CN108649905A

CN108649905A - 变压器并联合成功率放大器

Info

Publication number: CN108649905A
Application number: CN201810357370.9A
Authority: CN
Inventors: 徐鸿涛; 殷韵
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种变压器并联合成功率放大器。包括晶体管级有源部分和基于变压器并联合成的无源网络部分；有源部分采用电压模的纯模拟，数模混合或全数字类型的功率放大器实现；无源部分实现并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。本发明省去了电源调制器模块，对于宽带应用，不需要远高于信号带宽的处理能力；与传统回退效率增强的功率放大器相比，不需要四分之一波长传输线或多个变压器做阻抗变换，仅需占用单个变压器面积。本发明结构简洁、面积紧凑，能够在较宽的输出功率范围内维持较高的效率，适用于NB‑IoT、LTE、WLAN、5G等高峰均比通信应用的低成本、高效率需求。

Description

变压器并联合成功率放大器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种功率放大器电路。

背景技术

无线通信技术的迅速发展极大地改变了人们的生活，目前支持2G/3G/4G/5G移动通信、无线局域网（WLAN）、蓝牙（Bluetooth）等应用的智能手机和平板电脑已经成为人们日常生活的标准配置。随着电子设备的用户体验提升，人们对数据传输速率的需求越来越高，无线通信标准向更宽带宽和更复杂调制方向发展，如802.11ac/ax，LTE-A/LTE-pro，这给无线发射机尤其射频功率放大器（PA）的设计带来了较大挑战。例如，802.11ac标准支持的信道带宽从802.11n的40MHz增大到160MHz，调制方式更是从64QAM增加到256QAM。更宽的信道带宽和更复杂的调制方式对发射机的线性度性能提出了更高的要求。通常，为了满足较高发射功率时的线性度要求，PA需要工作在功率回退状态，造成了发射效率急剧恶化。

功率放大器是射频前端芯片中的关键电路模块，也是整个芯片中最消耗功耗的模块。随着CMOS工艺向深亚微米和纳米尺寸缩小，射频前端芯片已经逐步与数字基带芯片实现全集成，使得整个系统的成本显著降低。但是，受限于CMOS工艺的高衬底损耗、低电源电压、低击穿电压等问题，高效率的功率放大器集成一直是业界的研究难点。

目前，国内外学术界和工业界在高效率的功率放大器方面提出了多种解决方案，大致分为两类：电源调制和负载调制。电源调制技术包括包络跟踪、Class-G双电源调制等。电源调制技术通常需要实现一个线性的电源调制器，同样会遇到效率和线性度和折衷。此外，宽带应用对电源调制器的跟踪速度提出了较高要求。Doherty PA是一种负载调制技术，它通过主、从PA配合来改变不同输出功率时的负载阻抗，能够在较宽的输出功率范围内实现较高的效率。为实现主、从PA的功率合成和负载变换，Doherty PA通常需要片上集成四分之一波长传输线或至少两个变压器，因而耗费较大的芯片面积，增加应用成本。

针对上述架构存在的问题，本发明提出一种基于变压器并联合成的紧凑型功率放大器结构。与传统回退效率增强技术相比，本发明提出的功率放大器采用变压器并联合成结构，仅需占用单个变压器面积就能实现并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。除峰值功率点外，还具有一个额外的回退效率峰值点，从而提高平均发射效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种低成本、高效率的回退效率增强的变压器并联合成功率放大器。

本发明提出的变压器并联合成功率放大器，具有结构紧凑的特点，仅占用单个变压器面积就能实现并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。除峰值功率点外，还具有一个额外的回退效率峰值点，提高了平均发射效率且缩小了芯片面积。

本发明提出的变压器并联合成功率放大器，由晶体管级有源部分和基于变压器并联合成的无源网络部分组成；其中，有源部分采用电压模的纯模拟，数模混合或全数字类型的功率放大器实现；无源部分采用变压器并联合成器完成功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。

