一种射频前端发射模块及相控阵雷达前端芯片

摘要

本发明公开了一种射频前端发射模块，包括依次连接的有源倍频器、功率放大器和移相器；有源倍频器包括依次连接的输入匹配网络、耦合网络、有源倍频核以及输出匹配网络，其中，耦合网络包括功分器网络和第一耦合器网络；移相器包括依次连接的第一开关网络、第二耦合器网络以及第二开关网络；第一开关网络的输入端连接功率放大器的输出端，第二开关网络的输出端为整个射频前端发射模块的输出端。本发明提供的射频前端发射模块大大提高了芯片集成度，减小了模块面积；且大大降低了各部分的级联损耗，有利于提升模块整体性能。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种射频前端发射模块及相控阵雷达前端芯片。

背景技术

相控阵雷达是一种采用相控阵天线的电子扫描雷达，相控阵天线则是由多个天线子单元组合而成，在每个天线子单元都有一路射频收发结构，采用相控阵技术的雷达天线波束的灵活性和自适应程度都非常的高，诸多优点使得其越来越受到研究人员的青睐，广泛的运用于军事、探测、汽车雷达等各个方面。

射频前端发射模块主要通过功率放大器将调制后的射频信号放大到一定的功率值，再将放大后的射频信号通过天线发送出去。目前，主流的射频前端发射模块一般包括开关、滤波器、功率放大器等器件，这些器件电路结构比较复杂，难以高度集成，从而导致射频前端模块的体积较大，且各部分的级联损耗较大，影响了系统性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种射频前端发射模块及相控阵雷达前端芯片。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种射频前端发射模块，包括依次连接的有源倍频器、功率放大器和移相器；其中，所述有源倍频器包括依次连接的输入匹配网络、耦合网络、有源倍频核以及输出匹配网络，其中，

所述耦合网络包括功分器网络和第一耦合器网络；所述输入匹配网络的一端接入输入信号Pin，另一端连接所述功分器网络的输入端；所述功分器网络的输出端连接所述第一耦合器网络的输入端，所述第一耦合器网络的输出端连接所述倍频核；

所述移相器包括依次连接的第一开关网络、第二耦合器网络以及第二开关网络；所述第一开关网络的输入端连接所述功率放大器的输出端，所述第二开关网络的输出端为整个射频前端发射模块的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述输入匹配网络包括串联的第一电容和第一微带线，所述第一电容的一端作为整个电路的输入端接入输入信号，所述第一微带线的一端连接所述功分器网络的输入端。

在本发明的一个实施例中，所述功分器网络包括一个二功率分配器，以将一路输入信号均分为两路输出。

在本发明的一个实施例中，所述第一耦合器网络包括耦合器1和耦合器2，其中，

所述耦合器1和所述耦合器2的输入端分别连接所述二功率分配器的两个输出端；

所述耦合器1的耦合端和直通端开路，所述耦合器2的耦合端和直通端接地；

所述耦合器1和所述耦合器2的隔离端作为第一耦合器网络的输出连接所述有源倍频核。

在本发明的一个实施例中，所述有源倍频核包括第一晶体管和第二晶体管，其中，

所述第一晶体管的栅极连接所述耦合器1的耦合端，所述第二晶体管的栅极连接所述耦合器2的隔离端；

所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极均接地；

所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极连接并作为有源倍频核的输出连接所述输出匹配网络。

在本发明的一个实施例中，所述第一晶体管和第二晶体管均采用GaN HEMT工艺设计。

在本发明的一个实施例中，所述输出匹配网络包括第二微带线第三微带线、第二电容和第三电容；其中，

所述第二微带线的第一端连接所述第一晶体管和所述第二晶体管的漏极公共端，所述第二微带线的第二端连接所述第三微带线、所述第二电容的第一端、所述第三电容的第一端；

所述第三微带线为开路微带线；

所述第二电容的第二端接地；

所述第三电容的第二端连接所述功率放大器的输入端。

在本发明的一个实施例中，所述第二耦合器网络包括两个正交的耦合器3和耦合器4，其中，

所述耦合器3和所述耦合器4的输入端分别连接所述第一开关网络的两个输出端；

所述耦合器3的耦合端和直通端开路，所述耦合器4的耦合端和直通端接地；

所述耦合器3和所述耦合器4的隔离端分别连接第二开关网络的输入端。

在本发明的一个实施例中，所述第一开关网络和所述第二开关网络均包括第三晶体管、第一电阻、第二电阻、第四晶体管、第四微带线、第五晶体管、第三电阻、第六晶体管、第四电阻、第五电阻、第七晶体管、第五微带线、第八晶体管、第六电阻；其中，

