一種用於汽車雷達系統的77GHz功率放大器的製作方法

2023-07-24 12:56:31 1

本實用新型涉及一種雷達功率放大器，尤其涉及一種用於汽車雷達系統的77GHz功率放大器，屬於無線電子通信技術領域。

背景技術：

隨著汽車工業的發展，汽車安全性能受到廠商和消費者越來越多的重視。汽車交通事故頻發，造成了重大的生命、財產損失，汽車的行駛安全問題也得到了社會的廣泛關注，我國是多自然災害的國家，經常某個地區出現長久的多霧天氣，尤其是在高速公路上行駛的車輛，遇到霧天或者雨天，由此產生的汽車追尾造成的交通事故極易發生。 人們對汽車防碰撞、自適應巡航、盲區監測和輔助駕駛等功能不斷提出新的要求，汽車毫米波雷達系統應運而生。 毫米波是指頻率在30GHz到300GHz之間的電磁波，由於它具有波長短、頻帶寬、方向性好和穿透能力強等優點，已在許多方面均有應用。毫米波雷達防撞探測方式克服了雷射和超聲波雷達探測方式中惡劣環境適應性差的缺點。毫米波雷達普遍使用的是連續頻率調製(CWFM)，從目標反射回來信號的調製頻率相對於發射信號的調製頻率有個時間上的延遲，利用這個延遲來判斷與目標之間的距離。

當碰撞不可避免時，通過對剎車、頭靠、安全帶等進行控制，減輕因碰撞而帶來的危害，極大程度的減少人身及財產安全的事故發生。

在傳統的防撞探測系統中，通常採用雷射和超聲波雷達探測並獲取車輛周圍環境信息，由於防撞探測系統的工作環境十分複雜，周圍地物的幹擾、惡劣的氣象條件以及工業現場大量的粉塵幹擾，都會嚴重製約雷射和超聲波方式的目標檢測能力。

究其原因，主要是因為：汽車毫米波雷達系統主要包括接收系統和發射系統，功率放大器作為發射機的關鍵部分，一直是77GHz汽車毫米波雷達系統中的設計難點。

現有77GHz功率放大器設計常採用 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor的英文縮寫）、SiGe BiCMOS（SiGe BiCMOS工藝集成技術,是在製造電路結構中的雙極電晶體時,在矽基區材料中加入一定含量的鍺,形成應變矽異質結構電晶體,以改善雙極電晶體特性的一種矽基工藝集成技術）、GaAs工藝。CMOS工藝成本最低，但其面臨著諸多挑戰。其主要挑戰是CMOS 工藝無源元件的低Q值造成能量在無源元件中較多的損耗，以及先進的工藝節點的CMOS電晶體的低擊穿電壓造成放大器的輸出擺幅較小，而且CMOS電晶體因為熱載流子效應很難製造出高線性度的應用於77GHz汽車毫米波雷達系統的功率放大器。GaAs工藝性能最好，但是製造成本昂貴。SiGe BiCMOS工藝與CMOS工藝完全兼容，而且具有較高擊穿電壓和截止頻率而越來越受到重視。

在77GHz功率放大器的研究方面，國內外已經進行了廣泛的研究，傳統的77GHz功率放大器普遍存在的問題是輸入輸出匹配網絡損耗較大，增益低，輸出功率低和功耗大。現有77GHz汽車毫米波雷達系統方案中的射頻收發機大多採用多款晶片組合來實現，存在體積大，功耗大，一致性差，成本較高等缺點。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於：為了解決77GHz汽車毫米波雷達系統的功率放大器由於採用多款晶片的組合而存在線性度低、體積大、高功耗、高成本、集成度低的技術問題，本實用新型提供一種全集成的用於汽車雷達系統的77GHz功率放大器，提高系統穩定性，消除外界環境對天線及汽車防碰撞雷達的影響。

本實用新型的技術方案是這樣實現的：一種用於汽車雷達系統的77GHz功率放大器，其電路主要由增益放大器和匹配網絡組成；其特徵在於：增益放大器為四級；匹配網絡包括與增益放大器輸入端相連的輸入匹配網絡、四級增益放大器之間的級間匹配網絡和與增益放大器輸出端相連的輸出匹配網絡；四級增益放大器均為AB類差分功率放大器，功率放大器的輸出與差分天線直連，不需要片上巴倫進行轉接，從而節省晶片面積；匹配網絡為傳輸線和MIM電容相配合的匹配方式。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的匹配網絡中採用50Ω特徵阻抗的慢波傳輸線。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的AB類差分功率放大器包括兩路相同的單端放大電路。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器功率放大器中兩路相同的單端放大電路中，所述的四級增益放大器中包括電阻TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10、TL11和TL12，電容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10，電晶體Q1、Q2、Q3和Q4；其電路連接方式為：電容C1、C3、C5、C7和C9的一端接地，另一端接VDDa，電阻TL1的一端接信號輸入端，另一端接VDDa；電阻TL2的一端與TL1並聯接輸入端，另一端接電容C2；電阻TL3的一端接電晶體Q1，另一端接VDDa；電阻TL4一端與電阻TL3並聯，另一端接電容C4；電阻TL5一端接電晶體Q2，另一端接VDDa；電阻TL6的一端與TL5並聯，另一端通過電容C6與電阻TL7串聯；電阻TL8的一端與電晶體Q3相連，另一端接VDDa；電阻TL9的一端並聯TL8，另一端通過電容C8與電阻TL10串聯；電阻TL11的一端與電晶體Q4相連，另一端接VDDa；電阻TL12的一端與電阻TL11並聯，另一端通過電容C10信號輸出。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的電阻TL1、TL2和電容C2實現輸入匹配到50Ω。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的電阻TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10以及電容C4、C6和C8實現級間匹配，使放大電路每一級獲得最大增益並傳輸到後級。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的電容C1、C3、C5、C7和C9為電源濾波電容。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的電晶體Q1、Q2和Q3為放大電晶體，對信號進行放大處理。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的電晶體Q4、電阻TL11、TL12和電容C10實現輸出匹配到50歐姆。

