[发明专利]一种具有低插入损耗的8字形四路功率合成器

说明书

本发明属于通信技术领域，涉及功率合成器，具体提供一种具有低插入损耗的新型8字形四路功率合成器；用以解决传统8字形(eight‑shaped)变压器功率合成器多路合成具有较大的插入损耗、恶化电路整体性能，及输入端口阻抗的不一致性问题。本发明通过对传统8字形功率合成器的改进，将传统的8字形变压器的次级线圈分裂成两个关于信号方向对称的8字形线圈，并采用了两圈次级线圈将初级线圈夹在中间的相互嵌套结构，具有更少的能量泄漏、较高的耦合系数，且有效减小了面积，有利于实现高带宽和低插入损耗功率合成设计；同时，该独特的物理结构保证了本发明功率合成器的各个端口输入阻抗高度一致的特性。

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及功率合成器，具体为一种具有低插入损耗的8字形四路功率合成器。

背景技术

众所周知，通信系统的工作频率越高，则能提供更快的信号传输速率和更大的信道容量。由于频谱资源的占用，因而采用了K/Ka波段的24.75~27.5GHz、以及37~42.5GHz的移动毫米波宽带系统来支持高吞吐量的第五代（the 5th generation mobilecommunication，5G）蜂窝网络通信。硅基射频集成电路制造工艺以其优异的特性以及廉价的成本而备受关注。与MOSFET相比，BiCMOS晶体管不存在体效应的影响，因此能提供相对更高的线性度。硅基电路相比于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体工艺不仅具有十分低廉的造价，并且可以和数字电路集成，具有十分重要的研究价值。

集成电路中NPN晶体管的β_F最大可以达到500，因此其能提供相对更高的增益，从而实现更高的PAE（功率附加效率），高性能晶体管HP NPN具有优异的高频特性；但由于硅基工艺可靠性的限制，与III-V族工艺相比，射频功率放大器的供电电压以及电流密度都相对较小，因此硅基晶体管单管的输出功率有限；为了提高功率放大器的输出功率，可以采用多路功率合成的方法。功率合成技术有着片上功率合成和空间功率合成等方法。在毫米波频率，片上功率合成技术得到广泛应用，主要结果包括：直接功率合成，威尔金森功率合成和基于变压器的功率合成。直接功率合成直接合成了来自多个通道的电流，并将它们应用于输出负载以获得大功率，但阻抗变换网络可能导致大的损耗和不对称的布局；基于传输线的威尔金森功率合成可在指定频率下为所有端口实现良好的隔离和匹配，但只适用于窄带应用，并且对耦合和元件寄生效应很敏感，在毫米波频段需要占用大量芯片面积；基于变压器的功率合成集成了功率合成和阻抗匹配的功能，而且不会额外增加无源网络的损耗，被广泛应用于提高电路的功率输出能力。

在传统的变压器多路功率合成中，往往采用独立的多个变压器电流合成方法，从而提高功率放大器的输出功率。对于每一个变压器具有高耦合系数、低插入损耗，但对于采用独立的多个变压器电流合成方法而言，由于使用多个独立的变压器，一定程度上将引入更多的损耗；同时，变压器之间会存在相互影响，且存在各端口阻抗存在不一致性问题，由于功率合成器同时具有功率合成以及阻抗变换的功能，因此其阻抗匹配的好坏很大程度上能够影响其损耗；当匹配网络的阻抗匹配效果较差时，一部分能量消耗会因阻抗不连续而被消耗掉。

传统8字形（eight-shaped）变压器功率合成器结构如图4所示，其中初级线圈、次级线圈均为独立单圈结构，仍存在上述问题。同时，由于输出端口不一致，信号通路的不一致，将导致功率合成器输入端口阻抗的不一致性，此时四路输入端的阻抗都将不相等；而为克服这一问题，可以使图4所示功率合成器左右两边的八边形线圈的直径不相等，从而增加功率合成器的输入阻抗一致性；但这种方法将增加合成器网络的设计难度，且会增加其插入损耗，同时还可能引入其他问题。

发明内容