CN108134585B - 射频功率放大电路及其超带宽输出匹配电路 - Google Patents

射频功率放大电路及其超带宽输出匹配电路 Download PDF

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Abstract

本发明揭露了一种射频功率放大器及其输出匹配电路，所述输出匹配电路包括：射频输入端；射频输出端；依次耦接于所述射频输入端和所述射频输出端的第一电感、第二电容、第三电容、第四电感；耦接于第一电感的与第二电容耦接的连接端和接地端之间的第一电容；耦接于第二电容的与第三电容耦接的连接端和接地端之间的第二电感；耦接于第三电容的与第四电感耦接的连接端和接地端之间的第三电感。本发明中的输出匹配电路能够覆盖两个不同的频段，为单颗功率放大器实现多频段放大信号打下了良好的基础。

Description

射频功率放大电路及其超带宽输出匹配电路
【技术领域】
本发明涉及射频电路领域，特别涉及超带宽输出匹配电路以及射频功率放大电路。
【背景技术】
无线通讯系统由发送设备、接收设备和信号通道三部分组成，通过电磁波实现信息和数据的传输。在发送设备中，需要将微弱的信号放大发射出去，所以需要使用射频功率放大器。根据不同的信道要求，功率放大器也需要放大不同频率的信号。为了达到这个目的，一般需要设计多个射频功率放大器输出网络匹配电路，以适应不同的射频放大频率。
目前对于多频率射频功率放大器模组的需求日益增大，一个模组中往往集成了超过4个频段。如果采用传统的输出匹配电路设计，必然需要多条输出匹配电路。由此带来了整个射频功率放大器模组体积增大，所占用的射频前端模块面积也必然增大。从而增加了射频前端模块布线难度，增大了射频器件之间的相互干扰，造成了整个模块性能下降。
因此，有必要提供一种新的解决方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种输出匹配电路，其可以覆盖两个不同的频段。
本发明的目的之二在于提供一种射频功率放大电路，其具有超带宽输出匹配电路，该超带宽输出匹配电路可以覆盖两个不同的频段。
为实现本发明的目的，本发明提供一种射频功率放大器的输出匹配电路，其包括：射频输入端；射频输出端；依次耦接于所述射频输入端和所述射频输出端的第一电感、第二电容、第三电容、第四电感；耦接于第一电感的与第二电容耦接的连接端和接地端之间的第一电容；耦接于第二电容的与第三电容耦接的连接端和接地端之间的第二电感；耦接于第三电容的与第四电感耦接的连接端和接地端之间的第三电感。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种射频功率放大电路，其包括：射频功率放大器；耦接于所述射频功率放大器的输出端的输出匹配电路，其中输出匹配电路的射频输入端与所述射频功率放大器的输出端耦接。
与现有技术相比，本发明中的输出匹配电路能够覆盖两个不同的频段，为单颗射频功率放大器实现多频段放大信号打下了良好的基础。
【附图说明】
结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
图1为本发明中的输出匹配电路在一个实施例中的电路图；
图2为现有技术中的输出匹配电路的电路图；
图3为本发明的输出匹配电路的仿真结果的示意图；
图4为传统输出匹配电路的第一种仿真结果的示意图；
图5为传统输出匹配电路的第二种仿真结果的示意图；
图6为本发明中的多模式射频功率放大器在一个实施例中的电路图；
图7为本发明中的多模式射频功率放大器的不同模式的线性仿真图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出一种射频功率放大器的输出匹配电路，其只需要一个链路就可以实现两个传统输出匹配电路结构链路的功能。由于只使用了单个链路，大大简化了射频前端模块的设计难度，降低了产品成本，为单颗功率放大器实现多频段放大信号打下了良好的基础。
