CN106416061A - 宽带功率放大器系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于减少射频输出信号中的谐波的系统、设备和方法。功率放大器系统包括功率放大器以及可调谐输出匹配网络，可调谐输出匹配网络电连接在功率放大器的输出端与可调谐输出匹配网络的输出端之间。当功率放大器在低频率模式下操作时，可调谐输出匹配网络减少放大的射频信号中的二次谐波。可调谐输出匹配网络包括诸如与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、与第二开关串联的第二电容器和与第三开关串联的第三电容器的陷波器，其中当功率放大器在操作频率带的低频带中操作时将陷波器调谐到所选择的谐波频率。

Description

宽带功率放大器系统和方法
通过引用并入的任何优先权申请
根据37CFR 1.57，在与本申请一起提交的申请数据表中确认外国或本国优先权要求的任何以及所有申请据此通过引用并入本文。
背景技术
本发明的实施例涉及电子系统，并且特别涉及射频(RF)电子器件。
RF功率放大器可以用来增大具有相对低的功率的RF信号的功率。之后，增大的RF信号可以用于各种目的，包括驱动发送器的天线。
功率放大器可以被包括在移动电话中以放大用于发送的RF信号。例如，在具有时分多址(TDMA)架构的移动电话中，诸如存在于全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)和宽带码分多址(W-CDMA)系统中的那些，功率放大器可以用来放大RF信号。管理对RF信号的放大可能是重要的，因为期望的发送功率电平可能取决于用户距离基站和/或移动环境有多远。功率放大器还可以用来帮助调节RF信号随时间的功率电平，以便防止在所分配的接收时隙期间发送信号干扰。
IEEE 802.11af是802.11系列中的无线网络标准，其允许在TV白空间频谱中运行无线局域网(WLAN)。对于IEEE标准802.11af，在大约470MHz至大约928MHz之间(全频带)的频带频率中使用用来增大所发送的WiFi信号的功率放大器。在不完全线性放大器中，470MHz处的信号的谐波在940MHz处显现，其危险地接近928MHz处的全频带的端部。换句话说，全频带的较低频率的谐波将被放大并传递到射频(RF)信号链中的下一个元件，除非它们在不影响放大器在全频带的较高频率处的操作的情况下被抑制。此外，在大约470MHz之下的RF信号可能无意中存在于所输入的RF信号中，因此当在频带的较低端操作放大器时需要抑制这些信号的谐波。
为了功率放大器的有效的宽带操作，应当针对操作频带内的所有频率来优化放大器的输出匹配网络(OMN)。然而，对来自宽频带的较低部分的谐波频率的抑制是一个挑战，因为OMN也在那些谐波频率处被优化以匹配放大器，而不是抑制它们(即，较低频率带的频率的两倍在较高频率带的范围内)。
存在对改进的宽带功率放大器的需要。此外，存在对改进的功率放大器匹配网络的需要。
发明内容
公开减少射频输出信号中的谐波的系统、设备和方法。一种功率放大器系统包括功率放大器以及可调谐输出匹配网络，其中可调谐输出匹配网络电连接在功率放大器的输出与可调谐输出匹配网络的输出之间。当功率放大器在低频率模式下操作时，可调谐输出匹配网络减少放大的射频信号中的二次谐波。可调谐输出匹配网络包括诸如与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、与第二开关串联的第二电容器以及与第三开关串联的第三电容器的陷波器，其中当功率放大器在操作频率带的低频带中操作时将陷波器调谐到所选择的谐波频率。
根据若干实现方式，本公开涉及一种功率放大器，包括：放大器电路，被配置为在操作频带上接收射频(RF)信号并提供放大的RF信号；以及可调谐输出匹配网络，电连接到所述放大器电路以接收所放大的RF信号，并且被配置为当所述放大器电路在低频带中操作时针对所放大的RF信号提供二次谐波抑制。在实施例中，一种无线移动设备包括所述功率放大器。
根据一些实施例，操作频带包括在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带、以及在大约610MHz至大约930MHz之间的高频带。功率放大器可以包括宽带功率放大器。可调谐输出匹配网络还可以被配置为放大器电路提供阻抗匹配。
在另一实施例中，放大器电路包括输入匹配电路、第一放大级、级间匹配电路以及第二放大级，其中可调谐输出匹配网络包括与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、以及与第二开关串联的第二电容器，其中可调谐输出匹配网络还包括与第三开关串联的第三电容器，并且其中开关谐波陷波器包括与第一开关串联的串联电感器和第一电容器，第一开关电容器元件包括与第二开关串联的第二电容器，并且第二开关电容器元件包括与第三开关串联的第三电容器。串联电感器、第一电容器、第二电容器以及第三电容器的值可以被选择为陷获(trap)所放大的RF信号的二次谐波。
在另外的实施例中，开关谐波陷波器、第一开关电容器元件以及第二开关电容器元件被切换到用于低操作频带的可调谐匹配输出网络。在又一实施例中，放大器电路、串联电感器、第一电容器以及第二电容器在硅锗(SiGe)裸芯上实现，并且第一和第二开关在绝缘体上硅(SOI)裸芯上实现。
根据一些实现方式，本公开涉及一种装置，包括：与第一开关串联连接的串联电感器和第一电容器；以及与第二开关串联连接的第二电容器。在一些实施例中，与第一开关串联连接的串联电感器和第一电容器提供开关谐波陷波器，并且与第二开关串联连接的第二电容器提供第一开关电容器元件。开关谐波陷波器和开关电容器元件可以提供可调谐输出匹配网络，其中可调谐输出匹配网络被配置为减少在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带中的射频信号的二次谐波。在实施例中，一种无线移动设备包括所述这些装置。
在实施例中，第一和第二开关在绝缘体上硅(SOI)裸芯上实现，并且串联电感器、第一电容器以及第二电容器在硅锗(SiGe)裸芯上实现。