作為一種優選方式，本實用新型所述功率放大器中所述的電晶體Q1、Q2、Q3和Q4均採用1個發射極，且使用最小發射極寬度，電晶體偏置到各自的最大頻率fmax。

本實用新型的有益效果：本實用新型所述的功率放大器電路採用AB類差分功率放大器結構，差分功率放大器的輸出與差分天線直接相連，不需要片上巴倫進行轉接，從而節省晶片面積，回波損耗低於-15dB，電路總增益為15dB，輸出1dB壓縮點功率為15dBm，PAE達到15%；是一種全集成、高線性度、低成本、體積小且一致性好的功率放大器。

附圖說明

圖1是本實用新型77GHz功率放大器的電路結構示意圖。

圖2是本實用新型77GHz功率放大器的單端電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

實施例：

如圖1、2所示，一種用於汽車雷達系統的77GHz功率放大器，採用SiGe BiCMOS工藝設計，在77GHz頻率下，襯底對信號的衰減較大，功率放大器的增益和輸出功率都受到嚴重限制，因此，在本實用新型中的功率放大器採用四級級聯共射放大結構，以提高功率放大器電路電壓增益和輸出功率。

電路由四級增益放大器以及輸入匹配網絡，級間匹配網絡和輸出匹配網絡組成。功率放大器電路採用AB類差分功率放大器結構，AB類差分功率放大器的輸出與差分天線直接相連，不需要片上巴倫進行轉接，從而節省晶片面積。AB類差分功率放大器由兩路相同的單端放大電路實現，單端放大電路原理圖見圖２，圖2中的偏置電路沒有給出。功率放大器的匹配網絡採用了傳輸線（50Ω特徵阻抗）和MIM電容相配合的匹配方式。因SiGe BiCMOS工藝中襯底對微波信號衰減較大，匹配網絡的損耗在毫米波電路中需要重點考慮，匹配網絡不僅影響毫米波電路增益，而且影響功率放大器輸出功率和效率。為了減小匹配網絡的損耗，匹配網絡中採用了慢波傳輸線。

本實用新型所述功率放大器中所述的四級增益放大器中包括電阻TL1、TL2、TL3、TL4、TL5、TL6、TL7、TL8、TL9、TL10、TL11和TL12，電容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9和C10，電晶體Q1、Q2、Q3和Q4；其電路連接方式為：電容C1、C3、C5、C7和C9的一端接地，另一端接VDDa，電阻TL1的一端接信號輸入端，另一端接VDDa；電阻TL2的一端與TL1並聯接輸入端，另一端接電容C2；電阻TL3的一端接電晶體Q1，另一端接VDDa；電阻TL4一端與電阻TL3並聯，另一端接電容C4；電阻TL5一端接電晶體Q2，另一端接VDDa；電阻TL6的一端與TL5並聯，另一端通過電容C6與電阻TL7串聯；電阻TL8的一端與電晶體Q3相連，另一端接VDDa；電阻TL9的一端並聯TL8，另一端通過電容C8與電阻TL10串聯；電阻TL11的一端與電晶體Q4相連，另一端接VDDa；電阻TL12的一端與電阻TL11並聯，另一端通過電容C10信號輸出。

其中：電阻TL1、TL2和電容C2的作用是實現輸入匹配到50Ω；電阻TL3-TL10以及電容C4、C6和C8實現級間匹配，使放大電路每一級獲得最大增益並傳輸到後級；電容C1、C3、C5、C7和C9為電源濾波電容；電晶體Q1-Q3為放大電晶體，對信號進行放大處理，使用成指數遞增的電晶體尺寸，這樣能夠確保後級放大電路比前幾放大電路增加3dB增益，有效克服襯底對信號的損耗；電晶體Q4、電阻TL11、電阻TL12和電容C10實現輸出匹配到50歐姆，為了實現輸出功率最大，輸出匹配網絡結合了負載牽引技術。所有電晶體電晶體Q1-Q4均採用1個發射極，且使用最小發射極寬度，電晶體儘可能偏置到它們各自的最大頻率fmax。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。