3为隔直电容。

所述的电阻R1采用一个阻值较大的电阻，该电阻R1用于为直流提供参考地，同时防止交流泄露。

所述毫米波可重构共源共栅放大器，分别在输入和输出网络中重构不同的输入匹配电容值和输出匹配电感值，实现不同频段的阻抗和噪声匹配；同时结合变压器耦合的增益提升结构，使不同频段均具有较大的放大增益。

以毫米波可重构共源共栅放大器为例对本发明进行描述。

实施例中的毫米波可重构共源共栅放大器的输入输出匹配网络分别采用可重构电容、可重构电感结构，为单级放大器电路。

实施例中的毫米波可重构共源共栅放大器采用65nmCMOS工艺设计。其中，共源共栅晶体管均采用NMOS型晶体管，其栅长为60nm，栅宽为40μm，共源晶体管栅极偏置电压为0.55V，共栅晶体管栅极偏置电压为1.6V，漏极偏置电为2V；电容C1的容值为66fF，电容C2的容值为2pF，电容C3的容值为500fF；电感L1的感值为250pH，电感L2的感值为200pH，电感L3的感值为180pH；电阻R1的阻值为8kΩ。

在本实例中，采用电路仿真工具对该毫米波可重构共源共栅放大器进行设计与仿真，包含实际无源器件和有源器件模型的全电路仿真结果如图4所示。在开关SW1导通和开关SW2关断时，构成第一种可重构放大器电路，能够在25～28GHz频段实现大于8dB的增益放大；在开关SW1关断和开关SW2导通时，构成第二种可重构放大器电路，能够在34～38GHz频段实现大于10dB的增益。

实际使用时，可以采用两级甚至三级可重构共源共栅放大器结构来实现更大的增益，从而更好的满足毫米波收发机系统中的应用。比如通过合适的设计，两级可重构共源共栅放大器结构能够在上述的两个工作频段实现超过20dB的增益放大，以及良好噪声系数和输入、输出匹配性能。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。