在多个实施例中，所述装置还包括与第三开关串联以提供第二开关电容器元件的第三电容器。开关谐波陷波器以及第一和第二开关电容器元件可以被配置为针对射频信号的特定谐波频率建立到AC接地端的短路，其中来自特定谐波频率的信号能量被反射回用于部分再循环。
在某些实施方式中，本公开涉及一种包括谐波陷波器和两个开关电容器的装置。所述装置被配置为当在全操作频带的低频带中操作时接收放大的射频(RF)信号并且减少二次谐波。全操作频带包括在大约470MHz至大约930MHz之间的频率范围，并且低频带包括在大约470MHz至大约610MHz之间的频率范围。在某些实现方式中，谐波陷波器包括与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、以及与第二开关串联的第二电容器，串联电感器、第一电容器以及第二电容器的值被选择为当在低频率模式下操作时减少二次谐波频率。
在多个实施方式中，本公开涉及一种包括被配置为放大射频输入信号的功率放大器的功率放大器系统。功率放大器包括被配置为接收射频输入信号的输入端以及被配置为产生放大的射频信号的输出端；以及输出匹配网络，其包括电连接在功率放大器的输出端和输出匹配网络的输出端之间的谐波抑制电路。当功率放大器在低频率模式下操作时，谐波抑制电路电连接到输出匹配网络，以减少所放大的射频信号中的二次谐波。
在实施例中，输出匹配网络包括与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、以及与第二开关串联的第二电容器。当功率放大器在低频率模式下操作时，第一和第二开关闭合。在另一实施例中，输出匹配网络还包括与第三开关串联的第三电容器，其中第一、第二和第三开关被配置为当功率放大器在低频率模式下操作时处于接通位置，并且其中第一、第二和第三开关被配置为当功率放大器在高频率模式下操作时处于断开位置。
在另外的实施例中，输出匹配网络还被配置为当功率放大器在低频率模式下操作时减少三次谐波。在又一实施例中，功率放大器包括宽带功率放大器，并且被配置为放大在大约470MHz至大约930MHz之间的频带中的射频信号。在另一实施例中，输出匹配电路被配置为当功率放大器在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带中操作时，减少所放大的射频信号中的射频输入信号的谐波。
根据一些实施例，功率放大器系统包括被配置为放大射频输入信号的功率放大器，功率放大器包括被配置为接收射频输入信号的输入端以及被配置为产生放大的射频信号的输出端；以及输出匹配网络，包括电连接在功率放大器的输出端和输出匹配网络的输出端之间的谐波抑制电路，谐波抑制电路被配置为当功率放大器在低频率模式下操作时电连接到输出匹配网络，以减少所放大的射频信号中的二次谐波。
在实施例中，输出匹配网络包括与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、以及与第二开关串联的第二电容器。当功率放大器在低频率模式下操作时，第一和第二开关闭合。在其他实施例中，输出匹配网络还包括与第三开关串联的第三电容器。在另外的实施例中，第一、第二和第三开关被配置为当功率放大器在低频率模式下操作时处于接通位置，并且第一、第二和第三开关被配置为当功率放大器在高频率模式下操作时处于断开位置。
在多个实施例中，输出匹配网络还被配置为当功率放大器在低频率模式下操作时减少三次谐波。在某些实施例中，功率放大器包括宽带功率放大器，放大在大约470MHz至大约930MHz之间的频带中的射频信号。在又一实施例中，输出匹配电路被配置为当功率放大器在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带中操作时，减少所放大的射频信号中的射频输入信号的谐波。
根据若干实施例，本公开涉及一种功率放大器模块，包括：输入引脚，被配置为接收射频输入信号；输出引脚，被配置为提供放大的射频信号；功率放大器裸芯，包括放大器电路、电连接到所述输入引脚的输入盘以及电连接到所述输出引脚的输出盘，所述功率放大器裸芯还包括被配置为与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、被配置为与第二开关串联的第二电容器以及被配置为与第三开关串联的第三电容器；开关裸芯，包括所述第一、第二和第三开关；以及多个互连，被配置为将所述串联电感器和所述第一电容器与所述第一开关电连接以提供第一谐波陷波器，将所述第二电容器电连接到所述第二开关以提供第二谐波陷波器，以及将所述第三电容器电连接到所述第三开关以提供第三谐波陷波器。所述第一、第二和第三开关被配置为当所述放大器电路在低频带中操作时处于接通位置，以减少所放大的射频信号中的二次谐波。在实施例中，一种无线移动设备包括所述功率放大器模块。
在实施例中，输出匹配网络包括第一、第二和第三谐波陷波器。在另一实施例中，第一、第二和第三开关被配置为当放大器电路在高频带中操作时处于断开位置，其中操作的频率范围在大约470MHz至大约930MHz之间，低频带在大约470MHz至大约610MHz之间，而高频带在大约610MHz至大约930MHz之间。
根据多个实施例，一种无线移动设备包括：天线，被配置为接收和发送射频信号；功率放大器，被配置为放大射频输入信号，所述功率放大器包括被配置为接收射频输入信号的输入端以及被配置为提供放大的射频信号的输出端；输出匹配网络，包括电连接在功率放大器的输出端和输出匹配网络的输出端之间的谐波抑制电路，谐波抑制电路被配置为当功率放大器在低频率模式下操作时电连接到输出匹配网络，以减少所放大的射频信号中的二次谐波；以及发送/接收转换器，被配置为将所放大的射频信号传递到天线用于发送。
在实施例中，谐波抑制电路包括与第一开关串联连接的串联电感器和第一电容器，以及与第二开关串联连接的第二电容器，其中串联电感器、第一电容器、第二电容器以及功率放大器在第一裸芯上实现，并且第一和第二开关在第二裸芯上实现。第一裸芯可以使用硅锗(SiGe)技术制造，并且第二裸芯使用绝缘体上硅(SOI)技术制造。在另一实施例中，功率放大器包括宽带功率放大器。
在多个实现方式中，本公开涉及一种用于减少射频输出信号中的谐波的方法。所述方法包括：沿着射频路径在功率放大器电路的输入处接收具有操作频率带中的基频的射频信号；放大所述射频信号以提供放大的射频信号；将所述功率放大器的阻抗与所述射频路径中的下一个元件的阻抗匹配；以及当所述功率放大器在低频带中操作时，用谐波抑制滤波器对所放大的射频信号进行滤波以减少二次谐波频率，所述谐波抑制滤波器包括开关谐波陷波器、第一开关电容器元件以及第二开关电容器元件。
