本發(fā)明屬于功率放大器，具體地說(shuō)是一種基于cmos工藝的高功率高效率毫米波功率放大器。

背景技術(shù)：

1、功率放大器是射頻通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，如何將功率能夠有效的傳遞給天線是長(zhǎng)久以來(lái)面臨的巨大挑戰(zhàn)。隨著通信系統(tǒng)對(duì)功率的要求越來(lái)越高，高功率輸出的應(yīng)用場(chǎng)合也越來(lái)越多。目前主流功率放大器多選用化合物半導(dǎo)體工藝，雖然具有較高的飽和輸出功率和功率附加效率，但是化合物半導(dǎo)體成本較高，不便于大規(guī)模數(shù)字電路集成，而且占用面積較大。隨著硅基工藝截止頻率的不斷提升，基于cmos工藝的毫米波功率放大器逐漸成為研究的熱點(diǎn)，但是基于cmos工藝設(shè)計(jì)功率放大器也存在很多問(wèn)題，首先，硅基工藝的電源電壓較低，難以實(shí)現(xiàn)高功率輸出；其次，硅基工藝襯底寄生和無(wú)源器件的品質(zhì)因數(shù)較低，導(dǎo)致功率放大器難以實(shí)現(xiàn)較高的功率附加效率；最后，傳統(tǒng)功率合成技術(shù)都會(huì)存在自身導(dǎo)致的損耗，并且會(huì)隨著合成支路的增加而增大。因此，研究基于cmos工藝的高功率高效率毫米波功率放大器具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的，是要提供一種基于cmos工藝的高功率高效率毫米波功率放大器，以提高硅基毫米波功率放大器的輸出功率和功率附加效率。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，所采用的技術(shù)方法如下：

3、一種基于cmos工藝的高功率高效率毫米波功率放大器，包括輸入巴倫模塊、驅(qū)動(dòng)放大器模塊、堆疊功率放大器模塊、諧波控制模塊和功率合成模塊，輸入巴倫的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)放大器的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)放大器的信號(hào)輸出端與堆疊功率放大器的信號(hào)輸入端連接，堆疊功率放大器的信號(hào)輸出端與諧波控制模塊的信號(hào)輸入端連接，諧波控制模塊的信號(hào)輸出端與功率合成器的信號(hào)輸入端連接。

4、作為限定：輸入巴倫模塊包括結(jié)構(gòu)相同的第一輸入巴倫和第二輸入巴倫，每個(gè)輸入巴倫均包括輸入線圈和輸出線圈，輸入線圈中設(shè)有開(kāi)路傳輸線，輸入線圈包括兩個(gè)信號(hào)輸入端，一個(gè)信號(hào)輸入端用于輸入外部單端信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)輸入端開(kāi)路；輸出線圈包括兩個(gè)用于輸出差分信號(hào)的信號(hào)輸出端，輸出線圈的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)放大器模塊的信號(hào)輸入端連接。

5、作為限定：驅(qū)動(dòng)放大器模塊包括結(jié)構(gòu)相同的第一驅(qū)動(dòng)放大器和第二驅(qū)動(dòng)放大器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器均包括第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器，第一級(jí)放大器為共源結(jié)構(gòu)放大器，第二級(jí)放大器為共源共柵結(jié)構(gòu)放大器，第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器之間通過(guò)連接第一變壓器完成級(jí)間匹配；第一級(jí)放大器的信號(hào)輸入端與輸入巴倫模塊的信號(hào)輸出端連接，第二級(jí)放大器的信號(hào)輸出端與堆疊功率放大器模塊的信號(hào)輸入端連接。

6、作為進(jìn)一步限定：第一級(jí)放大器包括第一電容、第二電容、第一電阻、第二電阻、第一晶體管、第二晶體管、第三電容和第四電容；第二級(jí)放大器包括第三晶體管、第四晶體管、第五電容、第六電容、第五晶體管、第六晶體管、第三電阻、第四電阻、第二變壓器、第七電容和第八電容；第一電容的一端和第二電容的一端均連接輸入巴倫模塊的信號(hào)輸出端，第一電容的另一端分別與第一電阻的一端、第一晶體管的柵極和第三電容的一端連接，第二電容的另一端分別與第二電阻的一端、第二晶體管的柵極和第四電容的一端連接，第一電阻的另一端和第二電阻的另一端共同連接第一柵極偏置電壓，第一晶體管的源極和第二晶體管的源極共同接地，第一晶體管的漏極分別與第四電容的另一端和第一變壓器初級(jí)線圈的一端連接，第二晶體管的漏極分別與第三電容的另一端和第一變壓器初級(jí)線圈的另一端連接，第一變壓器初級(jí)線圈的中心抽頭連接第一直流偏置電壓；第一變壓器次級(jí)線圈的一端分別與第五電容的一端和第三晶體管的柵極連接，第一變壓器次級(jí)線圈的另一端分別與第六電容的一端和第四晶體管的柵極連接，第一變壓器次級(jí)線圈的中心抽頭連接第二柵極偏置電壓，第三晶體管的源極和第四晶體管的源極共同接地，第三晶體管的漏極分別與第六電容的另一端和第五晶體管的源極連接，第四晶體管的漏極分別與第五電容的另一端和第六晶體管的源極連接，第五晶體管的柵極與第三電阻的一端連接，第六晶體管的柵極與第四電阻的一端連接，第三電阻的另一端和第四電阻的另一端共同連接第三柵極偏置電壓，第五晶體管的漏極連接第二變壓器初級(jí)線圈的一端，第六晶體管的漏極連接第二變壓器初級(jí)線圈的另一端，第二變壓器初級(jí)線圈的中心抽頭連接第二直流偏置電壓，第二變壓器次級(jí)線圈的一端與第七電容的一端連接，第二變壓器次級(jí)線圈的另一端與第八電容的一端連接，第七電容的另一端和第八電容的另一端均連接堆疊功率放大器模塊的信號(hào)輸入端。

