CN104158502B - 宽带功率放大模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种宽带功率放大模块。本发明中，宽带功率放大模块包含：第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路；第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路依次连接；其中，第一放大电路为宽带放大电路，第二放大电路为高Q值窄带驱动放大电路，第三放大电路为宽带放大电路，其中，第二放大电路包含调谐电路。通过采用窄带且可调的放大器通过调频覆盖较宽的频带，使得本发明实施方式中的宽带功率放大模块在牺牲较少电路性能(增益、输出功率和效率)的前提下，覆盖较宽的频率范围，从而实现利用较少的功率放大器覆盖足够多的频点。

Description

宽带功率放大模块

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及宽带功率放大模块。

背景技术

功率放大器作为无线通信设备的重要组成部分，是保证无线通信设备通信距离以及通信效果的重要因素之一。以往通信设备的带宽较窄，功率放大器比较容易实现，但随着科技的发展，随着电信市场的开放和通信与信息产业技术的不断发展，无线通信技术作为快速交换信息的手段，显得尤为重要。而且，人们已不再局限于窄带单一频段的无线通信设备，越来越多的宽频带无线通信设备已经被广泛运用在各个领域，可以完成多个频段、多个无线网络之间，以及无线与有线网络之间的组网、数据接入、交换和路由功能，如果继续包含窄带功率放大器，就需要增加功率放大器的数量，来实现覆盖足够多的频点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带功率放大模块，使得宽带功率放大模块利用较少的功率放大器覆盖足够多的频点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带功率放大模块，包含至少两级放大电路，其中，最后一级为宽带功率放大电路，倒数第二级包含高Q值窄带驱动放大电路和第一调谐电路；所述第一调谐电路工作在不同状态下，让所述高Q值窄带驱动放大电路工作在不同的谐振频率上，进行宽带驱动放大。

本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：利用在倒数第二级放大电路中增加的调谐电路，使得谐振频率可以被调整，让高Q值窄带驱动放大电路工作在不同的谐振频率上，实现整个功率放大模块的宽带驱动放大。可以利用较小的电流驱动第三放大电路较大的输入电容，第三放大电路可以在较宽的频率范围内都可以实现高的漏极效率。利用调谐电路使得本发明实施方式中的宽带功率放大模块在牺牲较少电路性能(增益、输出功率和效率)的前提下，通过控制的方法，覆盖很宽的频率范围。

作为进一步改进，除最后两级之外的放大电路为宽带放大电路，所述宽带放大电路的带宽大于所述最后一级放大电路的带宽。该宽带放大电路可以产生合适的电压增益，确保整个宽带功率放大模块的带宽为最后一级放大电路输出的带宽。

作为进一步改进，除最后两级之外的放大电路分别包含一窄带放大电路和一第二调谐电路；其中，所述窄带放大电路的带宽小于或者等于最后一级放大电路的带宽，并且大于倒数第二级放大电路的带宽。

除最后两级之外的放大电路设计成窄带的放大电路，方便在工作频段内综合优化电路在效率、线性度、增益等方面的性能，降低设计难度，其他级的带宽大于倒数第二级放大电路的带宽，是为了在同时调谐时，保证其他级的放大电路能同时覆盖倒数第二级放大电路的带宽，降低同时调谐的难度。给除最后两级之外的放大电路增加第二调谐电路后，可以通过调谐的方式让他的最佳工作频段始终落在工作频段上，这样有利于保证他的工作性能。

作为进一步改进，第一级放大电路包含阻抗匹配电路；

所述阻抗匹配电路为由电感和固定电容组成的LC谐振网络；并且，阻抗匹配电路的带宽大于所述最后一级放大电路的带宽；

或者，所述阻抗匹配电路为由电感、固定电容和第三调谐电路组成的LC谐振网络；并且，阻抗匹配电路的带宽小于或者等于最后一级放大电路的带宽，并且大于倒数第二级放大电路的带宽。

通过调整阻抗匹配电路中电感和电容的值，使其谐振在工作频率附近，实现50欧姆的输入阻抗，同时使得整个宽带功率放大模块的功耗较小。

作为进一步改进，所述第一调谐电路、所述第二调谐电路和所述第三调谐电路分别采用电容阵列及开关网络实现。

当放大电路工作在其谐振频率时，可以利用较小的功耗实现较大的增益，同时提高工作效率，而且具有比较平坦的幅频特性。因此，可以通过调整放大器的谐振频率让他在不同的频率上实现谐振放大，实现最优的工作性能。从而让放大器在很宽的频带内实现高效放大。同时，利用包含电容阵列及开关网络的电路控制电压增益，补偿整个电路随工作频率的变化引入的增益偏差。采用电容阵列及开关网络实现的调谐电路，调节范围大，线性度好，寄生小，Q值高，便于数字化控制。实现简单成本低，使得本发明不仅具有可实现性，还可以降低成本。