在实施例中，操作频率带在大约470MHz至大约930MHz之间，并且低频带在大约470MHz至大约610MHz之间。在另一实施例中，所述方法还包括当功率放大器在低频带中操作时，闭合谐波抑制滤波器中的开关。在另外的实施例中，所述方法还包括将第一电容器电连接到第一开关以形成第一开关电容器元件，将第二电容器电连接到第二开关以形成第二开关电容器元件，以及将串联电感器和第三电容器电连接到第三开关以形成开关谐波陷波器。
根据多个实施例，功率放大器包括被配置为在操作频带上接收射频(RF)信号并提供放大的RF信号的放大器电路，以及可调谐输出匹配网络，电连接到放大器电路以接收所放大的RF信号，并且被配置为当放大器电路在低频带中操作时针对所放大的RF信号提供二次谐波抑制。
在实施例中，操作频带包括在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带以及在大约610MHz至大约930MHz之间的高频带。在另一实施例中，功率放大器包括宽带功率放大器。在另外的实施例中，可调谐输出匹配网络包括与第一开关串联以形成开关谐波陷波器的串联电感器和第一电容器、以及与第二开关串联以形成第一开关电容器元件的第二电容器。在另外的实施例中，可调谐输出匹配网络还包括与第三开关串联以形成第二开关电容器元件的第三电容器。在又一实施例中，串联电感器、第一电容器、第二电容器以及第三电容器的值被选择为陷获所放大的RF信号的二次谐波。
在实施例中，开关谐波陷波器、第一开关电容器元件以及第二开关电容器元件被切换到用于低操作频带的可调谐匹配输出网络中。在另一实施例中，放大器电路、串联电感器、第一电容器、第二电容器以及第三电容器在硅锗(SiGe)裸芯上实现，并且第一、第二和第三开关在绝缘体上硅(SOI)裸芯上实现。在另外的实施例中，开关谐波陷波器以及第一和第二开关电容器元件被配置为针对所放大的射频信号的特定谐波频率建立到AC接地端的短路。在又一实施例中，来自特定谐波频率的信号能量被反射回放大器电路用于部分再循环。在另一实施例中，一种无线移动设备包括所述功率放大器。
根据一些实施例，功率放大器模块包括被配置为接收射频输入信号的输入引脚，被配置为提供放大的射频信号的输出引脚，包括放大器电路、电连接到所述输入引脚的输入盘以及电连接到所述输出引脚的输出盘的功率放大器裸芯，其中所述功率放大器裸芯还包括被配置为与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、被配置为与第二开关串联的第二电容器以及被配置为与第三开关串联的第三电容器，包括所述第一、第二和第三开关的开关裸芯，以及被配置为将所述串联电感器和所述第一电容器与所述第一开关电连接以提供第一谐波陷波器、将所述第二电容器电连接到所述第二开关以提供第二谐波陷波器以及将所述第三电容器电连接到所述第三开关以提供第三谐波陷波器的多个互连，其中所述第一、第二和第三开关被配置为当所述放大器电路在低频带中操作时处于接通位置，以减少所放大的射频信号中的二次谐波。
在实施例中，串联电感器、第一电容器、第二电容器以及第三电容器的值被选择为当在低频率模式下操作时减少二次谐波频率。在另一实施例中，操作的频率范围在大约470MHz至大约930MHz之间，并且包括在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带以及在大约610MHz至大约930MHz之间的高频带。在另外的实施例中，功率放大器裸芯包括硅锗(SiGe)裸芯，并且开关裸芯包括绝缘体上硅(SOI)裸芯。在又一实施例中，一种无线移动设备包括所述功率放大器模块。
在多个实现方式中，一种用于减少射频输出信号中的谐波的方法包括：沿着射频路径在功率放大器电路的输入处接收具有操作频率带中的基频的射频信号，放大所述射频信号以提供放大的射频信号，将所述功率放大器的阻抗与所述射频路径中的下一元件的阻抗匹配，以及当所述功率放大器在低频带中操作时，用谐波抑制滤波器对所放大的射频信号进行滤波以减少二次谐波频率，其中谐波抑制滤波器包括开关谐波陷波器、第一开关电容器元件以及第二开关电容器元件。
在实施例中，操作频率带在大约470MHz至大约930MHz之间，并且低频带在大约470MHz至大约610MHz之间。在另一实施例中，所述方法还包括当功率放大器在低频带中操作时，闭合谐波抑制滤波器中的开关。在另外的实施例中，所述方法还包括将第一电容器电连接到第一开关以形成第一开关电容器元件，将第二电容器电连接到第二开关以形成第二开关电容器元件，以及将串联电感器和第三电容器电连接到第三开关以形成开关谐波陷波器。
附图说明
图1是根据某些实施例的用于放大射频(RF)信号的功率放大器模块的示意图。
图2是根据某些实施例的可以包括图1的功率放大器模块中的一个或多个的示例性无线设备的示意性框图。
图3是根据某些实施例的包括宽带功率放大器的功率放大器系统的一个示例的示意性框图。
图4是根据某些实施例的包括宽带功率放大器的功率放大器系统的另一示例的示意性框图。
图5是根据某些实施例的包括宽带功率放大器、可调谐级间匹配电路以及可调谐输出匹配网络的功率放大器系统的另一示例的示意性框图。
图6是根据某些实施例的图5的示例性功率放大器的示意图。
图7是根据某些实施例的可以与图6的功率放大器一起使用的用于低频带谐波抑制的示例性可调谐输出匹配网络的示意图。
图8是根据某些实施例的可以与图6的功率放大器一起使用的示例性级间匹配电路的示意图。
图9是根据某些实施例的可以与图6的功率放大器一起使用的示例性输入匹配电路的示意图。
图10A-图10C是示出在此所描述的宽带功率放大器的实施例的小信号性能的曲线图。
图11A-图11C是示出在此所描述的宽带功率放大器的实施例的增益性能的曲线图。
图12A-图12C是示出由在此所描述的宽带功率放大器的实施例所放大的RF信号的二次谐波抑制的曲线图。
图13A-图13C是示出由在此所描述的宽带功率放大器的实施例所放大的RF信号的三次谐波抑制的曲线图。
图14A-图14C是示出在此所描述的宽带功率放大器的实施例的电流耗散性能的曲线图。
