[发明专利]一种超高频可变增益放大器结构

说明书

本发明公开了一种超高频可变增益放大器结构，包括宽带变压器匹配网络组成第一部分电路(100)、第四部分电路(400)；并联的幅度控制模块组成第二部分电路(200)、第三部分电路(300)，第一部分电路(100)完成50欧姆负载到输入阻抗R_in的匹配并实现单端信号RF_in到差分信号in+和in‑的转换；第二部分电路(200)由归一化尺寸为1x到32x的6个并联的基于差分共源放大器的基本增益单元组成；第三部分电路(300)由3个改进的多重并联等效结构组成；所述的第四部分电路(400)完成输出阻抗R_out到50欧姆负载的匹配，实现差分信号out+和out‑到单端信号RF_out的转换。通过上述方式，本发明在保证增益的基础上实现精准步进的同时确保各增益状态具有相同的输出阻抗和调幅附加相移。

技术领域

本发明涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种超高频可变增益放大器，特别适用于毫米波相控阵系统中的增益调节模块的设计。

背景技术

近年来，随着通信技术的飞速发展，更高、更宽带的频谱资源将被使用。针对高频频段传播损耗大及信号覆盖范围小的问题，相控阵技术，包括多天线阵列和波束赋形技术被广泛应用于高频通信系统中，以弥补路径损耗和提高信号覆盖的灵活性和指向性。

相控阵技术通过给基本阵列的信号加以一定的移相来获得波束的偏转。同时在多方位补偿相位，以此得到多波束。毫米波相控阵系统中，对于相位和幅度的精准控制是重中之重。

幅度控制模块是相控阵系统的重要组成部分。相控阵天线进行波束扫描时，各通道处于不同状态，会引起各通道幅度不一致。通过幅度控制可以对相控阵系统各通道的信号幅度进行调节以减少通道间的幅度偏差以及降低相控阵系统合成波束的旁瓣，以增强波束的指向性。除此之外，在通信系统中，由于信道衰减，大气损耗及各种噪声的干扰，接收机接收到的信号强度会出现不稳定的现象，将产生较大的动态范围。为了更可靠的接收信号，一般采用衰减器或可变增益放大器来确保在不同相位状态下的发射及接收幅度一致。

相比于衰减器，可变增益放大器在高频毫米波段据有一定的优势。衰减器具有超宽带，无直流损耗等优点，但是由于它是无源器件，导致只能通过控制损耗的大小来控制幅度且控制精度不高。而可变增益放大器虽然有一定的功耗，但相比于衰减器，它能提供更高增益的调节范围及高精度的调节步进。另外本发明中的结构带有180°的相移，可以减轻移相器的设计压力以提高整体系统的性能。

共源共栅极结构具有较高输出阻抗和增益且具有屏蔽特性。在毫米波相控阵系统可变增益放大器的设计中有广泛的应用。但随着频率的不断提高，一些问题逐渐突出。各增益状态输出阻抗和相位的变换都严重影响着可变增益放大器的精度。而步进精度，调节范围，最高增益等指标的权衡取舍也成为一大难点，这使得新的结构和设计的出现日益增加。

在高频段的设计中，一般采用差分共源共栅极结构来实现可变增益放大器。此结构有较高的输出阻抗，有利于匹配网络的设计。并且输入输出端隔离，有较高的增益。但随着频率提高和指标要求的增加，超高频的可变增益放大器设计仍然面临很多挑战，如（1）晶体管的栅极电压和放大器的增益成幂函数关系，较难做到指数型线性步进（2）受晶体管寄生电容的影响增加，可变增益放大器在不同增益状态时存在相位误差扩大，这将导致相控阵系统的相位校准变得复杂。（3）在保证大的可调范围的同时，若要实现小的精确的步进精度，将严重牺牲最高增益。（4）为了消除共源共栅极间的寄生参数以提高增益，往往在中间级串联电感或变压器。这将很大程度增加芯片面积，增加成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高频可变增益放大器结构，针对目前超高频可变增益放大器中增益调节范围，最高增益以及步进精度的矛盾，提出优化的多重并联等效结构，在保证最大增益和调节范围的基础上实现了精准步进。