作为进一步改进，第一调谐电路、第二调谐电路和第三调谐电路分别采用变容管实现。变容管可以精确调整谐振频率，提高放大电路的频率特性控制精度。

作为进一步改进，最后一级放大电路连接π型阻抗变换网络；所述π型阻抗变换网络的一端与所述最后一级放大电路的输出端相连，另一端作为所述宽带功率放大模块的输出端。

由于π型网络电路是现有成熟的技术，使得本发明实施方式中的宽带功率放大模块具有可实现性。

作为进一步改进，包含三级放大电路，并且采用变压器实现差分结构的三级放大电路；其中，所述第一调谐电路连接在第二放大电路的差分输出端之间。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的宽带功率放大模块结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的宽带功率放大模块电路结构示意图；

图3是根据本发明第一实施方式中的倒数第二级放大电路结构示意图；

图4是根据本发明第一实施方式中的最后一级放大电路结构示意图；

图5a是根据本发明第一实施方式的宽带功率放大模块中第一级放大电路输出幅频特性示意图；

图5b是根据本发明第一实施方式的宽带功率放大模块中倒数第二级放大电路输出幅频特性示意图；

图5c是根据本发明第一实施方式的宽带功率放大模块中最后一级放大电路输出幅频特性示意图；

图6是根据本发明第二实施方式的宽带功率放大模块电路结构示意图；

图7是根据本发明第三实施方式的宽带功率放大模块电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的发明人发现，现在的3G、4G等通信协议包含很多很窄的频段，可以称为频点。其中有些频点距离很近，甚至出现重合。因此，可以利用少数的宽带的功率放大器即可覆盖较多的频点。与采用单频点的窄带功率放大器相比，采用宽带功率放大器在成本和集成度上都有明显优势。

本发明的第一实施方式涉及一种宽带功率放大模块，如图1所示，为包含多级放大电路的宽带功率放大模块包含至少两级放大电路，其中，最后一级为宽带功率放大电路，倒数第二级包含高Q值窄带驱动放大电路和第一调谐电路；第一级放大电路100中包含一阻抗匹配电路；第一调谐电路工作在不同状态下，让高Q值窄带驱动放大电路工作在不同的谐振频率上，可实现宽带驱动放大。

具体的说，如图2所示，本实施方式中各级放大电路的基本结构均包含一个电感和一个晶体管组成的放大电路，更具体的说，本实施方式中倒数第二级放大电路200中高Q值窄带驱动放大电路是由晶体管20和电感21组成的；最后一级为宽带功率放大电路300是由晶体管30和电感31组成的；第一级放大电路100由晶体管10和电感11组成。此外，倒数第二级放大电路200中的第一调谐电路采用电容阵列及开关网络实现(如图3所示，本实施方式中以10组为例，分别为201、202至210的组合)；除最后两级之外的放大电路(包括本实施方式中第一级放大电路100)均可以为宽带放大电路，且宽带放大电路的带宽大于最后一级放大电路的带宽。阻抗匹配电路12为由电感和固定电容组成的LC谐振网络，并且，该阻抗匹配电路12的带宽大于最后一级放大电路的带宽。通过调整阻抗匹配电路中电感和电容的值，使其谐振在工作频率附近，实现50欧姆的输入阻抗，同时使得整个宽带功率放大模块的功耗较小。当放大电路工作在其谐振频率时，可以利用较小的功耗实现较大的增益，同时提高工作效率，而且具有比较平坦的幅频特性。因此，可以通过调整放大器的谐振频率让他在不同的频率上实现谐振放大，实现最优的工作性能。从而让放大器在很宽的频带内实现高效放大。同时，利用包含电容阵列及开关网络的电路控制电压增益，补偿整个电路随工作频率的变化引入的增益偏差，实现简单成本低，使得本发明不仅具有可实现性，还可以降低成本。除最后两级之外的放大电路需要保证足够的带宽为了使本实施方式中的宽带功率放大模块的带宽为最后一级放大电路输出的带宽。

值得一提的是，在实际应用中，第一调谐电路还可以利用变容管实现，变容管可以精确连续调整谐振频率，提高放大电路的频率特性控制精度，同时使得本发明具有灵活多变的应用场景。

