本發(fā)明屬于毫米波無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器。

背景技術(shù)：

隨著智能交通的迅速發(fā)展，雷達(dá)傳感器在汽車駕駛輔助系統(tǒng)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，24ghz雷達(dá)傳感器以其波束角度小、靈敏度高、體積小巧等優(yōu)勢(shì)迅速成為汽車駕駛輔助系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的雷達(dá)傳感器，24ghz功率放大器作為24ghz雷達(dá)傳感器的關(guān)鍵部件，作為傳感器中發(fā)射機(jī)的最后一級(jí)放大，其性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸范圍和信號(hào)抗干擾能力等。硅基cmos工藝作為半導(dǎo)體工藝中兼容性最好的工藝，但是其有限的工藝局限導(dǎo)致了硅基cmos功率放大器的研究發(fā)展緩慢，高增益、高輸出功率、高效率的硅基cmos功率放大器的研究成為了技術(shù)難題。同時(shí)，24ghz雷達(dá)傳感器為了保證其應(yīng)用的廣泛性本身需要信號(hào)傳輸范圍可控，導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度增強(qiáng)，而7模式增益和輸出功率可控功率放大器具有降低系統(tǒng)復(fù)雜度的潛能。電感元件作為系統(tǒng)中占據(jù)比例較大的無(wú)源部分中的重要器件，其過(guò)大的面積一直制約著芯片小型化發(fā)展的進(jìn)程，用單個(gè)尺寸較小的變壓器代替冗余的電感將精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小損耗。設(shè)計(jì)新型的增益和輸出功率可控功率放大器，將有效拓展應(yīng)用背景，對(duì)于現(xiàn)代汽車?yán)走_(dá)傳感器系統(tǒng)的發(fā)展具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)控制電壓實(shí)現(xiàn)7種不同增益模式，同時(shí)能有效提高放大器線性度和輸出功率的功率放大器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器，包含電源，控制電源，vdd端，vb端，控制端vc1、vc2、vc3，輸入端，輸出端和地線，vdd端和地線跨接在電源的正負(fù)端，vb端與偏置電壓相連，控制端vc1、vc2和vc3分別與控制電源的正端連接，還包括依次連接的第一巴倫、第一輸入匹配電路、第二輸入匹配電路，第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路，級(jí)間匹配電路、增益控制級(jí)、級(jí)間變壓器、功率級(jí)電路、第一輸出匹配電路、第二輸出匹配電路和第二巴倫；第一巴倫、第二巴倫分別連接輸入端和輸出端。

在上述的7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中，

第一輸入匹配電路包括電感l1、電容c1、c2連接的t型匹配電路；第二輸入匹配電路包括電感l2、電容c3、c4連接的t型匹配電路；

第一驅(qū)動(dòng)電路包括按共源共柵方式連接的mos晶體管m1和m2，mos晶體管m2柵極上連接偏置電阻r1，第二驅(qū)動(dòng)電路包括按共源共柵方式連接的mos晶體管m3和m4，mos晶體管m3柵極上連接偏置電阻r2；

級(jí)間匹配電路包括第一級(jí)間匹配電路和第二級(jí)間匹配電路，第一級(jí)間匹配電路包括連接成l型的電感l3和電容c5，第二級(jí)間匹配電路包括連接成l型的電感l4和電容c6；

增益控制級(jí)包括第一增益控制電路和第二增益控制電路，第一增益控制電路包括共源共柵連接的mos晶體管m5和m6、mos晶體管m7和m8、mos晶體管m9和m10，mos晶體管m6柵極上連接偏置電阻r3，第二增益控制電路包括共源共柵連接的mos晶體管m11和m12，mos晶體管m13和m14，mos晶體管m15和m16；mos晶體管m11柵極上連接偏置電阻r4；

級(jí)間變壓器包括第一變壓器和第二變壓器；

功率級(jí)電路包括第一功率級(jí)和第二功率級(jí)，第一功率級(jí)包括分別以共源方式連接的mos晶體管m17和m18，mos晶體管m17柵極上連接偏置電阻r5，mos晶體管m18柵極上連接偏置電阻r6；第二功率級(jí)包括分別以共源方式連接的mos晶體管m19和m20；mos晶體管m19柵極上連接偏置電阻r7，mos晶體管m20柵極上連接偏置電阻r8；