所述第三晶体管和所述第六晶体管的栅极用于所述第一开关网络的输入端时，共同连接所述功率放大器的输出端；所述第三晶体管和所述第六晶体管的栅极用于所述第二开关网络的输入端时，分别连接所述耦合器3和所述耦合器4的隔离端；

所述第三晶体管的源极通过第一电阻连接第一电压端，所述第六晶体管的源极通过第四电阻连接第二电压端；

所述第三晶体管的漏极、所述第四晶体管的栅极、所述第四微带线的第一端以及所述第五晶体管的栅极共同连接至节点A，并作为第一开关网络的第一输出端连接所述耦合器3的输入端，或者作为第二开关网络的第一输出端；

所述第六晶体管的漏极、所述第七晶体管的栅极、所述第五微带线的第一端以及所述第八晶体管的栅极共同连接至节点B，并作为第一开关网络的第二输出端连接所述耦合器4的输入端，或者作为第二开关网络的第二输出端；

所述第四晶体管的源极通过第二电阻连接第三电压端，所述第五晶体管的源极通过第三电阻连接第三电压端；

所述第七晶体管的源极通过第五电阻连接第四电压端，所述第八晶体管的源极通过第六电阻连接第四电压端；

所述第四晶体管的漏极、所述第四微带线的第二端、所述第五晶体管的漏极、所述第七晶体管的漏极、所述第五微带线的第二端以及所述第八晶体管的漏极均接地。

本发明的另一个实施例还提供了一种相控阵雷达前端芯片，所述芯片内部封装设置有如上述实施例所述的射频前端发射模块。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的射频前端发射模块通过采用功分器和耦合器相结合的结构实现了有源倍频器结构，同时采用开关加两个正交耦合器方式实现了移相器结构，并与功放、开关组成一体化集成的射频前端发射模块，与传统的相控阵芯片前端发射模块相比，大大提高了芯片集成度，减小了模块面积；且大大降低了各部分的级联损耗，有利于提升模块整体性能；

2、本发明采用等分均比功分器加两个正交耦合器加HEMT器件的方式设计了一款有源倍频器，达到了高抑制奇次谐波的效果，相比传统的巴伦结构的倍频器，降低了设计难度，简化了电路结构；并且采用有源器件来设计可以非常好的和PA进行集成，有效的降低了芯片面积，使芯片的集成度更高；且从两个正交耦合器出来的两个信号，幅度和相位之间的误差非常的小，幅度接近相等，确保了倍频器的输出信号稳定性，提升了电路性能；

3、本发明采用开关加两个正交耦合器的方式实现了一款180°的移相器，在满足相控阵前端模块对移相器要求的同时，还可以和前端的PA集成在一起，提高了模块集成度，并且输出相位和幅度准确，提高了相控阵雷达定位精度；同时，在移相器两端设计高隔离度开关，实现了两输出端口的高度隔离。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种射频前端发射模块的结构框图；

图2是本发明实施例提供的有源倍频器的电路示例图；

图3是本发明实施例提供的移相器的电路示例图；

图4是本发明实施例提供的相控阵雷达前端发射模块电路框架图；

图5是本发明实施例提供的PA功放的结构简图；

图6是本发明实施例提供的有源倍频器电路各级输出信号波形图；

图7是本发明实施例提供的有源倍频器的输出功率曲线图；

图8是本发明实施例提供的移相器两个输出端口之间的隔离度仿真结果；

图9是本发明实施例提供的射频前端发射模块的输出功率仿真结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种射频前端发射模块的结构框图，其包括依次连接的有源倍频器1、功率放大器2和移相器3；其中，所述有源倍频器1包括依次连接的输入匹配网络11、耦合网络12、有源倍频核13以及输出匹配网络14，其中，

所述耦合网络12包括功分器网络121和第一耦合器网络122；所述输入匹配网络11的一端接入输入信号Pin，另一端连接所述功分器网络121的输入端；所述功分器网络121的输出端连接所述第一耦合器网络122的输入端，所述第一耦合器网络122的输出端连接所述倍频核13；

所述移相器3包括依次连接的第一开关网络31、第二耦合器网络32以及第二开关网络33；所述第一开关网络31的输入端连接所述功率放大器2的输出端，所述第二开关网络33的输出端为整个射频前端发射模块的输出端。

进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的有源倍频器的电路示例图；其中，

所述输入匹配网络11包括串联的第一电容C1和第一微带线L1，所述第一电容C1的一端作为整个电路的输入端接入输入信号，所述第一微带线L1的一端连接所述功分器网络21的输入端。