其中，本实施方式中的调谐电路可以利用新型硅基集成电路SOI实现。SOI工艺的优点是：寄生比较小，使得对应的调谐电路性能更好，尤其是在信号功率大时性能更好。此外，还可以利用由电容阵列和开关网络组成的数字控制调谐电容实现，数字控制调谐电容可以使得在控制范围、灵活性、线性度等方面都比变容管要好。

还需说明的是，本实施方式中的最后一级放大电路还可以连接一π型阻抗变换网络301；如图4所示，该π型阻抗变换网络301的一端与最后一级放大电路的输出端相连，另一端作为本实施方式中宽带功率放大模块的输出端。由于π型网络电路是现有成熟的技术，使得本发明实施方式中的宽带功率放大模块具有可实现性。

在实际应用中，信号从第一放大电路300输入，进行功率匹配和预放大，产生电压增益，如图5a所示是除最后两级之外的其他级放大电路的电压增益随频率变化的曲线(也就是“幅频特性曲线”)示意图，再经倒数第二级放大电路100放大，调整谐振频率，形成如图5b所示的幅频特性曲线，最后经最后一级放大电路200放大输出，形成如图5c所示的幅频特性曲线，获得宽频带覆盖范围。其中，图中虚线表示调整调谐电路之后所能实现的幅频特性。

此外，除最后两级之外的放大电路除利用本实施方式中的宽带放大电路实现外，还可以分别包含一窄带放大电路和一第二调谐电路以实现；具体的说，该窄带放大电路的带宽小于或者等于最后一级放大电路的带宽，并且大于倒数第二级放大电路的带宽。除最后两级之外的放大电路设计成窄带的放大电路，方便在工作频段内综合优化电路在效率、线性度、增益等方面的性能，降低设计难度，他的带宽大于倒数第二级放大电路的带宽，是为了在同时调谐时，保证其他级的放大电路能同时覆盖倒数第二级放大电路的带宽，降低同时调谐的难度。给除最后两级之外的放大电路增加第二调谐电路后，可以通过调谐的方式让他的最佳工作频段始终落在关心的频段上，这样有利于保证他的工作性能。更具体的说第二调谐电路可以分别采用电容阵列及开关网络或变容管实现。可以使得倒数第二级放大电路具有足够大的驱动电流，本实施方式中宽带功率放大模块的中心频率有可能出现偏差，还可以调整一下频率。进一步使得本发明具有灵活多变的应用场景。

还需说明的是，本实施方式中的第一调谐电路和第二调谐电路均可以采用电容阵列及开关网络组成的数字调谐电路，使得本实施方式中的宽带功率放大模块调节范围大，线性度好，寄生小，Q值高，便于数字化控制等优点；或者采用变容管的模拟调谐电路，使得本实施方式中的宽带功率放大模块可实现连续调节，方便用于精调等优点；也可以同时采用两种调谐电路。

值得一提的是，本实施方式中的窄带指的是，覆盖单个频点的频带宽度，本实施方式中的高Q值窄带驱动放大电路是电流敏感的放大电路；本实施方式中的宽带指的是覆盖至少2个频点的频带宽度，本实施方式中的宽带功率放大电路可以兼顾电压增益和电流增益。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：利用在倒数第二级放大电路中增加的调谐电路，使得谐振频率可以被调整，让高Q值窄带驱动放大电路工作在不同的谐振频率上，实现整个功率放大模块的宽带驱动放大。可以利用较小的直流电流驱动第三放大电路较大的输入电容，第三放大电路可以在较宽的频率范围内都可以实现高的漏极效率(也就是，功率转换效率)。利用调谐电路使得本发明实施方式中的宽带功率放大模块在牺牲较少电路性能(增益、输出功率和效率)的前提下，通过控制的方法，覆盖很宽的频率范围。

另外，由于两级放大电路分别可以利用简单的元器件实现，使得本实施方式中的宽带功率放大模块不仅易于实现，而且成本低。

本发明的第二实施方式同样涉及一种宽带功率放大模块，如图6所示，为两级放大结构的宽带功率放大模块。

具体的说，由于本实施方式中的第一级放大电路400即是本实施方式中宽带功率放大模块的第一级放大电路，又是本实施方式中宽带功率放大模块的倒数第二级放大电路，所以本实施方式中的第一级放大电路包含阻抗匹配电路40，该阻抗匹配电路40与第一实施方式中的阻抗匹配电路12相类似，在此不再赘述。

此外，本实施方式中第一级放大电路400的其他结构和第一实施方式中的倒数第二级放大电路200相类似，在此不再赘述，第二级放大电路500和第一实施方式中的最后一级放大电路300相类似，在此不再赘述。