第一變壓器連接在增益控制級(jí)和第一功率級(jí)之間，第二變壓器連接在第一功率級(jí)和第二功率級(jí)之間；第一變壓器和第一功率級(jí)之間連接有耦合電容c7和c8；第二變壓器和第二功率級(jí)之間連接有耦合電容c9和c10；

第一輸出匹配電路包括電感l5、l7電容c11、c12連接的匹配電路，第二輸出匹配電路包括電感l6、l8電容c13、c14連接的匹配電路。

在上述的7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中，第一變壓器、第二變壓器均采用基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，工藝中最頂層金屬作為變壓器線圈a，金屬厚度為2.5um，工藝中次頂層金屬作為變壓器線圈b，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um,工藝中最底層金屬作為變壓器地金屬層，變壓器線圈a上包含2個(gè)對(duì)稱的射頻輸入端口變壓器端口i、變壓器端口ii，還包含2個(gè)對(duì)稱的dc端口變壓器直流端口、變壓器直流端口；射頻輸入端口位于變壓器正上方，dc端口位于變壓器兩側(cè)，變壓器線圈a中點(diǎn)處金屬線引出；變壓器線圈b上包含2個(gè)對(duì)稱的射頻輸出端口變壓器端口、變壓器端口，位于變壓器的正下方，變壓器線圈b中點(diǎn)處通過(guò)通孔與變壓器地金屬層連接。

在上述的7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中，第一巴倫、第二巴倫均選用具有阻抗匹配和功率合成作用的變巴倫，并采用基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，工藝中最頂層金屬作為巴倫頂層金屬線圈，金屬厚度為2.5um,工藝中次頂層金屬作為巴倫次頂層金屬線圈，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um；每個(gè)巴倫上均有3個(gè)端口，巴倫端口、巴倫端口、巴倫端口，巴倫端口作為射頻輸入端口，巴倫端口、巴倫端口作為射頻輸出端口，輸出端口所在的線圈中點(diǎn)處與巴倫地金屬層相連。

在上述的7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中，電感l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8均采用0.13umcmos工藝單層八角環(huán)形電感，利用工藝中最頂層金屬作為電感頂層金屬線圈，次頂層金屬作為電感次頂層金屬線圈，最底層金屬作為電感地金屬層；電感頂層金屬線圈上設(shè)置電感端口，電感次頂層金屬線圈上設(shè)置電感端口，位于電感正下方的電感地金屬層挖有與電感外圍等尺寸的變形槽子。

在上述的7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中，電感參數(shù)分別為：l1=165ph，l2=165ph，l3=120ph，l4=120ph，l5=100ph，l6=100ph，l7=70ph，l8=70ph；

電容參數(shù)分別為：c1=100ff，c2=300ff，c3=100ff，c4=300ff，c5=300ff，c6=300ff，c7=300ff，c8=300ff，c9=300ff，c10=300ff，c11=300ff，c12=300ff，c13=300ff，c14=300ff；

mos晶體管參數(shù)分別為：mos晶體管長(zhǎng)度l=130nm，寬度為：w1=2umx46，w2=2umx46，w3=2umx46，w4=2umx46，w5=2umx15，w6=2umx15，w7=2umx30，w8=2umx30，w9=2umx45，w10=2umx45，w11=2umx15，w12=2umx15，w13=2umx30，w14=2umx30，w15=2umx45，w16=2umx45，w17=2umx42x2，w18=2umx42x2，w19=2umx42x2，w20=2umx42x2；

電阻參數(shù)分別為：r1=r2=r3=r4=r5=r6=r7=r8=5kohm；

工作電壓vdd為1.5v；

偏置端vb電壓為0.95v。

本發(fā)明的有益效果是：具有7模式功率和增益?zhèn)螖?shù)字可控、高功率增益、高輸出功率等特點(diǎn)。各端口的50歐姆匹配特性良好，能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的兼容和搭建。并且傳輸損耗低、相位誤差小、回波損耗低、端口隔離度高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例電路模塊示意圖；

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例電路圖；

圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電感3d模型示意圖；

其中，31-電感端口、32-電感端口、33-電感頂層金屬線圈、34-電感次頂層金屬線圈、35-電感地金屬層；

圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的變壓器3d模型示意圖；

其中，41-變壓器端口i、42-變壓器端口ii、43-變壓器端口、44-變壓器端口、45-變壓器直流端口、46-變壓器直流端口、47-變壓器線圈a、48-變壓器線圈b、49-變壓器地金屬層；

圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的巴倫3d模型示意圖；

其中，51-巴倫端口、52-巴倫端口、53-巴倫端口、54-巴倫頂層金屬線圈、55-巴倫次頂層金屬線圈、56-巴倫地金屬層；

圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例高增益、高輸出功率模式s參數(shù)仿真曲線；

圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例低增益、低輸出功率模式s參數(shù)仿真曲線；

圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例高增益、高輸出功率模式線性度仿真曲線；

圖9為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例低增益、低輸出功率模式線性度仿真曲線；

圖10為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例不同電壓組合下的7中工作模式的功率增益仿真曲線；

圖11為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例不同電壓組合下的7中工作模式的線性度仿真曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。

所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其它工藝的可應(yīng)用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。

本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“相連”“連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。

本實(shí)施例采用以下方案實(shí)現(xiàn)，一種7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器，包含電源，控制電源，vdd端，vb端，控制端vc1、vc2、vc3，輸入端，輸出端和地線，vdd端和地線跨接在電源的正負(fù)端，vb端與偏置電壓相連，控制端vc1、vc2和vc3分別與控制電源的正端連接，還包括依次連接的第一巴倫、第一輸入匹配電路、第二輸入匹配電路，第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路，級(jí)間匹配電路、增益控制級(jí)、級(jí)間變壓器、功率級(jí)電路、第一輸出匹配電路、第二輸出匹配電路和第二巴倫；第一巴倫、第二巴倫分別連接輸入端和輸出端。

進(jìn)一步，第一輸入匹配電路包括電感l1、電容c1、c2連接的t型匹配電路；第二輸入匹配電路包括電感l2、電容c3、c4連接的t型匹配電路；

第一驅(qū)動(dòng)電路包括按共源共柵方式連接的mos晶體管m1和m2，mos晶體管m2柵極上連接偏置電阻r1，第二驅(qū)動(dòng)電路包括按共源共柵方式連接的mos晶體管m3和m4，mos晶體管m3柵極上連接偏置電阻r2；

級(jí)間匹配電路包括第一級(jí)間匹配電路和第二級(jí)間匹配電路，第一級(jí)間匹配電路包括連接成l型的電感l3和電容c5，第二級(jí)間匹配電路包括連接成l型的電感l4和電容c6；

增益控制級(jí)包括第一增益控制電路和第二增益控制電路，第一增益控制電路包括共源共柵連接的mos晶體管m5和m6、mos晶體管m7和m8、mos晶體管m9和m10，mos晶體管m6柵極上連接偏置電阻r3，第二增益控制電路包括共源共柵連接的mos晶體管m11和m12，mos晶體管m13和m14，mos晶體管m15和m16；mos晶體管m11柵極上連接偏置電阻r4；

級(jí)間變壓器包括第一變壓器和第二變壓器；

功率級(jí)電路包括第一功率級(jí)和第二功率級(jí)，第一功率級(jí)包括分別以共源方式連接的mos晶體管m17和m18，mos晶體管m17柵極上連接偏置電阻r5，mos晶體管m18柵極上連接偏置電阻r6；第二功率級(jí)包括分別以共源方式連接的mos晶體管m19和m20；mos晶體管m19柵極上連接偏置電阻r7，mos晶體管m20柵極上連接偏置電阻r8；

第一變壓器連接在增益控制級(jí)和第一功率級(jí)之間，第二變壓器連接在第一功率級(jí)和第二功率級(jí)之間；第一變壓器和第一功率級(jí)之間連接有耦合電容c7和c8；第二變壓器和第二功率級(jí)之間連接有耦合電容c9和c10；

第一輸出匹配電路包括電感l5、l7電容c11、c12連接的匹配電路，第二輸出匹配電路包括電感l6、l8電容c13、c14連接的匹配電路。

進(jìn)一步，第一變壓器、第二變壓器均采用基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，工藝中最頂層金屬作為變壓器線圈a，金屬厚度為2.5um，工藝中次頂層金屬作為變壓器線圈b，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um,工藝中最底層金屬作為變壓器地金屬層，變壓器線圈a上包含2個(gè)對(duì)稱的射頻輸入端口變壓器端口i、變壓器端口ii，還包含2個(gè)對(duì)稱的dc端口變壓器直流端口、變壓器直流端口；射頻輸入端口位于變壓器正上方，dc端口位于變壓器兩側(cè)，變壓器線圈a中點(diǎn)處金屬線引出；變壓器線圈b上包含2個(gè)對(duì)稱的射頻輸出端口變壓器端口、變壓器端口，位于變壓器的正下方，變壓器線圈b中點(diǎn)處通過(guò)通孔與變壓器地金屬層連接。

