CN108574471B - 用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器 - Google Patents

用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，包括平衡‑不平衡转换器、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2。平衡‑不平衡转换器的第一输入端依次通过电感L1、电容C1与第二输入端相连接。平衡‑不平衡转换器的第一输出端依次通过电感L2、电容C2与第二输出端相连接。平衡‑不平衡转换器的第二输出端接地。平衡‑不平衡转换器、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2集成在基板上。电感L1、电感L2分别与平衡‑不平衡转换器相叠。该谐波滤波器的三次、二次谐波串联谐振网路镶嵌在Balun的内部空间，减小了谐波滤波器的集成面积。

Description

用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器
技术领域
本发明涉及射频功放滤波技术领域，尤其涉及用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器。
背景技术
近几年，随着无线通信技术的快速发展，相应市场产品不断丰富，如手机、平板电路、射频识别（RFID）、短距离无线通信和数据传输、数字电视（DVB）、无线局域网（WLAN）等等。这些领域对产品的性能、功耗、体积以及成本等的要求越来越高，促进了无线收发机朝着小型化、低功耗、低成本方向迈进，从而给产品设计带来了极大挑战；而射频集成电路（RFIC）正是为应对这一挑战而发展起来的，成为近十年来的热门研究领域。射频集成电路技术将越来越多的由原来分离原件实现的无线收发功能集成到单一芯片当中，使得系统朝着高集成度方向前进，从而降低产品的成本、功耗、体积。
射频功率放大器作为无线收发机中的关键模块之一，它的发射功率、线性度、杂散抑制等性能指标关系到整个发射机的性能。由于射频功率放大器本身所具有的非线性特性使得其容易产生较高的二次和三次谐波，该谐波的泄露往往会干扰到其它通信系统，因此在系统设计上我们需要将其降低能量降低到一定门限。目前主流的实现方案一般需要设计一个额外的滤波器将其信号滤掉。然而，随着半导体工艺的进步，数字电路等有源器件的尺寸不断缩小，从而使无线芯片的面积大幅度缩小。受限于设计的难度，该谐波滤波器要么用片外器件实现，要么需要占据大面积的芯片设计空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，该谐波滤波器在Balun(即平衡-不平衡转换器，俗称巴伦)的输入端、输出端分别接有三次谐波串联谐振网路、二次谐波串联谐振网路，解决了射频功率放大器产生的二次和三次谐波对其它通信系统产生干扰的问题；并且三次谐波串联谐振网路、二次谐波串联谐振网路镶嵌在Balun的内部空间，解决了现有谐波滤波器集成面积过大的问题。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，包括平衡-不平衡转换器、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2。平衡-不平衡转换器的第一输入端依次通过第一电感L1、第一电容C1与第二输入端相连接。平衡-不平衡转换器的第一输出端依次通过第一电感L2、第一电容C2与第二输出端相连接。平衡-不平衡转换器的第一输入端、第二输入端分别接收射频功率放大器的差分输出信号；平衡-不平衡转换器的第一输出端用于连接天线，第二输出端接地。平衡-不平衡转换器、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2集成在基板上。第一电感L1、第二电感L2分别与平衡-不平衡转换器相叠。
进一步地，第一电容C1插入平衡-不平衡转换器的第一输入端与第二输入端之间，第二电容C2插入平衡-不平衡转换器的第一输出端与第二输出端之间。
进一步地，平衡-不平衡转换器包含第一绕组，第二绕组。第一绕组、第二绕组分别在基板上形成若干圈的迹线。
进一步地，第一绕组，第二绕组对称地设置在基板上。
进一步地，平衡-不平衡转换器的第一输入端为正相输入端，第二输入端为反相输入端，第一输出端为正相输出端，第二输出端为反相输出端。
进一步地，第一电感L1、第二电感L2分别在基板上形成若干圈的迹线。第一电感L1位于靠近第一绕组的第一端子、第二端子的位置。第二电感L2位于靠近第二绕组的第一端子、第二端子的位置。第一电感L1与第二电感L2的分布位置之间有间隔。
进一步地，第一绕组的第一端子、第二端子位于第一绕组的同一侧且相互平行。第二绕组的第一端子、第二端子位于第二绕组的同一侧且相互平行。第一绕组的两个端子位于第二绕组的两个端子相对的一侧。
本发明的有益效果：
该谐波滤波器在Balun的输入端、输出端分别接有三次谐波串联谐振网路、二次谐波串联谐振网路，有效抑制射频功率放大器产生的二次和三次谐波，提高了传输效率；并且三次谐波串联谐振网路、二次谐波串联谐振网路镶嵌在Balun的内部空间，减小了谐波滤波器的集成面积。
附图说明
图1为本发明的电路原理示意图。
图2为本发明的俯视平面示意图。
图3为现有的用于射频功率放大电路的滤波器的电路原理示意图。
图4为本发明的示例电气特性图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，包括差分转单端信号的平衡-不平衡转换器（Balun）、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2。
平衡-不平衡转换器的第一输入端依次通过第一电感L1、第一电容C1与第二输入端相连接。平衡-不平衡转换器的第一输出端依次通过第一电感L2、第一电容C2与第二输出端相连接。平衡-不平衡转换器的第一输入端、第二输入端分别接收射频功率放大器(PA)的差分输出信号；平衡-不平衡转换器的第一输出端用于连接天线，第二输出端接地。
第一电感L1、第一电容C1构成三次谐波谐振网路，用于滤除PA输出的三次谐波。第二电感L2、第一电容C2构成二次谐波谐振网路，用于滤除PA输出的二次谐波。电容C1和电容C2作为PA输出阻抗匹配网路的一部分，提供Balun的感性特性所需的电容；这样，Balun不依赖于本身电感值，使得第一电感L1、第二电感L2的电感值与Balun所需电感值相互独立。