图1为本发明中的输出匹配电路在一个实施例中的电路图。如图1所示的，所述输出匹配电路包括：射频输入端RFIN；射频输出端RFOUT；依次耦接于所述射频输入端RFIN和所述射频输出端RFOUT的第一电感L11、第二电容C12、第三电容C13、第四电感L14；耦接于第一电感L11的与第二电容C12耦接的连接端和接地端之间的第一电容C11；耦接于第二电容C12的与第三电容C13耦接的连接端和接地端之间的第二电感L12；耦接于第三电容C13的与第四电感L14耦接的连接端和接地端之间的第三电感L13。
射频输入端RFIN的输出电阻为第一预定值；通过第一电感L11和第一电容C11将第一电感L11和第一电容C11的连接节点的输出电阻匹配至第二预定值；通过第二电感L12和第二电容C12将第二电感L12和第二电容C12的连接节点的输出电阻匹配至第三预定值；通过第三电感L13、第三电容C13、第四电感L14将第三电感L13和第三电容C13的连接节点的输出电阻匹配至50欧姆，第一预定值小于第二预定值，第二预定值小于第三预定值，第三预定值小于50欧姆。其中，第一预定值的取值范围为2-5欧姆；第二预定值的取值范围为7-10欧姆；第三预定值的取值范围为18-23欧姆。在一个具体的例子中，
射频信号从射频输入端RFIN输入，通过输出匹配电路将射频输入端RFIN的输出电阻3.5欧姆转换到射频输出端RFOUT的50欧姆。
第一电感L11和第一电容C11组成一个低通滤波器，以压制高频杂波。第二电感L12和第二电容C12组成一个高通滤波器，以过滤低频杂波。第三电感L13和第三电容C13组成一个高通滤波器，过滤低频杂波。第四电感能够增大频带内的平坦度，第四电感的取值取决于选择的不同的频带。第二电容C12、第三电容C13电容在匹配的同时也可以隔离直流。
图2为现有技术中的输出匹配电路的电路图，其是一种窄带宽的输出匹配电路，只能覆盖一个频段。
图3为本发明的输出匹配电路的仿真结果的示意图，其中m3点处的频率为800MHz,dB(S(6,5))为0.652，m4点处的频率为920MHz,dB(S(6,5))为0.563，第一频段800Mhz-920Mhz完全满足阻抗匹配要求，同时，m5点处的频率为1.700GHz,dB(S(6,5))为0.464，m6点处的频率为1.900GHz,dB(S(6,5))为0.855，第二频段1700Mhz-Mhz1900也完全满足阻抗匹配要求。采用新的输出匹配电路就可以同时实现这两个频段(第一频段800Mhz-920Mhz，第二频段1700Mhz-Mhz1900)的阻抗匹配。
图4为图2中的传统输出匹配电路的第一种仿真结果的示意图。图5为图2中的传统输出匹配电路的第二仿真结果的示意图。从图4图5可以看出传统的输出匹配电路只能涵盖两个频段中的一个，而无法涵盖两个频段。
本发明使用较少的元件，实现了多频段输出匹配的功能。
本发明还提供一种射频功率放大电路，其包括：射频功率放大器；耦接于所述射频功率放大器的输出端的输出匹配电路，其中输出匹配电路的射频输入端与所述射频功率放大器的射频输出端耦接。所述输出匹配电路可以为上文中描述的超带宽输出匹配电路。这样，在所述射频功率放大器后边只需要设置一条输出匹配链路就可以实现两个频段的阻抗匹配。所述射频功率放大器可以为图6所示的多模式射频功率放大器100。
图6为本发明中的多模式射频功率放大器100在一个实施例中的电路图。如图6所示的，所述射频功率放大器包括：射频输入端RFIN；射频输出端RFOUT；依次耦接于所述射频输入端RFIN和所述射频输出端RFOUT之间的多级射频功率放大单元；耦接于初级射频功率放大单元110的双极型晶体管Q1的集电极和基极之间的反馈电路150。该反馈电路150包括有模式控制端VTD，通过调整模式控制端VTD的电压值来调整所述反馈电路150的阻抗状态，进而调整所述射频功率放大器100工作在不同工作模式下。图6中示出了三级射频功率放大单元110、120、130，射频功率放大单元110被称为初级射频功率放大单元，射频功率放大单元130被称为末级射频功率放大单元。