進(jìn)一步，第一巴倫、第二巴倫均選用具有阻抗匹配和功率合成作用的變巴倫，并采用基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，工藝中最頂層金屬作為巴倫頂層金屬線圈，金屬厚度為2.5um,工藝中次頂層金屬作為巴倫次頂層金屬線圈，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um；每個(gè)巴倫上均有3個(gè)端口，巴倫端口、巴倫端口、巴倫端口，巴倫端口作為射頻輸入端口，巴倫端口、巴倫端口作為射頻輸出端口，輸出端口所在的線圈中點(diǎn)處與巴倫地金屬層相連。

進(jìn)一步，電感l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8均采用0.13umcmos工藝單層八角環(huán)形電感，利用工藝中最頂層金屬作為電感頂層金屬線圈，次頂層金屬作為電感次頂層金屬線圈，最底層金屬作為電感地金屬層；電感頂層金屬線圈上設(shè)置電感端口，電感次頂層金屬線圈上設(shè)置電感端口，位于電感正下方的電感地金屬層挖有與電感外圍等尺寸的變形槽子。

更進(jìn)一步，電感參數(shù)分別為：l1=165ph，l2=165ph，l3=120ph，l4=120ph，l5=100ph，l6=100ph，l7=70ph，l8=70ph；

電容參數(shù)分別為：c1=100ff，c2=300ff，c3=100ff，c4=300ff，c5=300ff，c6=300ff，c7=300ff，c8=300ff，c9=300ff，c10=300ff，c11=300ff，c12=300ff，c13=300ff，c14=300ff；

mos晶體管參數(shù)分別為：mos晶體管長(zhǎng)度l=130nm，寬度為：w1=2umx46，w2=2umx46，w3=2umx46，w4=2umx46，w5=2umx15，w6=2umx15，w7=2umx30，w8=2umx30，w9=2umx45，w10=2umx45，w11=2umx15，w12=2umx15，w13=2umx30，w14=2umx30，w15=2umx45，w16=2umx45，w17=2umx42x2，w18=2umx42x2，w19=2umx42x2，w20=2umx42x2；