具体地，平衡-不平衡转换器的第一输入端为正相输入端INP，第二输入端为反相输入端INN，第一输出端为正相输出端OUTP，第二输出端为反相输出端OUTN。
如图2所示，平衡-不平衡转换器、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2集成在基板上。
第一电感L1、第二电感L2分别与平衡-不平衡转换器相叠。第一电容C1插入平衡-不平衡转换器的第一输入端与第二输入端之间。第二电容C2插入平衡-不平衡转换器的第一输出端与第二输出端之间。使得三次谐波谐振网路、二次谐波谐振网路充分利用平衡-不平衡转换器的自身空间内。
具体地，平衡-不平衡转换器包含第一绕组，第二绕组。第一绕组为平衡-不平衡转换器的初级绕组，第一绕组的第一端子为平衡-不平衡转换器的第一输入端，第一绕组的第二端子为平衡-不平衡转换器的第二输入端。第二绕组为平衡-不平衡转换器的次级绕组，第二绕组的第一端子为平衡-不平衡转换器的第一输出端，第二绕组的第二端子为平衡-不平衡转换器的第二输出端。第一绕组在基板上形成若干圈的迹线(图中只示意了一圈的迹线)；第二绕组也在基板上形成若干圈的迹线(图中只示意了一圈的迹线)。第二绕组在基板上所形成迹线的圈数是第一绕组在基板上所形成迹线的圈数的N倍；因此，平衡-不平衡转换器产生1：N的阻抗变换率。
第一绕组，第二绕组对称地设置在基板上。第一绕组的第一端子、第二端子位于第一绕组的同一侧且相互平行。第二绕组的第一端子与第二端子位于第二绕组的同一侧且相互平行。第一绕组的两个端子位于第二绕组的两个端子相对的一侧。
第一电感L1在基板上形成若干圈的迹线(图中只示意了一圈的迹线)；第二电感L2也在基板上形成若干圈的迹线(图中只示意了一圈的迹线)。
第一电感L1位于靠近第一绕组的第一端子、第二端子的位置；第二电感L2位于靠近第二绕组的第一端子、第二端子的位置。第一电感L1与第二电感L2的分布位置之间有间隔。
较佳地，第一绕组、第二绕组、第一电感L1、第二电感L2形成每圈迹线呈方形。在其它的实施例中第一绕组、第二绕组、第一电感L1、第二电感L2形成每圈迹线也可以呈椭圆形、圆形等。
本发明的电路工作原理：
射频功率放大器(PA)输出的差分输出信号f0输入到平衡-不平衡转换器的第一输入端、第二输入端，通过1：N平衡-不平衡转换将信号传输到第一输出端所接的天线上。由于CMOS集成电路中MOS管的非线性，射频功率放大器(PA)会产生除f0之外的三次（3f0）和二次（2f0）谐波，为了滤出这些谐波信号从而降低对其他无线设备的干扰，本发明将三次谐波谐振网路、二次谐波谐振网路分别设计在了Balun的输入和输出端。根据差分功率放大器的谐波特性，其差分输出端产生的二次谐波同相位、三次谐波相位相反；二次谐波谐振网路、三次谐波谐振网路刚好能同时衰减其信号。
现有的用于射频功率放大电路的滤波器如图2所示，不加谐波，由Balun、第一电容C1、第二电容C2组成。其输入输出频率响应如图4中箭头1所指的虚线所示。本发明通过电感和电容串联产生谐振，形成一个低阻抗点，如图4中箭头2所指的的实线所示，可以看出通过合理的L1、C1、L2、C2值设计，可以将频率响应的凹点刚好设定在2f0和3f0处，从而达到较好的谐波抑制作用，可以衰减2f0和3f0处的信号，达到谐波抑制的作用。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其它改进和变化均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
包括平衡-不平衡转换器、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2；
平衡-不平衡转换器的第一输入端依次通过第一电感L1、第一电容C1与第二输入端相连接；
平衡-不平衡转换器的第一输出端依次通过第一电感L2、第一电容C2与第二输出端相连接；
平衡-不平衡转换器的第一输入端、第二输入端分别接收射频功率放大器的差分输出信号；平衡-不平衡转换器的第一输出端用于连接天线，第二输出端接地；
平衡-不平衡转换器、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2集成在基板上；
第一电感L1、第二电感L2分别与平衡-不平衡转换器相叠。
2.根据权利要求1所述的用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
第一电容C1插入平衡-不平衡转换器的第一输入端与第二输入端之间，第二电容C2插入平衡-不平衡转换器的第一输出端与第二输出端之间。
3.根据权利要求1所述的用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
平衡-不平衡转换器包含第一绕组，第二绕组；
第一绕组、第二绕组分别在所述基板上形成若干圈的迹线。
4.根据权利要求3所述的用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
第一绕组，第二绕组对称地设置在所述基板上。
5.根据权利要求1所述的用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
平衡-不平衡转换器的第一输入端为正相输入端，第二输入端为反相输入端，第一输出端为正相输出端，第二输出端为反相输出端。
6.根据权利要求3所述的用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
第一电感L1、第二电感L2分别在所述基板上形成若干圈的迹线；
第一电感L1位于靠近第一绕组的第一端子、第二端子的位置；
第二电感L2位于靠近第二绕组的第一端子、第二端子的位置；
第一电感L1与第二电感L2的分布位置之间有间隔。
7.根据权利要求3所述的用于射频功率放大电路的全集成谐波滤波器，其特征在于：
第一绕组的第一端子、第二端子位于第一绕组的同一侧且相互平行；
第二绕组的第一端子、第二端子位于第二绕组的同一侧且相互平行；
第一绕组的两个端子位于第二绕组的两个端子相对的一侧。
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