CN101917167B - 射频功率放大器功率合成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器功率合成电路。本发明所述电路中开关器件均可采用普通的CMOS工艺来实现，针对CMOS工艺开关击穿电压较低的缺点，通过合理的处理CMOS开关在功率合成网络中的连接方式，尽可能的降低CMOS开关上的电压摆幅，从而提高整个射频功率合成网络的可靠性；并且在整个功率合成网络中，通过灵活控制开关的导通与关断，实现不同工作模式下匹配网络的组合搭配，解决不同通道间信号泄漏的问题，从而保证射频信号的传输质量，有效提高了整个无线通信系统的性能。本发明还具有集成度高、成本低、开关控制电路简洁等优点。

Description

射频功率放大器功率合成电路
技术领域
本发明涉及射频功率放大器技术领域，具体涉及射频功率放大器的功率合成方法及其功率合成电路。
背景技术
射频功率放大器(PA)是无线通信系统的重要组成部分。PA用于发射机的末级，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率值，再传递到天线发射出去。一个通信系统往往会工作在多个频段，这就需要系统中具有多路开关组件切换进而实现多频段的独立工作。然而一般的手持设备为了减小体积提高便携性，通常都只配备一个天线组件，这就需要射频功率放大器功率合成电路在射频功率放大器和天线之间进行控制。因此射频功率放大器功率合成电路的性能如过功率能力、插入损耗、隔离度以及抗电压击穿能力等等将极大的制约着整个无线通信系统的性能。而这些性能指标也对射频功率放大器功率合成电路的组件如开关、双工器等提出了严峻的要求。为满足射频功率放大器的高要求，功率合成电路中的开关大多采用昂贵的GaAs工艺进行设计，不仅电路设计复杂，而且相对普通CMOS工艺而言，存在着高成本、低集成度和工艺不成熟等缺陷。
目前传统的射频功率放大器的功率合成电路一般如图1所示，整体电路包括开关SW1、SW2、匹配网络G、匹配网络D、RX接收端口、双工器、天线及天线端的ESD电路。作为承接射频功率放大器和天线之间的桥梁，开关SW1和SW2应具有很高的击穿电压，能够承受射频功率放大器发射的大功率信号，以防开关的损坏而导致整个通信系统的崩溃。而对于整个射频功率放大器功率合成电路来说，其隔离度的好坏也将制约着整个系统的性能。如图1所示，当PA的Band1通道发射功率时，PA的输出功率将通过开关SW1及双工器传输到天线，由于开关SW1上要承受PA全部的发射功率，因而要求开关SW1具有很高的击穿电压及过功率能力，这使得只能采用昂贵的具有高击穿电压的GaAs工艺来制作开关，并且串联于发射通路的开关的插损还会直接影响到天线端的功率；当RX端接收功率时，天线端的信号经双工器及SW5-SW8到达接收端，串联于接收通路的开关SW5-SW8的接收插损将直接影响到整个通信系统的接收灵敏度。综上所述可知，射频功率放大器功率合成电路以及其中的关键组件开关需要具有很高的过功率能力，以及为了减少对输出射频信号的衰减还需具有很低的插入损耗，同时为了减少功率通道间的信号泄漏，射频功率合成电器还需具有很高的隔离度。对于传统的射频功率放大器功率合成电路中的开关来说，大多采用昂贵的GaAs工艺中的PHEMT管来设计，以满足低插损、高隔离度、高过功率能力及高击穿电压等指标要求。但由于PHEMT管属于耗尽型FET，需要负压驱动栅极，增加了开关控制电路的设计复杂程度及设计与生产成本。而采用CMOS工艺来设计开关，它具有集成度高、工艺成熟及成本低等优点。可是它也具有击穿电压低及开关的隔离度有限等缺陷。因而从射频功率放大器功率合成电路的整体网络出发，结合CMOS工艺的优点来设计一款低成本、高性能的射频功率合成网络是至关重要的。
发明内容
本发明旨在解决传统的采用GaAs工艺开关的射频功率放大器功率合成电路的低集成度、高成本及射频开关控制电路复杂等问题，进而提供一种新颖的采用CMOS工艺开关的射频功率合成方法及其合成电路。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案为：提供一种射频功率放大器功率合成电路，该电路与天线连接，包括与射频功率放大器两频段信号输出端分别连接的第一匹配网络及第二匹配网络，与两频段信号接收端口分别连接的信号耦合电路，所述第一匹配网络及第二匹配网络通过双工器连接天线电路，其特征在于，所述第一匹配网络通过电感元件及与电感元件并联的开关元件接地，第二匹配网络通过电感元件及与电感元件并联的开关元件接地。