图15是图示出根据某些实施例的与本公开相关联的一个或多个特征可以实现为宽带功率放大器和实现为一个或多个开关的示意性框图。
图16是图示出根据某些实施例的参考图15所描述的功率放大器和开关可以被实现在半导体裸芯上的示意性框图。
图17是图示出根据某些实施例的参考图15所描述的功率放大器和开关可以被实现在封装模块中的示意性框图。
图18示出了根据某些实施例，在一些实施例中，诸如图17的模块的组件可以包括在无线设备中。
图19图示了根据某些实施例的减少射频信号中的谐波的处理。
具体实施方式
图1是用于放大射频(RF)信号的功率放大器模块的示意图。所示功率放大器模块(PAM)10可以被配置为放大RF信号RF_IN以产生放大的RF信号RF_OUT。如在此所描述的，功率放大器模块10可以包括一个或多个功率放大器。
图2是图示出可以包括图1的功率放大器模块10中的一个或多个的简化便携式通信设备100的示意性框图。便携式通信设备100可以包括实现本公开的一个或多个特征的功率放大器。
在实施例中，便携式通信设备或移动设备100可以是便携式蜂窝电话。图1中所示的便携式通信设备100旨在是蜂窝电话的简化示例，并且旨在示出可以实现功率放大器模块10的许多可能的应用中的一个。本领域普通技术人员将理解便携式蜂窝电话的操作，因此，实现方式细节被省略。便携式通信设备100包括基带子系统110、收发器120和前端模块(FEM)130。尽管为了清楚起见未示出，但是收发器120通常包括用于准备用于放大和发送的基带信息信号的调制和上变频电路，并且包括用于将RF信号接收和下变频到基带信息信号以恢复数据的滤波和下变频电路。收发器120的操作细节对于本领域技术人员是已知的。
基带子系统110通常包括通过系统总线112耦合的处理器102、存储器114、应用软件104、模拟电路元件106、数字电路元件108以及功率放大器软件155，处理器102可以是通用或专用微处理器。系统总线112可以包括将上述元件耦合在一起并且实现其互操作性的物理和逻辑连接。
输入/输出(I/O)元件116通过连接124电连接到基带子系统110，存储器元件118通过连接126耦合到基带子系统110，并且电源122通过连接128电连接到基带子系统。I/O元件116可以包括例如麦克风、键盘、扬声器、指点设备、用户界面控制元件以及允许用户提供输入命令和接收来自便携式通信设备100的输出的任何其他设备或系统。
存储器118可以是任何类型的易失性或非易失性存储器，并且在实施例中可以包括闪速存储器。存储器元件118可以永久地安装在便携式通信设备100中，或者可以是可移动存储器元件，诸如可移动存储卡。
电源122可以是例如电池或其他可再充电电源，或者可以是将AC电源转换成便携式通信设备100所使用的正确电压的适配器。
处理器102可以是执行应用软件104以控制便携式通信设备100的操作和功能的任何处理器。存储器114可以是易失性或非易失性存储器，并且在实施例中可以是存储应用软件104的非易失性存储器。如果多模式功率放大器的部分以软件实现，则基带子系统110还包括功率放大器软件155，功率放大器软件155可以与能够由微处理器102执行的控制逻辑协作，或者通过另外的处理器，来控制下面要描述的功率放大器180的操作。
模拟电路106和数字电路108包括将由I/O元件116提供的输入信号转换为要发送的信息信号的信号处理、信号转换和逻辑。类似地，模拟电路106和数字电路108包括将由收发器120提供的接收信号转换为包含恢复信息的信息信号的信号处理、信号转换和逻辑。数字电路108可以包括例如数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其他处理设备。因为基带子系统110包括模拟和数字元件二者，所以它有时被称为混合信号器件(MSD)。
在实施例中，前端模块130包括发送/接收(TX/RX)转换器142以及功率放大器180。TX/RX转换器142可以是双工器(duplexer)、双工机(diplexer)或者分离发送信号和接收信号的任何其他物理或逻辑器件或电路。取决于便携式通信设备100的实现方式，TX/RX转换器142可以被实现为提供半双工或全双工功能。由收发器120通过连接136提供的发送信号被引导到功率放大器180。如下面将详细描述的，功率放大器180可以被实现为宽带功率放大器。功率放大器180的输出通过连接138提供给TX/RX转换器142，然后通过连接144提供给天线146。
天线146接收到的信号通过连接144提供给TX/RX转换器142，TX/RX转换器142通过连接134将接收到的信号提供给收发器120。
在实施例中，基带子系统110通过连接152将功率或模式选择信号提供给功率放大器180。模式选择信号确定功率放大器180中的一个或多个放大路径是否被启用。
图3是功率放大器模块180的实施例的示意性框图。图3的所示功率放大器模块180包括宽带功率放大器300、输出匹配网络320以及附加组件330。所示宽带功率放大器300包括第一放大器级302、末级放大器级304、输入匹配电路306以及级间匹配电路308。尽管所示示例示出了两个放大器级，但是本领域技术人员众所周知的是，可以使用多于两个放大器级或者少于两个放大器级来实现宽带功率放大器300。
宽带功率放大器300在输入匹配电路306的输入端接收RF输入信号。输入匹配电路306的输出端电连接到第一放大器级302的输入端，并且第一放大器级302的输出端电连接到级间匹配电路308的输入端。级间匹配电路308的第一输出端通过电感器(未示出)耦合到地，并且级间匹配电路308的第二输出端电连接到第二放大级304的输入端。第二放大级304的输出端电连接到输出匹配电路320的输入端。输出匹配电路320的输出端提供RF输出信号，该RF输出信号可以被转发到TX/RX转换器142。
功率放大器电路300还连接到附加组件330，诸如去耦电容器、扼流电感器等，用于功率放大器电路300的适当操作，如本领域技术人员根据在此的公开所已知的那样。
输入匹配电路306可以用来将来自基带系统110的RF信号的输出阻抗与第一放大器级302的输入阻抗匹配，并且级间匹配电路304可以用来将前一个放大器级的输出阻抗与下一个放大器级的输入阻抗匹配。