需要说明的是，输入匹配网络11用于将阻抗从50欧姆匹配到需要的阻抗值。

在本实施例中，功分器网络121包括一个二功率分配器，以将一路输入信号均分为两路输出。

进一步地，请继续参见图2，所述第一耦合器网络122包括耦合器1和耦合器2，其中，

所述耦合器1和所述耦合器2的输入端分别连接所述二功率分配器的两个输出端；

所述耦合器1的耦合端和直通端开路，所述耦合器2的耦合端和直通端接地；

所述耦合器1和所述耦合器2的隔离端作为第一耦合器网络122的输出连接所述有源倍频核13。

本实施例采用等分均比功分器加两个正交耦合器加HEMT器件的方式设计了一款有源倍频器，达到了高抑制奇次谐波的效果，相比传统的巴伦结构的倍频器，降低了设计难度，简化了电路结构；并且采用有源器件来设计可以非常好的和PA进行集成，有效的降低了芯片面积，使芯片的集成度更高；且从两个正交耦合器出来的两个信号，幅度和相位之间的误差非常的小，输出信号相位差稳定在180°左右，幅度接近相等，确保了倍频器的输出信号稳定性，提升了电路性能。

此外，本实施例采用耦合器的电路结构可以实现较宽的带宽，并且信号的隔离度会因此得到提升。

进一步地，在本实施例中，有源倍频核13也即电路的有源器件包括两个HEMT器件，即第一晶体管M1和第二晶体管M2，其中，

所述第一晶体管M1的栅极连接所述耦合器1的耦合端，所述第二晶体管M2的栅极连接所述耦合器2的隔离端；

所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的源极均接地；

所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的漏极连接并作为有源倍频核3的输出连接所述输出匹配网络4。

需要说明的是，本实施例中的第一晶体管M1和第二晶体管M2均采用GaN HEMT工艺设计，其可以和其他模块进行片上集成，进一步提高设计的集成度，有利于减小射频前端模块的面积。

请继续参见图2，其中，所述输出匹配网络14包括第二微带线L2、第三微带线L3、第二电容C2和第三电容C3；其中，

所述第二微带线L2的第一端连接所述第一晶体管M1和所述第二晶体管M2的漏极公共端，所述第二微带线L2的第二端连接所述第三微带线L3、所述第二电容C2的第一端、所述第三电容C3的第一端；

所述第三微带线L3为开路微带线；

所述第二电容C2的第二端接地；

所述第三电容C3的第二端连接所述功率放大器2的输入端。

本实施例通过输入匹配网络，将阻抗从50欧姆匹配到需要的阻抗值，再通过功分器网络和耦合器网络将阻抗匹配到HEMT器件基波输入阻抗，然后通过HEMT有源器件，实现二倍频输出，并通过输出匹配网络输出至下一级电路。

本实施例提供的倍频器电路结构可以实现频率的二倍频。在实际应用中，还可以通过多个倍频器的方式，实现4倍频、8倍频甚至更大的倍频器。

进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的移相器的电路示例图，其中，所述第二耦合器网络32包括两个正交的耦合器3和耦合器4，其中，

所述耦合器3和所述耦合器4的输入端分别连接所述第一开关网络31的两个输出端；

所述耦合器3的耦合端和直通端开路，所述耦合器4的耦合端和直通端接地；

所述耦合器3和所述耦合器4的隔离端分别连接第二开关网络33的输入端。

进一步地，所述第一开关网络31和所述第二开关网络33均包括第三晶体管M3、第一电阻R1、第二电阻R2、第四晶体管M4、第四微带线L4、第五晶体管M5、第三电阻R3、第六晶体管M6、第四电阻R4、第五电阻R5、第七晶体管M7、第五微带线L5、第八晶体管M8、第六电阻R6；其中，

所述第三晶体管M3和所述第六晶体管M6的栅极用于所述第一开关网络31的输入端时，共同连接所述功率放大器2的输出端；所述第三晶体管M3和所述第六晶体管M6的栅极用于所述第二开关网络32的输入端时，分别连接所述耦合器3和所述耦合器4的隔离端；

所述第三晶体管M3的源极通过第一电阻R1连接第一电压端V1，所述第六晶体管M6的源极通过第四电阻R4连接第二电压端V2；

所述第三晶体管M3的漏极、所述第四晶体管M4的栅极、所述第四微带线L4的第一端以及所述第五晶体管M5的栅极共同连接至节点A，并作为第一开关网络31的第一输出端连接所述耦合器3的输入端，或者作为第二开关网络33的第一输出端；