電阻參數(shù)分別為：r1=r2=r3=r4=r5=r6=r7=r8=5kohm；

工作電壓vdd為1.5v；

偏置端vb電壓為0.95v。

具體實(shí)施時(shí)，7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器包括依次連接的輸入端、第一巴倫、第一輸入匹配電路、第二輸入匹配電路、第一驅(qū)動(dòng)電路、第二驅(qū)動(dòng)電路、級(jí)間匹配電路、增益控制級(jí)、級(jí)間變壓器、功率級(jí)電路、第一輸出匹配電路、第二輸出匹配電路、第二巴倫、輸出端。第一輸入匹配電路為電感l1，電容c1和c2組成的t型匹配電路，第二輸入匹配電路為電感l2，電容c3和c4組成的t型匹配電路；第一輸入匹配電路、第二輸入匹配電路和巴倫b1實(shí)現(xiàn)輸入端50歐姆阻抗和驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入阻抗的共軛匹配，保證信號(hào)的最大效率傳輸，減小損耗。第一輸出匹配電路為電感l5和l7，電容c11和c12組成的輸出匹配電路，第二輸出匹配電路為電感l6和l8，電容c13和c14組成的輸出匹配電路；第一輸出匹配電路、第二輸出匹配電路和巴倫b2實(shí)現(xiàn)功率級(jí)最佳負(fù)載阻抗和輸出端50歐姆阻抗間的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)輸出端功率的最大輸出，其中，巴倫b1、b2均選擇具有阻抗匹配和功率合成作用的巴倫，基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，巴倫頂層金屬線圈采用工藝中最頂層金屬設(shè)計(jì)，金屬厚度為2.5um,巴倫次頂層金屬線圈采用工藝中次頂層金屬設(shè)計(jì)，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um，雙端口輸入的射頻信號(hào)經(jīng)巴倫頂層金屬線圈耦合到巴倫次頂層金屬線圈,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙端到單端的變換和功率合成。由mos晶體管m1和m2按共源共柵方式連接組成第一驅(qū)動(dòng)電路，mos晶體管m3和m4按共源共柵方式連接組成第二驅(qū)動(dòng)電路，能保證功率放大器具有足夠大的增益。級(jí)間匹配電路分別由電感l3和電容c5、電感l4和電容c6組成的l型匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)匹配，完成驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出阻抗到增益控制級(jí)輸入阻抗的共軛匹配，保證功率的最大化傳輸。增益控制級(jí)和功率級(jí)電路及兩功率級(jí)間的阻抗匹配利用特定的變壓器實(shí)現(xiàn)，保證功率的最大傳輸，其中變壓器具有阻抗匹配、信號(hào)耦合和射頻扼流圈的作用；其包含傳統(tǒng)變壓器和連接在射頻輸入端的電感組成，該變壓器基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，變壓器線圈a采用工藝中最頂層金屬設(shè)計(jì)，金屬厚度為2.5um,變壓器線圈b采用工藝中次頂層金屬設(shè)計(jì)，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um,最底層金屬作為變壓器地金屬層，在中心頻率附近傳輸損耗低、相位誤差小、回波損耗低、端口隔離度高，在電感的輔助下很好地實(shí)現(xiàn)級(jí)間的信號(hào)耦合和阻抗匹配，有效降低損耗。第一、第二增益控制電路分別由共源共柵結(jié)構(gòu)的mos晶體管m5和m6、mos晶體管m7和m8、mos晶體管m9和m10、mos晶體管m11和m12,、mos晶體管m13和m14,、mos晶體管m15和m16組成，通過(guò)改變mos晶體管m5，m7，m9，和mos晶體管m12，m14，m16柵極的偏置電壓，選擇導(dǎo)通的支路，完成增益控制級(jí)的跨導(dǎo)的控制，達(dá)到增益和輸出功率控制的目的，其中在保證本實(shí)施例的放大器可以工作的情況下，vc1、vc2和vc3可以實(shí)現(xiàn)7種電壓組合方式，vc1=1.5v、vc2=1.5v和vc3=1.5v；vc1=1.5v、vc2=1.5v和vc3=0v；vc1=1.5v、vc2=0v和vc3=1.5v；vc1=0v、vc2=1.5v和vc3=1.5v；vc1=0v、vc2=0v和vc3=1.5v；vc1=1.5v、vc2=0v和vc3=10v；vc1=0v、vc2=1.5v和vc3=0v；最終實(shí)現(xiàn)功率放大器7模式增益和功率的工作模式。

以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)施例的實(shí)施，如圖1所示，本實(shí)施例7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器電路框架圖，包含vdd端、vb端、vc1、vc2、vc3、input端、output端和地線，vdd端和地線跨接在電源的正負(fù)端，vb與偏置電壓相連，控制端vc1、vc2和vc3分別與控制電源的正端連接，input端和output端分別是放大器的射頻信號(hào)輸入和射頻信號(hào)輸出端，第一巴倫、第一輸入匹配電路、第二輸入匹配電路、第一驅(qū)動(dòng)級(jí)電路、第二驅(qū)動(dòng)級(jí)電路、級(jí)間匹配電路、增益控制級(jí)、級(jí)間變壓器、功率級(jí)電路、第一輸出匹配電路、第二輸出匹配電路、輸出端。信號(hào)由輸入端進(jìn)入功率放大器，通過(guò)第一巴倫和第一、第二輸入匹配電路，單路信號(hào)轉(zhuǎn)換為雙路，并且最大效率的傳輸至驅(qū)動(dòng)級(jí)，實(shí)現(xiàn)功率的前期放大；放大后的信號(hào)經(jīng)級(jí)間匹配電路進(jìn)入增益控制級(jí)，在增益控制電壓的操作下進(jìn)一步完成特定倍數(shù)的功率放大；放大后的信號(hào)經(jīng)級(jí)間變壓器進(jìn)入功率級(jí)電路，功率級(jí)電路可以有效保證信號(hào)的電壓擺幅強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)微弱的功率增益效果，最終功率級(jí)輸出的大信號(hào)經(jīng)第一、第二輸出匹配電路和第二巴倫由輸出端輸出。實(shí)現(xiàn)高增益、高線性度、高抗干擾能力的高功率輸出。