优选的，所述第一匹配网络与信号耦合电路之间信号传输线通过电感元件及与电感元件并联的开关元件接地；所述第二匹配网络与信号耦合电路之间信号传输线通过电感元件及与电感元件并联的开关元件接地。
更优选的，所述第一匹配网络包括串接的前端匹配网络及次级匹配网络，所述第二匹配网络也包括前端匹配网络及次级匹配网络；所述两前端匹配网络与接地的开关元件及电感元件连接，两次级匹配网络与双工器连接。
具体的，所述信号耦合电路采用耦合电容；所述耦合电容与频段信号接收端口串接有开关器件；或者，所述耦合电容与频段信号接收端口之间信号传输线通过开关器件接地。
本发明所述开关器件均可采用普通的CMOS工艺来实现，针对CMOS工艺开关击穿电压较低的缺点，本发明通过合理的处理CMOS开关在功率合成网络中的连接方式，尽可能的降低CMOS开关上的电压摆幅，从而提高整个射频功率合成网络的可靠性；并且在整个功率合成网络中，通过灵活控制开关的导通与关断，实现不同工作模式下匹配网络的组合搭配，解决不同通道间信号泄漏的问题，从而保证射频信号的传输质量，有效提高了整个无线通信系统的性能。
相比于现有技术中，采用昂贵的GaAs工艺的PHEMT开关的射频功率放大器功率合成电路，本发明还具有集成度高、成本低、开关控制电路简洁等优点。
附图说明
图1为传统的射频功率放大器功率合成电路原理图；
图2为本发明所述射频功率放大器功率合成电路第一实施电路图；
图3为本发明所述射频功率放大器功率合成电路第二实施电路图；
图4为本发明所述射频功率放大器功率合成电路第三实施电路图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
图2为本发明所述电路采用CMOS开关的射频功率合成第一实施方案图。图中所有的开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8以并联的形式连接到地，通过控制开关的导通与关断进行信号切换，配合匹配网络1_1、1_2、2_1、2_2一起工作，可以极大的降低开关上的电压摆幅，从而克服CMOS工艺击穿电压不高的缺陷。
该电路图的工作原理如下：当Band1通道发射功率时，开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW6、SW7、SW8闭合接地，开关SW5断开。此时节点A、节点B以及节点H处通过开关直接与地相连，屏蔽了与其自身并联的电感。射频信号通过匹配网络1_1和匹配网络1_2传递到双工器并到达节点C，而从匹配网络1_2泄漏过去的微弱射频信号会由导通到地的开关SW2、SW3、SW4吸收而避免影响接收通道，从而能有效的提高发射接收通道间的隔离度。而在节点C通过双工器泄露到节点H的少量射频信号也会由导通到地的开关SW6泄漏到地，而不影响接收通道RX2_1、RX2_2。
特别的，在功率放大器PA内部从Band1通道泄露到Band2发射通道的少量射频信号，由于SW5断开，匹配网络2_1和电感L3组成的谐振网络将抑制泄露的射频信号对该路接收通道的影响，从而有效的提高不同通道间的隔离度。
当Band2通道发射功率时，开关SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8闭合接地，开关SW1断开。此时节点B、节点G以及节点H处通过开关直接与地相连，屏蔽了与其自身并联的电感。匹配网络2_1和匹配网络2_2联合作用将射频信号传递到双工器到达节点C，而从匹配网络2_2泄漏过去的微弱射频信号会由导通到地的开关SW6、SW7、SW8吸收而不会影响接收通道，从而能有效的提高发射接收通道间的隔离度。而在节点C通过双工器泄露到节点B的少量射频信号也会由导通到地的开关SW2泄漏到地，而不会影响RX通道。
同样，在功率放大器PA内部从Band2泄露到Band1发射通道的少量射频信号，由于SW1断开，匹配网络1_1和电感L1组成的谐振网络将抑制泄露的射频信号对RX通道的影响，从而有效的提高不同通道间的隔离度。
当天线接收Band1信号时，且需将天线接收到的信号传递到接收端RX1_1端口时，开关SW1、SW2、SW3断开，开关SW4闭合导通，匹配网络1_2、电感L2和电容C1_1一起组合成匹配网络，实现接收匹配，使天线接收到的Band1信号通过双工器很好的传输到RX1_1端口。而匹配网络1_1和电感L1组成谐振网络，消除功率放大器PA的Band1通道端对接收端RX1_1的影响。同样，当选择将天线接收到的信号传递到接收端RX1_2端口时，开关SW1、SW2、SW3断开，开关SW4断开，SW3闭合导通，天线接收到的信号通过双工器，再通过匹配网络1_2能够很好的传输到RX1_2端。