输出匹配网络320可以包括在功率放大器300的输出端。输出匹配网络320可以用来增加由功率放大器300产生的放大的RF信号的功率传输和/或减少由功率放大器300产生的放大的RF信号的反射。
存在与放大器匹配有关的几个概念。输出匹配网络320将放大器300的输出阻抗与信号链中的下一个RF子系统的输入阻抗匹配。在常规实施例中，这通常为50欧姆。谐波频率是被放大的RF信号频率的整数倍，并且有助于功率放大器300的有效和低失真操作，这样的谐波频率被输出匹配网络320抑制。谐波频率的抑制将那些频率处的信号幅度减小为不被放大器300发射。
参见图3，所示实施例示出了单个宽带功率放大器裸芯300以及静态输出匹配网络320。对于IEEE标准802.11af，功率放大器180在大约470MHz至大约928MHz之间(全频带)的频带频率中增大所发送的WiFi信号。尽管使用单个功率放大器裸芯300来实现宽带放大器300的部件较少，但是470MHz的谐波接近频带的较高频率，并且可能难以使用静态输出匹配网络320中的无源组件来抑制。因此，在某些实施例中，不满足期望的谐波抑制。
图4是功率放大器模块180的另一实施例。在图4的所示功率放大器模块中，单个功率放大器300用两个功率放大器集成电路400、401取代，功率放大器集成电路400、401中的每个具有被配置为消除或减少对应操作频率带中的谐波的对应静态输出匹配网络420、421。功率放大器电路400、401中的每个分别与附加组件430、431相关联，类似于附加组件330的去耦电容器、扼流电感器等。
功率放大器电路400、401中的每个接收RF输入信号。在另一实施例中，功率放大器电路400接收具有全频带操作频率的低频带中的基频的RF输入信号，而功率放大器电路401接收具有全频带操作频率的高频带中的基频的RF输入信号。第一RF放大器电路400的输出端电连接到输出匹配电路420，并且输出匹配电路420的输出端电连接到选择器440的第一输入端。第二RF放大器电路401的输出端电连接到输出匹配电路421，并且输出匹配电路421的输出端电连接到选择器440的第二输入端。选择器440接收控制信号以选择输出匹配电路420的输出或输出匹配电路421的输出作为RF输出信号，该RF输出信号可以被转发到TX/RX转换器142。在实施例中，控制信号在基带子系统110中产生。
第一功率放大器电路400包括输入匹配电路406、第一放大器级402、级间匹配电路408以及第二放大级404。输入匹配电路406、第一放大器级402、级间匹配电路408以及第二放大级404如以上关于功率放大器300所描述的那样而连接。类似地，第二功率放大器电路401包括输入匹配电路407、第一放大器级403、级间匹配电路409以及第二放大级405。输入匹配电路406、第一放大器级403、级间匹配电路407以及第二放大级405如以上关于功率放大器300所描述的那样而连接。
第一功率放大器电路400放大频带的较低端处的RF信号，而第二功率放大器电路401放大全频率带的上半部分处的RF信号。确定频带的较低端和上半部分至少部分地基于谐波失真与电流耗散限制的竞争要求之间的折衷。
谐波失真随着频率的增加而改善。二次谐波失真可能是电路优化中的限制因素，并且较高频率应当远低于最低频率的二次谐波失真。否则，在较高频率处的负载可能是非最佳的，导致高的电流耗散。此外，频带限制的选择由与二次谐波失真抑制有关的电流耗散确定。
一种定义较低频带和较高频带的方法是定义较高频率，并且针对连续更小的较低频率限制来优化电路，直到电流耗散变得不合需要为止。另一种方法是通过定义较低频率限制并且针对连续更大的较高频率限制来优化电路而颠倒以上方法，直到电流耗散变得不可接受为止。
在一个实施例中，低频带功率放大器400在大约470MHz至大约670MHz之间的频率带中操作，并且具有Pout＝22dBm处的对应于-36dBm/MHz的大约-58dBc的二次谐波抑制，以及Pout＝22dBm处的对应于-53dBm/MHz的大约-75dBc的三次谐波抑制。高频带功率放大器401在大约670MHz至大约930MHz之间的频率带中操作，并且具有Pout＝22dBm处的对应于的-28dBm/MHz的大约-50dBc的二次谐波抑制，以及Pout＝22dBm处的对应于-48dBm/MHz的大约为-70dBc的三次谐波抑制。这是被配置为满足期望的谐波失真以及电流耗散特性的低频带功率放大器和高频带功率放大器的一个非限制性示例。其他实施例可以在全频率带中具有不同的较低频带和较高频带，和/或不同的期望的谐波失真抑制以及电流耗散。
尽管在使用两个功率放大器集成电路的某些实施例中可以满足期望的谐波抑制和/或电流耗散，但是使用较多的印刷电路板面积和较多的裸芯面积的组件较多，具有相应增加的成本。
设计响应于操作频率(或与其相关的信号)的输出匹配网络，使得放大器在较低频率带中操作的同时抑制与较低频率带相关的谐波频率将是有益的。如下面将进一步详细描述的，可以设计输出匹配网络中的电感器和电容器的组合以针对选择的频率带建立谐波陷波器(抑制)，并且同时确保带内频率上的增益均匀性。这些陷波器可以针对那些谐波频率建立(到AC接地端(ground)的)短路，从而迫使AC电压为零并且将信号能量反射回宽带功率放大器中用于部分再循环。
图5是功率放大器模块180的另一实施例的示意性框图。图5的所示实施例包括宽带功率放大器500、可调谐输出匹配网络520以及附加组件530。宽带功率放大器500电连接到附加部件530，诸如去耦电容器、扼流电感器等，类似于图3的附加组件330。
宽带功率放大器500包括输入匹配电路506、第一放大级502、可调谐级间匹配电路508以及第二放大级504。尽管所示示例示出了两个放大器级，但是本领域技术人员众所周知的是，可以使用多于两个放大器级或者少于两个放大器级来实现宽带功率放大器500。
宽带功率放大器500在输入匹配电路506的输入端接收RF输入信号。输入匹配电路506的输出端电连接到第一放大器级502的输入端，并且第一放大器级502的输出端电连接到级间匹配电路508的输入端。级间匹配电路508的第一输出端通过电感器510耦合到地，并且级间匹配电路508的第二输出端电连接到第二放大级504的输入端。第二放大级504的输出端电连接到可调谐输出匹配电路520的输入端。可调谐输出匹配电路520的输出端提供RF输出信号，该RF输出信号可以被转发到TX/RX转换器142。