由于仅利用两级放大电路即可实现宽带功率放大，当对输出功率和增益要求不是很高时，可以直接连接输出至负载电路，结构简单，降低成本。当对输出功率和增益要求较高时，在第三级输出和负载电路之间插入一个阻抗变换网略即可实现所需的输出功率。

本发明的第三实施方式同样涉及一种宽带功率放大模块，如图7所示，为三级放大结构的宽带功率放大模块，具体的说，为三级差分结构的宽带功率放大模块，更具体的说，可以采用变压器实现差分结构的三级放大电路；其中，第一调谐电路连接在第二放大电路的差分输出端之间。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：利用第一放大电路600产生电压增益，第二放大电路700可以消耗较小的直流电流驱动第三放大电路800较大的输入电容，第三放大电路800可以在较宽的频率范围内都可以实现高的漏极效率。通过提高第二放大电路700的Q值，也就是提高二级谐振网络的Q值，可以消耗较小的直流电流为第三放大电路800提供足够的驱动能力，减小功率损耗。

需要说明的是，本实施方式中的第二调谐电路907采用电容阵列及开关网络和/或变容管实现。

本发明的第四实施方式同样涉及一种宽带功率放大模块，本实施方式与第一实施方式相类似，主要区别在于：第一实施方式中的阻抗匹配电路为由电感和固定电容组成的LC谐振网络；而本实施方式中的阻抗匹配电路为由电感、固定电容和第三调谐电路组成的LC谐振网络；具体的说，该阻抗匹配电路的带宽小于或者等于最后一级放大电路的带宽，并且大于倒数第二级放大电路的带宽。

此外，本领域技术人员可以理解，第一级里的输入LC网络，也可以是其他的电路，比如，输入与第一级放大电路的晶体管之间串联电感，该晶体管的源极与地之间串联电感；或者多个电感与电容的串并联，现有的阻抗匹配电路均可用于本实施方式，在此不再一一赘述。

值得一提的是，本实施方式中的第三调谐电路可以采用电容阵列及开关网络组成的数字调谐电路，使得本实施方式中的宽带功率放大模块调节范围大，线性度好，寄生小，Q值高，便于数字化控制等优点；或者采用变容管的模拟调谐电路，使得本实施方式中的宽带功率放大模块可实现连续调节，方便用于精调等优点；也可以同时采用两种调谐电路。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种宽带功率放大模块，其特征在于，包含至少两级放大电路，其中，最后一级为宽带功率放大电路，倒数第二级包含高Q值窄带驱动放大电路和第一调谐电路；所述第一调谐电路工作在不同状态下，让所述高Q值窄带驱动放大电路工作在不同的谐振频率上，进行宽带驱动放大。

2.根据权利要求1所述的宽带功率放大模块，其特征在于，除最后两级之外的放大电路为宽带放大电路，所述宽带放大电路的带宽大于所述最后一级放大电路的带宽。

3.根据权利要求1所述的宽带功率放大模块，其特征在于，除最后两级之外的放大电路分别包含一窄带放大电路和一第二调谐电路；

其中，所述窄带放大电路的带宽小于或者等于最后一级放大电路的带宽，并且大于倒数第二级放大电路的带宽。

4.根据权利要求1所述的宽带功率放大模块，其特征在于，所述宽带功率放大模块中的第一级放大电路包含阻抗匹配电路；

所述阻抗匹配电路为由电感和固定电容组成的LC谐振网络；并且，所述阻抗匹配电路的带宽大于所述最后一级放大电路的带宽；

或者，所述阻抗匹配电路为由电感、固定电容和第三调谐电路组成的LC谐振网络；并且，所述阻抗匹配电路的带宽小于或者等于最后一级放大电路的带宽，并且大于倒数第二级放大电路的带宽。

5.根据权利要求4所述的宽带功率放大模块，其特征在于，所述第一调谐电路和所述第三调谐电路分别采用电容阵列及开关网络实现。

6.根据权利要求4所述的宽带功率放大模块，其特征在于，第一调谐电路和第三调谐电路分别采用变容管实现。

7.根据权利要求1所述的宽带功率放大模块，其特征在于，最后一级放大电路连接π型阻抗变换网络；所述π型阻抗变换网络的一端与所述最后一级放大电路的输出端相连，另一端作为所述宽带功率放大模块的输出端。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的宽带功率放大模块，其特征在于，包含三级放大电路，并且采用变压器实现差分结构的三级放大电路；

其中，所述第一调谐电路连接在第二级放大电路的差分输出端之间。

9.根据权利要求8所述的宽带功率放大模块，其特征在于，第一级放大电路的第二调谐电路连接在第一级放大电路的差分输出端之间。