当接收Band2信号，且需将天线接收到的信号传递到接收端RX2_1端口时。开关SW5、SW6、SW7断开，开关SW8闭合导通，匹配网络2_2、电感L4和电容2_1连在一起组合成匹配网络，实现接收匹配，使天线接收到的Band2信号通过双工器更好的传输到RX2_1端。而匹配网络2_1和电感L3组成谐振网络，消除PA的Band2通道端对接收端RX2_1的影响。同样，当选择将天线接收到的信号传递到接收端RX2_2端口时，开关SW5、SW6、SW7断开，开关SW8断开，SW7闭合导通，天线接收到的信号通过双工器，再通过匹配网络能够很好的传输到RX2_2端。
在具体电路实现时，方案中的CMOS开关和匹配网络1_1、匹配网络1_2、匹配网络2_1、匹配网络2_2可根据实际情况进行相应改变。
图3为本发明所述电路第二种优选实施方案图。本实施例与第一实施例的差别在于接收端的开关采用串联形式，在该通路实现信号接收时，对应该通路的开关导通，其余时间该开关关断；因为射频功率合成网络实现信号接收时，接收端的信号是非常微弱的，它不存在CMOS开关被击穿的问题，并且可以通过合理的设计来降低开关的插损，从而提高整个接收系统的灵敏度。本实施例工作原理的其他描述与第一实施电路图描述相同，并且，在接收端口前还可进一步增加并联到地开关，从而进一步提高发射接收通道间的隔离度。
图4为本发明所述电路的第三种优选实施方案图，它是第一实施例的一个扩展。本实施例与第一实施例的差别有在于频带发射端端口与接收端口增加，从而满足多频带发射与接收的应用要求具体的工作原理描述与第一实施例一致。
本发明中所述的各个匹配网络、谐振网络的具体实现方式及放大器的选择等，本领域技术人员可以根据情况具体确定，在此不再一一列举。
以上仅为本发明较优选的实施例，需说明的是，在未脱离本发明构思前提下对其所做的任何微小变化及等同替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.射频功率放大器功率合成电路，所述电路与天线连接，包括与射频功率放大器两频段信号输出端分别连接的第一匹配网络及第二匹配网络，与两频段信号接收端口分别连接的第一信号耦合电路、第二信号耦合电路，所述第一匹配网络及第二匹配网络通过双工器连接天线电路，其特征在于：所述第一匹配网络包括串接的第一前端匹配网络(1-1)及第一次级匹配网络(1-2)，所述第二匹配网络包括第二前端匹配网络(2-1)及第二次级匹配网络(2-2)；所述第一前端匹配网络与接地的开关元件SW1及电感元件L1连接，第一次级匹配网络与双工器连接，所述第二前端匹配网络与接地的开关元件SW5及电感元件L3连接，第二次级匹配网络与双工器连接；
所述第一匹配网络的第一次级匹配网络与第一信号耦合电路之间信号传输线通过电感元件L2及与电感元件L2并联的开关元件SW2接地；所述第二匹配网络的第二次级匹配网络与第二信号耦合电路之间信号传输线通过电感元件L4及与电感元件L4并联的开关元件SW6接地。
2.一种功率合成电路，所述电路与天线连接，包括与L个射频功率放大器频段信号输出端分别连接的L个匹配网络，与N个频段信号接收端口分别连接的N个信号耦合电路，所述L个匹配网络均通过多工器连接天线电路，其特征在于，所述L个匹配网络分别包括串接的前端匹配网络及次级匹配网络；所述前端匹配网络均与接地的开关元件及电感元件连接，L个匹配网络的次级匹配网络均与双工器连接；
所述L个匹配网络的次级匹配网络与信号耦合电路之间信号传输线分别通过电感元件及与电感元件并联的开关元件接地。
3.根据权利要求2所述的功率合成电路，其特征在于，所述信号耦合电路为耦合电容。
4.根据权利要求3所述的功率合成电路，其特征在于，所述耦合电容与频段信号接收端口之间信号传输线通过开关器件接地。
5.根据权利要求3所述的功率合成电路，其特征在于，所述耦合电容与频段信号接收端口串接有开关器件。
6.根据权利要求5所述的功率合成电路，其特征在于，所述耦合电容与频段信号接收端口之间信号传输线通过开关器件接地。
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