如图6所示的，所述射频功率放大器还包括有耦接于末级功率放大单元130的输出端和射频输出端RFOUT的输出滤波电路140。所述输出滤波电路140包括电感L4、电容C5和电容C6，其中电感L4和电容C5依次串联于末级功率放大单元130的输出端和射频输出端RFOUT，电容C6耦接于电感L4和电容C5的连接节点和接地端之间。
每级射频功率放大单元(110、120、130)均包括一双极型晶体管(Q1，Q2，Q3)、电容(C2，C3，C4)、电感(L1，L2，L3)、偏置电路(111,121,131)。电容(C2，C3，C4)的一端耦接于上一级射频功率放大单元的输出端或射频输入端，所述电容(C2，C3，C4)的另一端耦接于本级射频功率放大单元的双极型晶体管(Q1，Q2，Q3)的基极，双极型晶体管(Q1，Q2，Q3)的集电极通过所述电感(L1，L2，L3)耦接于电源端VCC，双极型晶体管(L1，L2，L3)的发射极耦接至地，所述偏置电路(111,121,131)的输出端耦接于本级射频功率放大单元的双极型晶体管(Q1，Q2，Q3)的基极，并给所述双极型晶体管(Q1，Q2，Q3)的基极提供偏置电压Vb。
所述偏置电路(111,121,131)分别包括偏置双极型晶体管(Q4，Q5，Q6)、第四电阻(R11、R21、R31)、第五电阻(R12、R22、R32)、第二二极管(D11、D21、D31)和第三二极管(D12、D22、D32)，其中第四电阻(R11、R21、R31)、第二二极管(D11、D21、D31)和第三二极管(D12、D22、D32)依次串联于参考电压VREG和接地端之间，其中第二二极管(D11、D21、D31)的阳极与第四电阻(R11、R21、R31)相连，第三二极管(D12、D22、D32)的阳极与第二二极管(D11、D21、D31)的阴极相连，偏置双极型晶体管(Q4，Q5，Q6)的基极耦接于第四电阻(R11、R21、R31)和第二二极管(D11、D21、D31)的阳极之间，偏置双极型晶体管(Q4，Q5，Q6)的集电极与所述参考电压相连，所述偏置双极型晶体管(Q4，Q5，Q6)的发射极通过第五电阻(R12、R22、R32)耦接于接地端，所述偏置双极型晶体管(Q4，Q5，Q6)的发射极提供所述偏置电压Vb。
如图6所示的，所述反馈电路150包括：依次耦接于初级射频功率放大单元110的双极型晶体管的基极和集电极之间的电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2；依次耦接于模式控制端VTD和初级射频功率放大单元的双极型晶体管的集电极之间的第三电阻R3和第一二极管D1，其中第一二极管D1的阳极与双极型晶体管的集电极的耦接，其中，第三电阻R3和第一二极管D1的中间节点与第一电阻R1和第二电阻R2的中间节点耦接在一起。
在所述模式控制端VTD为高电平时，第一二极管D1截止，此时电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2形成的反馈通路相对于射频信号为高阻抗状态，射频功率放大器100的负反馈减弱，从而使所述射频功率放大器100工作在高功率高增益模式。在所述模式控制端VTD为低电平时，第一二极管D1导通，此时电容C1和第一电阻R1形成的反馈通路相对于射频信号为低阻抗状态，射频功率放大器100的负反馈增强，从而使得所述射频功率放大器100工作在高线性低增益模式。
其中C1、R1的取值使得电容C1和第一电阻R1组成的反馈通路相对于射频信号为低阻抗状态，C1、R1、R2的取值使得电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2组成的反馈通路相对于射频信号为高阻抗状态。
图7为本发明中的多模式射频功率放大器的不同模式的线性仿真图，其中曲线L1是工作在高功率高增益模式下的线性仿真曲线，曲线L2是工作在高线性低增益模式下的线性仿真曲线。
本发明中的“耦接”、“相连”、“相接”、“连接”、“接地”等表示电性连接的词，除了特别说明的外，都表示直接或间接的电性相连，间接的电性相连意味着中间可以串联一些器件，比如电阻或电感等。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。