如圖2所示，本實(shí)施例7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器的電路圖，包含有20個(gè)mos晶體管m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10、m11、m12、m13、m14、m15、m16、m17、m18、m19、m20；14個(gè)電容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、c11、c12、c13、c14；8個(gè)電感l(wèi)1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8；8個(gè)電阻r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8。其中mos晶體管m1和m2按共源共柵方式連接成第一驅(qū)動(dòng)電路，mos晶體管m3和m4按共源共柵方式連接成第二驅(qū)動(dòng)電路；mos晶體管m5和m6，mos晶體管m7和m8，mos晶體管m9和m10分別按共源共柵方式連接成第一增益控制電路，mos晶體管m11和m12，mos晶體管m13和m14，mos晶體管m15和m16分別按共源共柵方式連接成第二增益控制電路；mos晶體管m17和m18分別按共源方式連接成第一功率級(jí)，mos晶體管m19和m20分別按共源方式連接成第二功率級(jí)。其中，電感l(wèi)1，電容c1和c2連接成的t型匹配電路作為第一輸入匹配電路，位于輸入端和第一驅(qū)動(dòng)電路之間；電感l(wèi)2，電容c3和c4連接成的t型匹配電路作為第二輸入匹配電路，位于輸入端和第二驅(qū)動(dòng)電路之間；電感l(wèi)3和電容c5組成第一級(jí)間匹配電路，電感l(wèi)4和電容c6組成第二級(jí)間匹配電路；電容c7和電容c8作為級(jí)間耦合電容，位于增益控制級(jí)和第一功率級(jí)之間，電容c9和電容c10作為級(jí)間耦合電容，位于第一功率級(jí)和第二功率級(jí)之間；電感l(wèi)5、l7，電容c11和c12組成第一輸出匹配電路，電感l(wèi)6、l8，電容c13和c14組成第二輸出匹配電路。8個(gè)電阻r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8在電路中作為偏置電阻，分別連接在mos晶體管m2、m3、m6、m11、m17、m18、m19、m20的柵極上。本實(shí)施例功率放大器還包含有無(wú)源器件第一巴倫b1、第二巴倫b2，第一變壓器t1、第二變壓器t2，第一巴倫b1連接在輸入端和第一、第二輸入匹配電路之間，第二巴倫b2連接在第一、第二輸出匹配電路和輸出端之間，第一變壓器t1連接在增益控制級(jí)和第一功率級(jí)之間，第二變壓器t2連接在第一功率級(jí)和第二功率級(jí)之間。

本實(shí)施例功率放大器的元器件和電路參數(shù)如下：

電感參數(shù)為：l1=165ph，l2=165ph，l3=120ph，l4=120ph，l5=100ph，l6=100ph，l7=70ph，l8=70ph；

電容參數(shù)為：c1=100ff，c2=300ff，c3=100ff，c4=300ff，c5=300ff，c6=300ff，c7=300ff，c8=300ff，c9=300ff，c10=300ff，c11=300ff，c12=300ff，c13=300ff，c14=300ff；

晶體管參數(shù)為：全部晶體管長(zhǎng)度l=130nm，寬度為：w1=2umx46，w2=2umx46，w3=2umx46，w4=2umx46，w5=2umx15，w6=2umx15，w7=2umx30，w8=2umx30，w9=2umx45，w10=2umx45，w11=2umx15，w12=2umx15，w13=2umx30，w14=2umx30，w15=2umx45，w16=2umx45，w17=2umx42x2，w18=2umx42x2，w19=2umx42x2，w20=2umx42x2；

電阻參數(shù)：r1=r2=r3=r4=r5=r6=r7=r8=5kohm；

電源電壓vdd為1.5v；

偏置1端vb電壓為0.95v。

如圖3所示，本實(shí)施例的7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器電感的3d模型，在特定0.13umcmos工藝下，利用專業(yè)3d電磁波全波仿真軟件設(shè)計(jì)的單層八角環(huán)形電感，電感使用工藝中的最頂層金屬作為電感頂層金屬線圈33，電感頂層金屬線圈33上設(shè)置電感端口32，次頂層金屬作為電感次頂層金屬線圈34，電感次頂層金屬線圈34上設(shè)置電感端口31，電感地金屬層35使用工藝中最底層金屬，兩層金屬之間的距離在該工藝金屬層之間距離中最大，能夠有效地減小信號(hào)的耦合損失，位于電感正下方的地金屬層挖掉和電感外圍等尺寸的變形槽子，可以有效減小電感的渦流效應(yīng)，降低電感損耗，提高電感的品質(zhì)因數(shù)。