7、作為限定：堆疊功率放大器模塊包括結(jié)構(gòu)相同的第一堆疊功率放大器和第二堆疊功率放大器，每個(gè)堆疊功率放大器均包括串聯(lián)的多層堆疊晶體管單元，相鄰層的堆疊晶體管單元之間連接有電感，第一層堆疊晶體管單元的信號(hào)輸入端與驅(qū)動(dòng)放大器模塊的信號(hào)輸出端連接，最后一層堆疊晶體管單元連接有輸出匹配電路，輸出匹配電路的信號(hào)輸出端與諧波控制模塊的信號(hào)輸入端連接，第一層堆疊晶體管單元和輸出匹配電路之間引入反饋網(wǎng)絡(luò)。

8、作為進(jìn)一步限定：每個(gè)堆疊功率放大器均包括四層堆疊晶體管單元，第一層堆疊晶體管單元包括第九電容、第十電容、第七晶體管、第八晶體管、第五電阻、第六電阻、第十一電容和第十二電容；第二層堆疊晶體管單元包括第十三電容、第十四電容、第九晶體管、第十晶體管、第七電阻、第八電阻、第十五電容和第十六電容；第三層堆疊晶體管單元包括第十七電容、第十八電容、第十一晶體管、第十二晶體管、第九電阻、第十電阻、第十九電容和第二十電容；第四層堆疊晶體管單元包括第二十一電容、第二十二電容、第十三晶體管、第十四晶體管、第十一電阻、第十二電阻、第二十三電容和第二十四電容；輸出匹配電路包括第七電感、第八電感、第二十五電容和第二十六電容；反饋網(wǎng)絡(luò)包括第十三電阻、第十四電阻、第二十七電容和第二十八電容；堆疊功率放大器還包括第一電感、第二電感、第三電感、第四電感、第五電感、第六電感、第七電感、第八電感和第九電感；第七晶體管和第八晶體管的源極共同連接第九電感的一端，第九電感的另一端接地，第七晶體管的柵極分別與第九電容的一端、第五電阻的一端和第十一電容的一端連接，第八晶體管的柵極分別與第十電容的一端、第六電阻的一端和第十二電容的一端連接，第九電容的另一端和第十電容的另一端均連接驅(qū)動(dòng)放大器模塊的信號(hào)輸出端，第五電阻和第六電阻的另一端均連接第四柵極偏置電壓，第七晶體管的漏極分別與第十二電容的另一端和第一電感的一端連接，第八晶體管的漏極分別與第十一電容的另一端和第二電感的一端連接，第一電感的另一端與第九晶體管的源極連接，第二電感的另一端與第十晶體管的源極連接；第九晶體管的柵極分別與第十三電容的一端、第七電阻的一端和第十五電容的一端連接，第十晶體管的柵極分別與第十四電容的一端、第八電阻的一端和第十六電容的一端連接，第十三電容的另一端和第十四電容的另一端均接地，第七電阻和第八電阻的另一端均連接第五柵極偏置電壓，第九晶體管的漏極分別與第十六電容的另一端和第三電感的一端連接，第十晶體管的漏極分別與第十五電容的另一端和第四電感的一端連接，第三電感的另一端與第十一晶體管的源極連接，第四電感的另一端與第十二晶體管的源極連接；第十一晶體管的柵極分別與第十七電容的一端、第九電阻的一端和第十九電容的一端連接，第十二晶體管的柵極分別與第十八電容的一端、第十電阻的一端和第二十電容的一端連接，第十七電容的另一端和第十八電容的另一端均接地，第九電阻和第十電阻的另一端均連接第六柵極偏置電壓，第十一晶體管的漏極分別與第二十電容的另一端和第五電感的一端連接，第十二晶體管的漏極分別與第十九電容的另一端和第六電感的一端連接，第五電感的另一端與第十三晶體管的源極連接，第六電感的另一端與第十四晶體管的源極連接；第十三晶體管的柵極分別與第二十一電容的一端、第十一電阻的一端和第二十三電容的一端連接，第十四晶體管的柵極分別與第二十二電容的一端、第十二電阻的一端和第二十四電容的一端連接，第二十一電容的另一端和第二十二電容的另一端均接地，第十一電阻和第十二電阻的另一端均連接第七柵極偏置電壓，第十三晶體管的漏極分別與第二十四電容的另一端、第二十五電容的一端、第七電感的一端和第十三電阻的一端連接，第十四晶體管的漏極分別與第二十三電容的另一端、第二十六電容的一端、第八電感的一端和第十四電阻的一端連接，第二十五電容的另一端和第二十六電容的另一端均連接諧波控制模塊的信號(hào)輸入端，第七電感的另一端和第八電感的另一端均連接電源電壓，第十三電阻的另一端與第二十七電容的一端連接，第二十七電容的另一端與第七晶體管的柵極連接，第十四電阻的另一端與第二十八電容的一端連接，第二十八電容的另一端與第十電容的另一端連接。