Claims (8)

1.一种射频功率放大器的输出匹配电路，其特征在于，其包括：
射频输入端；
射频输出端；
依次耦接于所述射频输入端和所述射频输出端的第一电感、第二电容、第三电容、第四电感；
耦接于第一电感的与第二电容耦接的连接端和接地端之间的第一电容；
耦接于第二电容的与第三电容耦接的连接端和接地端之间的第二电感；
耦接于第三电容的与第四电感耦接的连接端和接地端之间的第三电感，
射频输入端的输出电阻为第一预定值；
通过第一电感和第一电容将第一电感和第一电容的连接节点的输出电阻匹配至第二预定值；
通过第二电感和第二电容将第二电感和第二电容的连接节点的输出电阻匹配至第三预定值；
通过第三电感、第三电容、第四电感将第三电感和第三电容的连接节点的输出电阻匹配至50欧姆，第一预定值小于第二预定值，第二预定值小于第三预定值，第三预定值小于50欧姆，
第一电感和第一电容组成一个低通滤波器，第二电感和第二电容组成一个高通滤波器，第三电感和第三电容组成一个高通滤波器，第四电感能够增大频带内的平坦度，第四电感的取值取决于选择的不同的频带。
2.根据权利要求1所述的输出匹配电路，其特征在于，第一预定值的取值范围为2-5欧姆；第二预定值的取值范围为7-10欧姆；第三预定值的取值范围为18-23欧姆。
3.一种射频功率放大电路，其特征在于，其包括：
射频功率放大器；
耦接于所述射频功率放大器的输出端的输出匹配电路，
所述输出匹配电路为权利要求1-2任一所述的输出匹配电路，其中输出匹配电路的射频输入端与所述射频功率放大器的射频输出端耦接。
4.根据权利要求3所述的射频功率放大电路，其特征在于，所述射频功率放大器，其包括：
射频输入端；
射频输出端；
依次耦接于所述射频输入端和所述射频输出端之间的多级射频功率放大单元和输出滤波电路，每级射频功率放大单元均包括一双极型晶体管；
耦接于初级射频功率放大单元的双极型晶体管的集电极和基极之间的反馈电路，该反馈电路包括有模式控制端，通过调整模式控制端的电压值来调整所述反馈电路的阻抗状态，进而调整所述射频功率放大器工作在不同工作模式下。
5.根据权利要求4所述的射频功率放大电路，其特征在于，每级射频功率放大单元还包括电容、电感、偏置电路，电容的一端耦接于上一级射频功率放大单元的输出端或射频输入端，所述电容的另一端耦接于本级射频功率放大单元的双极型晶体管的基极，双极型晶体管的集电极通过所述电感耦接于电源端，双极型晶体管的发射极耦接至地，所述偏置电路的输出端耦接于本级射频功率放大单元的双极型晶体管的基极，并给所述双极型晶体管的基极提供偏置电压。
6.根据权利要求5所述的射频功率放大电路，其特征在于，所述偏置电路包括偏置双极型晶体管、第四电阻、第五电阻、第二二极管和第三二极管，其中第四电阻、第二二极管和第三二极管依次串联于参考电压和接地端之间，其中第二二极管的阳极与第四电阻相连，第三二极管的阳极与第二二极管的阴极相连，偏置双极型晶体管的基极耦接于第四电阻和一个二极管的阳极之间，偏置双极型晶体管的集电极与所述参考电压相连，所述偏置双极型晶体管的发射极通过第五电阻耦接于接地端，所述偏置双极型晶体管的发射极提供所述偏置电压。
7.根据权利要求4所述的射频功率放大电路，其特征在于，所述反馈电路包括：依次耦接于初级射频功率放大单元的双极型晶体管的基极和集电极之间的电容C1、第一电阻、第二电阻；依次耦接于模式控制端和初级射频功率放大单元的双极型晶体管的集电极之间的第三电阻和第一二极管，其中第一二极管的阳极与双极型晶体管的集电极的耦接，第三电阻和第一二极管的中间节点与第一电阻和第二电阻的中间节点耦接在一起。
8.根据权利要求7所述的射频功率放大电路，其特征在于，在所述模式控制端为高电平时，第一二极管截止，此时电容C1、第一电阻和第二电阻形成的反馈通路相对于射频信号为高阻抗状态，所述射频功率放大器工作在第一工作模式下；在所述模式控制端为低电平时，第一二极管导通，此时电容C1和第一电阻形成的反馈通路相对于射频信号为低阻抗状态，所述射频功率放大器工作在第二工作模式下，第一工作模式为高功率高增益模式，第二工作模式为高线性低增益模式。
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