本发明终，有源部分具体包含两个完全相同的差分PA（110、111）分别作为主单元PA1（110）、从单元PA2（111）；无源网络部分由变压器并联合成器（210）和匹配电路元件（211）组成，匹配电路元件（211）接输出负载（310）；其中，变压器并联合成器（210）包含初级线圈1、初级线圈2和次级线圈，初级线圈1和初级线圈2均并联耦合到次级线圈，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗。主单元PA1（110）的正端输出与从单元从PA2（111）的负端输出通过初级线圈1相连接，从单元PA2（111）的正端输出与主单元PA1（111）的负端输出通过初级线圈2相连接，最终在次级线圈处完成功率合成，并通过匹配电路元件（211）传递给输出负载（310）。

本发明提出的回退效率增强的功率放大器，具有两个效率峰值点，分别位于峰值功率和6dB回退功率处：当处于峰值功率时，主单元PA1（110）和从单元PA2（111）均完全开启且处于满摆幅状态，此时主单元PA1（110）和从单元PA2（111）的负载阻抗相同；当处于6dB回退功率时，主单元PA1（110）完全开启，从单元PA2（111）完全关闭且输出端接地，此时主单元PA1（110）的负载阻抗增大为其峰值功率时的2倍，输出电流减小为峰值功率时的1/2，可以产生一个额外的6dB回退效率峰值点。

因此，当处于6dB回退功率时，本发明提出的回退效率增强的功率放大器的输出功率和直流功耗均减小为峰值时的1/4，可以产生一个额外的6dB回退效率峰值点，参见图3所示。与传统Class-B功率放大器相比，本发明提出的变压器并联合成回退效率增强的功率放大器显著提高了功率回退效率，且能够在较宽的输出功率范围内维持较高的效率，从而满足NB-IoT、LTE、WLAN、5G等高峰均比通信应用的需求。

本发明提出的变压器并联功率合成回退效率增强的功率放大器具有结构紧凑的特点，仅占用单个变压器面积就能完成并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。根据阻抗转换比例，该变压器并联功率合成器有多种实现方式，图4给出一种对称的实现方式。初级线圈1与初级线圈2具有良好的对称性，主单元PA1（110）和从单元PA2（111）放置于功率合成器的同侧，使得初级线圈1与初级线圈2的电流方向同相，能够起到电磁增强的作用，从而提高功率合成器的初级线圈品质因子，有效降低损耗。

有益效果

本发明提出的变压器并联合成回退效率增强技术功率放大器具有结构紧凑的特点，仅占用单个变压器面积就能实现并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。除峰值功率点外，还具有一个额外的回退效率峰值点，提高了平均发射效率且缩小了芯片面积。

本发明的优点在于与目前较多采用的包络跟踪功率放大器相比，省去了电源调制器模块，对于宽带应用，不需要远高于信号带宽的处理能力。同时，与传统回退效率增强技术的功率放大器相比，不需要四分之一波长传输线或多个变压器做阻抗变换，仅占用单个变压器面积就能实现并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。因此，本发明提出的变压器并联合成回退效率增强技术功率放大器结构简洁，面积紧凑，能够在较宽的输出功率范围内维持较高的效率，适用于NB-IoT、LTE、WLAN、5G等高峰均比通信应用的低成本、高效率需求。

附图说明

图1为变压器并联合成回退效率增强的功率放大器结构图——峰值功率。

图2为变压器并联合成回退效率增强的功率放大器结构图——6dB回退功率。

图3为变压器并联合成回退效率增强的功率放大器效率曲线及与传统Class-B功率放大器比较。

图4为变压器并联功率合成器的实现方式示例。

具体实施方式

如图1所示，变压器并联合成回退效率增强技术功率放大器由有源部分和无源部分组成。有源部分包含两个完全相同的差分PA分别作为主单元PA1（110）、从单元PA2（111），无源部分由变压器并联合成器（210）和匹配电路元件（211）组成，匹配电路元件（211）接输出负载（310）。其中，变压器并联合成器（210）包含初级线圈1、初级线圈2和次级线圈，初级线圈1和初级线圈2均并联耦合到次级线圈，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗。主单元PA1（110）的正端输出与从单元PA2（111）的负端输出通过初级线圈1相连接，从单元PA2（111）的正端输出与主单元PA1（111）的负端输出通过初级线圈2相连接，最终在次级线圈处完成功率合成，并通过匹配电路元件（211）传递给输出负载（310）。当处于峰值功率时，主单元PA1（110）和从单元PA2（111）均完全开启且处于满摆幅状态，此时主单元PA1（110）和从单元PA2（111）的负载阻抗相同。