可调谐输出匹配网络520包括多个陷波器521、522、523，诸如开关谐波陷波器521、第一开关电容器522以及第二开关电容器523。在其他实施例中，可调谐输出匹配网络520包括多于一个开关谐波陷波器521以及一个或多个开关电容器522、523。开关谐波陷波器521包括与开关串联的串联电容器和电感器。每个开关电容器522、523包括与开关串联的电容器。陷波器521、522、523针对其所调谐的那些谐波频率建立到地的短路。如本领域技术人员根据在此的公开所已知的那样，可以通过选择合适的分量值将陷波器521、522、523调谐到特定频率。
在实施例中，宽带功率放大器500可以使用例如SiGe BiCMOS(5PAe)技术、GaAsHBT4技术等实现在集成电路(IC)上。在实施例中，可调谐输出匹配网络520的组件524可以被实现在与宽带功率放大器500相同的裸芯上，并且开关525可以使用绝缘体上硅(SOI)技术来被实现在另一IC上。在其他实施例中，可以使用集成电路制造领域的技术人员已知的其他技术。因此，图5的功率放大器实施例可以包括包含一个5PAe裸芯和SOI开关裸芯的双频带功率放大器。
在实施例中，图5的宽带功率放大器提供切换以在可调谐输出匹配网络520中实现二次谐波陷波，以利于在大约470MHz至大约610MHz之间的频带中的操作。在一个实施例中，可调谐输出匹配网络520将三次电感匹配部分添加到两个开关电容器元件522、523以及谐波开关陷波器521。三次电感匹配部分增加匹配的带宽。两个开关电容器元件522、523和谐波开关陷波器521增加对较低频率带(大约470MHz-610MHz)的谐波信号的谐波抑制，并且保持带内频率的增益均匀性。
图6-图9是图5的功率放大器模块的实施例的示意图。图6是示例性功率放大器600的示意图。在实施例中，功率放大器600可以使用SiGe BiCMOS技术实现为5PAe IC。
图7是可以与图6的功率放大器600一起使用的用于低频带(大约470MHz-610MHz)谐波抑制的示例性可调谐输出匹配网络720的示意图。可调谐输出匹配网络720包括开关谐波陷波器521、开关电容器522以及三次电感匹配部分700，三次电感匹配部分700包括开关电容器523。三次电感匹配部分700增加可调谐输出匹配网络720的带宽。两个开关电容器522、523以及开关谐波陷波器521增加在低频带操作(大约470MHz-610MHz)中的八倍频BW802.11af功率放大器的谐波抑制。
图8是可以与图6的功率放大器600一起使用的示例性级间匹配电路808的示意图，并且图9是可以与图6的功率放大器600一起使用的示例性输入匹配电路906的示意图。
图10A-图10C是示出在此所描述的宽带功率放大器的实施例的小信号性能的曲线图。曲线示出增益dB(SP.S(2,1)相对于频率。图10A是图示出图3的单个宽带功率放大器实施例在全频率带上的小信号性能的曲线图。图10B是图示出图4的两个放大器实施例的小信号性能的曲线图。如上所述，功率放大器电路中的一个在由图10B中的细线所示的低频率模式(大约470MHz-670MHz)下操作，而另一个功率放大器电路在由图10B中的粗线表示的高频率模式(大约670MHz-930MHz)下操作。图10C是图示出图5的放大器和开关实施例的小信号性能的曲线图，其中图10C中的细线表示在低频率模式(大约470MHz-610MHz)下的操作，而图10C中的粗线表示在高频率模式(大约610MHz-930MHz)下的操作。
图11A-图11C是示出在此所描述的宽带功率放大器的实施例的增益性能的曲线图。曲线示出功率增益相对于输出功率。图11A是图示出图3的单个宽带功率放大器实施例的增益性能的曲线图。图11B是图示出图4的两个放大器实施例的增益性能的曲线图，其中由细线表示的曲线表示在低频率模式(大约470MHz-670MHz)下的操作，而由粗线表示的曲线表示在高频率模式(大约670MHz-930MHz)下的操作。图11C是图示出图5的放大器和开关实施例的增益性能的曲线图，其中由细线表示的曲线表示在低频率模式(大约470MHz-610MHz)下的操作，而由粗线表示的曲线表示在高频率模式(大约610MHz-930MHz)下的操作。
图12A-图12C是示出由在此所描述的宽带功率放大器的实施例所放大的RF信号的二次谐波抑制的曲线图。图12A是图示出图3的单个宽带功率放大器的大约470MHz信号的二次谐波抑制的曲线图。图12B是图示出图4的两个放大器实施例的大约670MHz信号的二次谐波抑制的曲线图。图12C是图示出图5的放大器和开关实施例的大约610MHz信号的二次谐波抑制的曲线图。在图12B和图12C中，具有细线的曲线表示低频率模式，而具有粗线的曲线表示高频率模式。
图13A-图13C是示出由在此所描述的宽带功率放大器的实施例所放大的RF信号的三次谐波抑制的曲线图。图13A是图示出图3的单个宽带功率放大器的大约930MHz信号的三次谐波抑制的曲线图。图13B是图示出图4的两个放大器实施例的大约670MHz信号的三次谐波抑制的曲线图。图13C是图示出图5的放大器和开关实施例的大约610MHz信号的三次谐波抑制的曲线图。在图13B和图13C中，具有细线的曲线表示低频率模式，而具有粗线的曲线表示高频率模式。
图14A-图14C是示出在此所描述的宽带功率放大器的实施例的电流耗散性能的曲线图。图14A是图示出图3的单个宽带功率放大器的电流耗散的曲线图。图14B是图示出图4的两个放大器实施例的电流耗散的曲线图。图14C是图示出图5的放大器和开关实施例的功率耗散的曲线图。在图14B和图14C中，具有细线的曲线表示低频率模式，而具有粗线的曲线表示高频率模式。曲线图示出图4的宽带功率放大器实施例具有最低的功耗，图3的实施例比图4的实施例多消耗大约10％的电流，而图5的实施例比图4的实施例多消耗大约7％的电流。这可能是宽带操作和高PSAT要求的结果。减少电流消耗的一些选项包括使用较低的偏置电流和较小的第二级晶体管。
图3、图4和图5-图9描述了具有不同的实现方式和不同的性能特性的宽带功率放大器的实施例。图3的实施例可以被实现在单个集成电路上。图4的实施例可以实现为两个集成电路，其中一个放大器IC在低频率模式下操作，而另一个放大器IC在高频率模式下操作。图5的实施例可以实现为单个集成电路和SOI开关，其中放大器IC在高频率模式下操作，而SOI开关在低频率模式下操作。