所述第六晶体管M6的漏极、所述第七晶体管M7的栅极、所述第五微带线L5的第一端以及所述第八晶体管M8的栅极共同连接至节点B，并作为第一开关网络31的第二输出端连接所述耦合器4的输入端，或者作为第二开关网络33的第二输出端；

所述第四晶体管M4的源极通过第二电阻R2连接第三电压端V3，所述第五晶体管M5的源极通过第三电阻R3连接第三电压端V3；

所述第七晶体管M7的源极通过第五电阻R5连接第四电压端V4，所述第八晶体管M8的源极通过第六电阻R6连接第四电压端V4；

所述第四晶体管M4的漏极、所述第四微带线L4的第二端、所述第五晶体管M5的漏极、所述第七晶体管M7的漏极、所述第五微带线L5的第二端以及所述第八晶体管M8的漏极均接地。

当第一电压端V1大于HEMT器件的开启电压，第二电压端V2小于HEMT器件的开启电压，第三电压端V3小于HEMT器件的开启电压，第四电压端V4大于HEMT器件的开启电压时，第二开关网络33的第二输出端也即Term2端口输出信号，反之则第二开关网络33的第一输出端也即Term1端口输出信号。

本实施例采用开关加两个正交耦合器的方式实现了一款180°的移相器，在满足相控阵前端模块对移相器要求的同时，还可以和前端的PA集成在一起，提高了模块集成度，并且输出相位和幅度准确，提高了相控阵雷达定位精度；同时，在移相器两端设计高隔离度开关，实现了两输出端口的高度隔离。

本发明提供的射频前端发射模块通过采用功分器和耦合器相结合的结构实现了有源倍频器结构，同时采用开关加两个正交耦合器方式实现了移相器结构，并与功放、开关组成一体化集成的射频前端发射模块，与传统的相控阵芯片前端发射模块相比，大大提高了芯片集成度，减小了模块面积；且大大降低了各部分的级联损耗，有利于提升模块整体性能。

实施例二

本实施例以发射频率为18GHz-24GHz的相控阵雷达前端发射模块为例进行详细说明。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的相控阵雷达前端发射模块电路框架图，其中，有源倍频器采用图2所示的二倍频倍频器电路结构，输出功率为12dBm，输入信号频率为9GHz-12GHz、功率为0dBm。在倍频器后连接PA功放(power amplifier，功率放大器)，功放的频率范围为18GHz-24GHz，输出功率为36dBm，请参见图5，图5是本发明实施例提供的PA功放的结构简图。移相器采用图3所示的电路结构。有源倍频器、PA功放以及移相器采用同一个GaN HEMT工艺库进行设计，以便进行片上集成，实现一款片上高集成度射频前端发射电路。

下面对各个器件的射频信号进行仿真。

首先，对单个倍频器的输出信号波形进行仿真。请参见图6，图6是本发明实施例提供的有源倍频器电路各级输出信号波形图。由图6可以看出，输入信号经过耦合器之后，得到了两个相位差为180°的同幅射频信号，即图6中的波形1和波形2。由于本实施例的功分器为等功分，所以输出信号幅度一致，两个HEMT器件偏置在B类状态下，晶体管栅极电压VGS＝-3V，晶体管漏极电压VDS＝10V，在B类偏置下输出信号没有奇次谐波，且经过HEMT器件后输出信号的波形如图5中波形3所示，基波频率正好为输入频率的两倍，输入的基波信号频率为9GHz-12GHz，则输出的基波信号频率为18GHz-24GHz，倍频器输出功率的曲线如图7所示。

进一步地，对移相器的输出端口隔离度进行仿真。

具体地，移相器Term2和Term3端口的隔离度的仿真结果如图8所示，频段内端口隔离度S23达到了-20dB，说明隔离度良好。

最后，对整个射频前端发射模块的输出功率进行仿真。

本次仿真试验对四次谐波输出功率和二次谐波输出功率进行了对比仿真，结果如图9所示，图9是本发明实施例提供的四次谐波输出功率和二次谐波输出功率。

从以上分析可以看出，利用本发明设计的片上集成相控阵芯片的毫米波前端发射模块具有集成度高且射频互联传输损耗低的优点。

实施例三

本实施例提供了一种相控阵雷达前端芯片，该芯片内部封装设置有至少一个如上述实施例一提供的射频前端发射模块。由于上述实施例一提供的单个有源倍频器不仅简化了电路结构，减小了电路面积，还具有较好的电路性能，使得本实施例提供的相控阵雷达前端芯片具有较高的集成度和较好的性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。