9、作為限定：諧波控制模塊包括第一諧波控制電路和第二諧波控制電路，每個(gè)諧波控制電路均包括第二十九電容、第三十電容、第三十一電容、第三十二電容、第三十三電容、第三十四電容、第三十五電容、第三十六電容、第十電感、第十一電感、第十二電感和第十三電感；第二十九電容的一端和第三十電容的一端均連接堆疊功率放大器模塊的信號(hào)輸出端，第二十九電容的另一端分別與第十電感的一端、第三十三電容的一端和第十二電感的一端連接，第十電感的另一端與第三十一電容的一端連接，第三十一電容的另一端接地，第三十三電容的另一端分別與第十二電感的另一端和第三十五電容的一端連接，第三十五電容的另一端連接功率合成模塊的信號(hào)輸入端；第三十電容的另一端分別與第十一電感的一端、第三十四電容的一端和第十三電感的一端連接，第十一電感的另一端與第三十二電容的一端連接，第三十二電容的另一端接地，第三十四電容的另一端分別與第十三電感的另一端和第三十六電容的一端連接，第三十六電容的另一端連接功率合成模塊的信號(hào)輸入端。

10、作為進(jìn)一步限定：功率合成模塊為空間功率合成天線結(jié)構(gòu)，包括依次連接的第一傳輸線、第五傳輸線、第七傳輸線、第九傳輸線、第十一傳輸線和第三傳輸線，以及依次連接的第二傳輸線、第六傳輸線、第八傳輸線、第十傳輸線、第十二傳輸線和第四傳輸線，共同構(gòu)成差分天線結(jié)構(gòu)；第一傳輸線、第二傳輸線、第三傳輸線和第四傳輸線的端口作為功率合成模塊的信號(hào)輸入端接收諧波控制模塊信號(hào)輸出端輸出的信號(hào)，第一傳輸線、第二傳輸線、第三傳輸線和第四傳輸線與諧波控制模塊的輸出阻抗匹配，第五傳輸線和第七傳輸線的長(zhǎng)度之和為二分之一波長(zhǎng)，第九傳輸線和第十一傳輸線長(zhǎng)度之和為二分之一波長(zhǎng)，第六傳輸線和第八傳輸線長(zhǎng)度之和為二分之一波長(zhǎng)，第四傳輸線和第十二傳輸線長(zhǎng)度之和為二分之一波長(zhǎng)。

11、本發(fā)明由于采用了上述方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，所取得的有益效果是：

12、本發(fā)明提供的一種基于cmos工藝的高功率高效率毫米波功率放大器，通過(guò)設(shè)置依次連接的輸入巴倫模塊、驅(qū)動(dòng)放大器模塊、堆疊功率放大器模塊、諧波控制模塊和功率合成模塊，輸入巴倫模塊將二路信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換為四路差分信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和前后級(jí)的隔離，放大后的信號(hào)通過(guò)堆疊功率放大器模塊提高了電源電壓，進(jìn)而提高了功率放大器的飽和輸出功率，與傳統(tǒng)的變壓器功率合成的方式相比，節(jié)省了一定的芯片面積，并且在堆疊功率放大器的輸入和輸出端引入反饋網(wǎng)絡(luò)，改善了堆疊功率放大器輸出駐波較差的問(wèn)題，再通過(guò)諧波控制模塊對(duì)堆疊功率放大器模塊的漏極端電壓和電流波形進(jìn)行整形，進(jìn)而提高了功率放大器的功率附加效率，經(jīng)過(guò)諧波控制模塊后的四路差分信號(hào)通過(guò)功率合成模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率合成，通過(guò)采用空間功率合成天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行功率合成，功率信號(hào)在空間合成并在空間輻射傳輸，避免了傳統(tǒng)變壓器功率合成器在合成中引入的損耗，能夠提高功率放大器的飽和輸出功率和功率附加效率。

13、本發(fā)明適用于毫米波功率放大。