示例应用
图15示意性地示出与本公开相关联的一个或多个特征可以实现为宽带功率放大器1000和一个或多个开关1080。功率放大器1000可以包括一个或多个放大级1010、输入和级间匹配电路1020以及与开关1080相关联的输出匹配网络组件1040。功率放大器1000还可以包括诸如带外抑制滤波器、功率检测器和偏置控制器的组件(共同表示为1060)。
图16示出在一些实施例中，参考图15所描述的功率放大器1000可以被实现在半导体裸芯1100上。尽管在此对功率放大器1000的描述在单个裸芯的背景下，但是将理解的是，功率放大器1000的各个部分也可以被实现在分离的裸芯中。图16还示出在一些实施例中，参考图15所描述的开关1080可以被实现在半导体裸芯1120上。在其他实施例中，开关1080和功率放大器1000实现在同一半导体裸芯上。
图17示出在一些实施例中，具有在此所描述的一个或多个特征的功率放大器1000可以被实现在封装模块1200中。如在此所描述的，功率放大器1000可以被实现在一个或多个裸芯中；并且这样的裸芯可以被封装在模块1200中。模块1200还可以包括一个或多个封装结构1240，封装结构1240可以提供例如对功率放大器1000的保护。模块1200还可以包括被配置为提供到功率放大器1000的电连接和从功率放大器1000的电连接的连接特征1220。
图17示出在一些实施例中，具有在此所描述的一个或多个特征的开关1080可以被实现在封装模块1200中。如在此所描述的，开关1080可以被实现在一个或多个裸芯中；并且这样的裸芯可以被封装在模块1200中。
图18示出在一些实施例中，诸如图17的模块1200的组件可以包括在无线设备1300中。在一些实施例中，设备1300可以包括无线局域网(WLAN)功能。尽管在WLAN应用的背景下描述，但是在此描述的一个或多个特征也可以被实现在其他无线应用中。
在图18中，无线设备1300被描绘为包括诸如天线1360和收发器模块1340的其他组件。无线设备1300还可以被配置为接收或电连接到电源1320。
图19图示出用来减少射频输出信号中的谐波的示例性处理1900。从步骤1902开始，处理1900沿着射频路径在功率放大器电路的输入处接收具有操作频率带中的基本频率的射频信号。在步骤1904，处理1900放大射频信号以提供放大的射频信号。
在步骤1906，处理1900将功率放大器的阻抗与射频路径中的下一个元件的阻抗匹配。在步骤1908，处理1900用谐波抑制滤波器对放大的射频信号进行滤波，以当功率放大器在低频带中操作时减少二次谐波频率。
在实施例中，谐波抑制滤波器包括开关谐波陷波器、第一开关电容器元件以及第二开关电容器元件。在另一实施例中，当功率放大器在低频带中操作时，处理1900闭合谐波抑制滤波器中的开关。
上述实施例中的一些已经提供与移动电话相关的示例。然而，实施例的原理和优点可以用于需要功率放大器系统的任何其他系统或装置。
这样的系统或装置可以被实现在各种电子设备中。电子设备的示例可以包括但不限于消费电子产品、消费电子产品的部件、电子测试设备等。电子设备的示例还可以包括但不限于存储器芯片、存储器模块、光网络或其他通信网络的电路以及盘驱动器电路。消费电子产品可以包括但不限于移动电话，诸如智能电话、电话机、电视、计算机监视器、计算机、手持式计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)、PC卡、微波炉、冰箱、汽车、立体声系统、盒式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、MP3播放器、收音机、摄像机、相机、数码相机、便携式存储器芯片、洗衣机、烘干机、洗衣/干衣机、复印机、传真机、扫描仪、多功能外围设备、手表、钟表等。此外，电子设备可以包括未完成的产品。
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”，“包括(comprising)”等应当在包含的意义上解释，而不是排他或穷举的意义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如在此通常所使用的，词语“耦合的”是指可以直接连接或者借助于一个或多个中间元件连接两个或更多个元件。同样，如在此通常所使用的，词语“连接的”是指可以直接连接或者借助于一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“以上”、“下面”以及类似含义的词语应当是指本申请的整体，而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，以上具体实施方式中使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。关于两个或更多个项目的列表的词语“或”，该词语涵盖该词语的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任何组合。
此外，除非另有特别声明，或者在所使用的上下文中另外理解，否则在此所使用的条件语言，诸如，其中，“可以”、“能够”、“可能”、“可”、“例如”、“比如”、“诸如”等，通常旨在传达某些实施例包括、而其他实施例不包括的某些特征、元件和/或状态。因此，这样的条件语言通常并不旨在暗示特征、元件和/或状态以任何方式被一个或多个实施例所要求，或者一个或多个实施例必须包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或状态是否包括在任何特定实施例中或者是否要在任何特定实施例中执行的逻辑。
本发明的实施例的以上详细描述并不旨在穷举或将本发明限于以上公开的精确形式。尽管以上出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内的各种等效修改是可能的。例如，尽管以给定顺序提出处理或块，但是替选实施例可以以不同的顺序来执行具有步骤的例程或采用具有块的系统，并且一些处理或块可以被删除、移动、添加、再分、组合、和/或修改。这些处理或块中的每一个可以以各种不同的方式来实现。此外，尽管处理或块有时被示为串行执行，但是这些处理或块可以代替地并行执行，或者可以在不同时间执行。