如圖4所示，本實(shí)施例7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中帶有匹配功能的變壓器3d模型，采用具有阻抗匹配作用的變壓器，基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，采用工藝中最頂層金屬作為變壓器線圈a47，金屬厚度為2.5um，采用工藝中次頂層金屬作為變壓器線圈b48，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um,最底層金屬作為變壓器地金屬層49，變壓器共有6個(gè)端口，變壓器線圈a47包含2個(gè)對(duì)稱的射頻輸入端口變壓器端口i41、變壓器端口ii42，還包含2個(gè)對(duì)稱的dc端口變壓器直流端口45、變壓器直流端口46，其中射頻端口位于變壓器正上方，dc端口位于變壓器兩側(cè)，變壓器線圈a中點(diǎn)處金屬線引出；變壓器線圈b包含2個(gè)對(duì)稱的射頻輸出端口變壓器端口43、變壓器端口44，位于變壓器的正下方，變壓器線圈b中點(diǎn)處通過(guò)通孔與變壓器地金屬層連接。

如圖5所示，本實(shí)施例7模式增益和輸出功率可控的k波段功率放大器中巴倫的3d模型，第一、第二巴倫均采用具有阻抗匹配和功率合成作用的變巴倫，基于0.13umcmos工藝設(shè)計(jì)，采用工藝中最頂層金屬作為巴倫頂層金屬線圈，金屬厚度為2.5um,采用工藝中次頂層金屬作為巴倫次頂層金屬線圈，厚度為0.534um,兩層金屬間距0.9um，巴倫共有3個(gè)端口巴倫端口51、巴倫端口52、巴倫端口53，巴倫端口51作為射頻輸入端口，巴倫端口52、巴倫端口53作為射頻輸出端口，并且輸出端口所在的線圈中點(diǎn)處與巴倫地金屬層相連。

如圖6所示，本實(shí)施例高增益、高輸出功率模式s參數(shù)仿真曲線中s21為功率小信號(hào)增益，s11為輸入端口回波損耗，s22為輸出端口回波損耗。由圖可知，回波損耗s11、s22在中心頻點(diǎn)附近均小于-10db，工作頻率25ghz處可以達(dá)到-15db；功率小信號(hào)增益s21的25db帶寬為22.5ghz-27.5ghz,工作頻率25ghz處可以達(dá)到30db。

如圖7所示，本實(shí)施例低增益、低輸出功率模式s參數(shù)仿真曲線中s21為功率小信號(hào)增益，s11為輸入端口回波損耗，s22為輸出端口回波損耗。由圖可知，回波損耗s11、s22在中心頻點(diǎn)附近均小于-10db，工作頻率25ghz處可以達(dá)到-15db；功率小信號(hào)增益s21的10db帶寬為22.5ghz-27.5ghz,工作頻率25ghz處可以達(dá)到14db。

如圖8所示，本實(shí)施例高增益、高輸出功率模式線性度仿真曲線中輸出功率p1db壓縮點(diǎn)為16.7dbm,輸出飽和功率psat=20.5dbm。

如圖9所示，本實(shí)施例低增益、低輸出功率模式線性度仿真曲線中輸出功率p1db壓縮點(diǎn)為8.7dbm,輸出飽和功率psat=12.5dbm。

如圖10所示，本實(shí)施例在不同電壓組合下的7中工作模式的功率增益仿真曲線，功率放大器在控制電壓vc1、vc2、vc3的不同組合下會(huì)有7中工作模式，由圖可知，該7模式功率放大器功率增益范圍為14db-30db。

如圖11所示，本實(shí)施例在不同電壓組合下的7中工作模式的線性度仿真曲線，功率放大器在控制電壓vc1、vc2、vc3的不同組合下會(huì)有7中工作模式，由圖可知，該7模式功率放大器輸出功率p1db壓縮點(diǎn)范圍為8.7dbm–16.7dbm,輸出飽和功率psat范圍為12.5dbm–20.5dbm。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

雖然以上結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說(shuō)明，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變形或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書(shū)限定。