如图2所示，当处于6dB回退功率时，主单元PA1（110）完全开启，从单元PA2（111）完全关闭且输出端接地，此时PA1（110）的负载阻抗增大为其峰值功率时的2倍，输出电流减小为峰值功率时的1/2。因此， 6dB回退功率时的输出功率和直流功耗均减小为峰值时的1/4，可以产生一个额外的6dB回退效率峰值点。

如图3所示，与传统Class-B功率放大器相比，本发明提出的变压器并联合成回退效率增强技术功率放大器具有峰值功率和6dB回退功率两个效率峰值点，能够在较宽的输出功率范围内维持较高的效率，从而满足NB-IoT、LTE、WLAN、5G等高峰均比通信应用的需求。

实施例

本发明提出的变压器并联合成回退效率增强技术功率放大器结构紧凑，仅占用单个变压器面积就能实现并联功率合成器。根据阻抗转换比例，变压器并联功率合成器有多种实现方式，图4给出一种对称的实现方式。初级线圈1与初级线圈2具有良好的对称性，主单元PA1（110）和从单元PA2（111）放置于功率合成器的同侧，使得初级线圈1与初级线圈2的电流方向同相，能够起到电磁增强的作用，从而提高功率合成器的初级线圈品质因子，有效降低损耗。

因此，本发明提出了一种低成本、高效率的变压器并联合成回退效率增强的功率放大器，仅占用单个变压器面积实现并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。除峰值功率点外，还具有一个额外的回退效率峰值点，提高了平均发射效率且缩小了芯片面积。与目前较多采用的包络跟踪功率放大器相比，省去了电源调制器模块，对于宽带应用，不需要远高于信号带宽的处理能力。与传统回退效率增强技术的功率放大器相比，不需要四分之一波长传输线或多个变压器做阻抗变换，仅需占用单个变压器面积。因此，本发明提出的变压器并联合成回退效率增强技术功率放大器结构简洁，面积紧凑，能够在较宽的输出功率范围内维持较高的效率，适用于NB-IoT、LTE、WLAN、5G等高峰均比通信应用的低成本、高效率需求。

Claims

1.一种变压器并联合成功率放大器，其特征在于，由晶体管级有源部分和基于变压器并联合成的无源网络部分组成；其中，有源部分采用电压模的纯模拟，数模混合或全数字类型的功率放大器实现；无源部分采用变压器并联合成器完成功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。

2.根据权利要求1所述的变压器并联合成功率放大器，其特征在于，所述有源部分包含两个完全相同的差分PA分别作为主单元PA1（110）和从单元PA2（111）；无源网络部分由变压器并联合成器（210）和匹配电路元件（211）组成，匹配电路元件（211）接输出负载（310）；其中，变压器并联合成器（210）包含初级线圈1、初级线圈2和次级线圈，初级线圈1和初级线圈2均并联耦合到次级线圈，初级线圈与次级线圈的匝数比取决于功率放大器的最优阻抗；主单元PA1（110）的正端输出与从单元从PA2（111）的负端输出通过初级线圈1相连接，从单元PA2（111）的正端输出与主单元PA1（111）的负端输出通过初级线圈2相连接，最终在次级线圈处完成功率合成，并通过匹配电路元件（211）传递给输出负载（310）。

3.根据权利要求2所述的变压器并联合成功率放大器，其特征在于，具有两个效率峰值点，分别位于峰值功率和6dB回退功率处：当处于峰值功率时，主单元PA1（110）和从单元PA2（111）均完全开启且处于满摆幅状态，此时主单元PA1（110）和从单元PA2（111）的负载阻抗相同；当处于6dB回退功率时，主单元PA1（110）完全开启，从单元PA2（111）完全关闭且输出端接地，此时主单元PA1（110）的负载阻抗增大为其峰值功率时的2倍，输出电流减小为峰值功率时的1/2，从而产生一个额外的6dB回退效率峰值点。

4.根据权利要求3所述的变压器并联合成功率放大器，其特征在于，该所述变压器并联合成器为对称形式：初级线圈1与初级线圈2具有对称性，主单元PA1（110）和从单元PA2（111）放置于变压器并联合成器的同侧，使得初级线圈1与初级线圈2的电流方向同相，用以增强电磁，提高功率合成器的初级线圈品质因子，降低损耗。