在此提供的本发明的教导可以应用于其他系统，不一定是以上描述的系统。以上描述的各种实施例的元件和动作可以组合以提供另外的实施例。
尽管已经描述了本发明的某些实施例，但是这些实施例仅借助于示例来提出，并且并不旨在限制本公开的范围。实际上，在此所描述的新颖的方法、装置和系统可以以各种其他形式实施；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以进行在此所描述的方法和系统的形式中的各种省略、替换和改变。所附权利要求书及其等效物旨在涵盖将落入本公开的范围和精神内的这些形式或修改。

Claims (20)

1.一种功率放大器，包括：
放大器电路，被配置为在操作频带上接收射频(RF)信号并提供放大的RF信号；以及
可调谐输出匹配网络，电连接到所述放大器电路以接收所放大的RF信号，并且被配置为当所述放大器电路在低频带中操作时针对所放大的RF信号提供二次谐波抑制。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述操作频带包括在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带、以及在大约610MHz至大约930MHz之间的高频带。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述功率放大器包括宽带功率放大器。
4.根据权利要求1所述的功率放大器，其中，所述可调谐输出匹配网络包括与第一开关串联以形成开关谐波陷波器的串联电感器和第一电容器、以及与第二开关串联以形成第一开关电容器元件的第二电容器。
5.根据权利要求4所述的功率放大器，其中，所述可调谐输出匹配网络还包括与第三开关串联以形成第二开关电容器元件的第三电容器。
6.根据权利要求5所述的功率放大器，其中，所述串联电感器、所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器的值被选择为陷获所放大的RF信号的二次谐波。
7.根据权利要求5所述的功率放大器，其中，所述开关谐波陷波器、所述第一开关电容器元件以及所述第二开关电容器元件被切换到用于低操作频带的所述可调谐匹配输出网络。
8.根据权利要求5所述的功率放大器，其中，所述放大器电路、所述串联电感器、所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器在硅锗(SiGe)裸芯上实现，并且所述第一开关、第二开关以及第三开关在绝缘体上硅(SOI)裸芯上实现。
9.根据权利要求4所述的功率放大器，其中，所述开关谐波陷波器以及所述第一开关电容器元件和第二开关电容器元件被配置为针对所放大的射频信号的特定谐波频率建立到AC接地端的短路。
10.根据权利要求9所述的功率放大器，其中，来自所述特定谐波频率的信号能量被反射回到所述放大器电路用于部分再循环。
11.一种无线移动设备，包括权利要求1所述的功率放大器。
12.一种功率放大器模块，包括：
输入引脚，被配置为接收射频输入信号；
输出引脚，被配置为提供放大的射频信号；
功率放大器裸芯，包括放大器电路、电连接到所述输入引脚的输入盘以及电连接到所述输出引脚的输出盘，所述功率放大器裸芯还包括被配置为与第一开关串联的串联电感器和第一电容器、被配置为与第二开关串联的第二电容器以及被配置为与第三开关串联的第三电容器；
开关裸芯，包括所述第一开关、第二开关以及第三开关；以及
多个互连，被配置为将所述串联电感器和所述第一电容器与所述第一开关电连接以提供第一谐波陷波器，将所述第二电容器电连接到所述第二开关以提供第二谐波陷波器，以及将所述第三电容器电连接到所述第三开关以提供第三谐波陷波器，所述第一开关、第二开关以及第三开关被配置为当所述放大器电路在低频带中操作时处于接通位置，以减少所放大的射频信号中的二次谐波。
13.根据权利要求12所述的功率放大器模块，其中，所述串联电感器、所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器的值被选择为当在低频率模式下操作时减少二次谐波频率。
14.根据权利要求13所述的功率放大器模块，其中，操作的频率范围在大约470MHz至大约930MHz之间，并且包括在大约470MHz至大约610MHz之间的低频带、以及在大约610MHz至大约930MHz之间的高频带。
15.根据权利要求12所述的功率放大器模块，其中，所述功率放大器裸芯包括硅锗(SiGe)裸芯，并且所述开关裸芯包括绝缘体上硅(SOI)裸芯。
16.一种无线移动设备，包括权利要求12所述的功率放大器模块。
17.一种用于减少射频输出信号中的谐波的方法，所述方法包括：
沿着射频路径在功率放大器电路的输入端处接收具有操作频率带中的基频的射频信号；
放大所述射频信号以提供放大的射频信号；
将所述功率放大器的阻抗与所述射频路径中的下一个元件的阻抗匹配；以及
当所述功率放大器在低频带中操作时，用谐波抑制滤波器对所放大的射频信号进行滤波以减少二次谐波频率，所述谐波抑制滤波器包括开关谐波陷波器、第一开关电容器元件以及第二开关电容器元件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述操作频率带在大约470MHz至大约930MHz之间，并且低频带在大约470MHz至大约610MHz之间。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括当所述功率放大器在低频带中操作时，闭合所述谐波抑制滤波器中的开关。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括将第一电容器电连接到第一开关以形成第一开关电容器元件，将第二电容器电连接到第二开关以形成第二开关电容器元件，以及将串联电感器和第三电容器电连接到第三开关以形成开关谐波陷波器。
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WO2019244757A1 (ja) 高周波増幅回路および通信装置

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