CN109842380A - 一种实现hpue的功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种实现HPUE的功率放大电路，实施例一包括前置开关、宽带功率放大器、窄带功率放大器和射频开关。所述前置开关用来将射频输入信号或者引入宽带功率放大器，或者引入窄带功率放大器。所述宽带功率放大器用来为无HPUE要求的频段的射频信号提供功率放大。所述窄带功率放大器用来为有HPUE要求的频段的射频信号提供功率放大。所述射频开关连接在宽带功率放大器的后方，用来将宽带功率放大器的输出信号连接到相应频段通道对外输出。本申请由窄带功率放大器为有HPUE要求的频段单独建立HPUE通路，HPUE通路中无射频开关，因此可为HPUE通路减少输出损耗，提高发射效率。整个功率放大电路无需采用直流‑直流升压器，降低了成本，减少了效率损失。

Description

一种实现HPUE的功率放大电路

技术领域

本申请涉及一种功率放大电路，特别是涉及一种能够实现HPUE（high power userequipment，高功率用户设备）的功率放大电路。

背景技术

在移动通信网络中，用户设备（UE，User Equipment）需要与基站（BS，BaseStation）通信。当用户设备发射信号时，基站作为接收端。当基站发射信号时，用户设备作为接收端。发射信号的功率越大，能传输的距离越远。通常，基站的发射功率远大于用户设备的发射功率。用户设备的发射功率较小，从而限制了其与基站之间的通信距离。

请参阅图1，LTE网络的用户设备的最大发射功率（即最大上行输出功率，上行指从用户设备到基站方向）一般限制为PC3（Power Class 3，功率等级三）即23dBm。如果能实现HPUE的PC2（Power Class 2，功率等级二），即将用户设备的最大发射功率提升为26dBm，那么用户设备与基站之间的通讯范围会增加30%。进一步地，如果能实现HPUE的PC1（PowerClass 1，功率等级一），即将用户设备的最大发射功率提升为31dBm，那么用户设备与基站之间的通讯范围会增加80%。这相当于保持同样的信号质量的前提下，增加30%或80%的信号覆盖率。因此，HPUE技术可以增加基站利用率，节约基站设置成本。

功率放大器的输出功率为电压与电流之积，要提升输出功率，可以提高供电电压和/或供电电流。目前用户设备中的功率放大器通常采用GaAs（砷化镓）HBT（Heterojunction Bipolar Transistor，异质结双极晶体管）工艺来实现，过高的供电电压会使砷化镓HBT击穿。因此若要提高功率放大器的供电电压来提升输出功率以实现HPUE，就要求必须有耐压更高的砷化镓HBT工艺。

为了节约用户设备的成本和面积，用户设备中常用一颗宽带功率放大器和射频开关来实现多个相邻频段的放大与切换输出。Band7频段的上行频率范围是2500～2570MHz，下行频率范围是2620～2690MHz。Band38频段的频率范围是2570～2620MHz。Band40频段的频率范围是2300～2400MHz。Band41频段的频率范围是2496～2690MHz。这四个频段的频率范围较为接近，因此可以采用一个功率放大电路为这四个频段的射频信号提供功率放大，所述功率放大电路例如主要由一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的宽带功率放大器和一个3P4T（3 poles 4 throws，三刀四掷）开关所组成。

请参阅图2，这是一种现有的实现HPUE的功率放大电路，用来为Band7、Band38、Band40、Band41四个频段提供功率放大。其包括宽带功率放大器21、直流-直流升压器22和射频开关23。其中，直流-直流升压器22例如是一颗独立的升压芯片，用来将电源电压VCC升压至9V左右，为宽带功率放大器21提供供电电压。宽带功率放大器21例如采用cascode（共源共栅）架构来实现高耐压特性。由于宽带功率放大器21的9V供电电压远大于电源电压VCC，因此可用来提升输出功率即实现HPUE。射频开关23在两个控制端口TRX1和TRX2的信号控制下，用来将宽带功率放大器21的输出信号连接到Band7、Band38、Band40、Band41四个通道中的仅一个通道对外输出。

请参阅图3，这是另一种现有的实现HPUE的功率放大电路，也是用来为Band7、Band38、Band40、Band41四个频段提供功率放大。其包括宽带功率放大器31、直流-直流升压器32和射频开关33。其中，直流-直流升压器32例如是一颗独立的升压芯片，用来将电源电压VCC升压至4.2V左右，为宽带功率放大器31提供供电电压。宽带功率放大器31的4.2V供电电压比电源电压VCC更大，因此可用来提升输出功率即实现HPUE。射频开关33在两个控制端口TRX1和TRX2的信号控制下，用来将宽带功率放大器31的输出信号连接到Band7、Band38、Band40、Band41四个通道中的仅一个通道对外输出。

公开号为US20170250653A1、公开日为2017年8月31日的美国专利申请《Dual-ModeEnvelope Tracking Power Management Circuit》（双模包络跟踪功率管理电路）中，公开了一种支持HPUE的双模包络跟踪功率管理电路，支持NPUE（Normal-Power UserEquipment，正常功率用户设备）模式和HPUE模式。在HPUE模式下，通过提高供电电压来提升输出功率。

以上实现HPUE的功率放大电路具有如下缺点。第一，为了满足频率范围相近的多个频段的射频信号放大需求，采用了宽带功率放大器，其效率比窄带功率放大器要低。第二，采用直流-直流升压芯片来提高宽带功率放大器的供电电压，从而提升用户设备的输出功率即实现HPUE。直流-直流升压芯片不仅增加了制造成本，其在工作时由于转化效率的限制还降低了整个功率放大电路的效率，导致整体耗电增加。供电电压的提高也使得功率放大器必须具有耐高压的特性，这需要采用特殊的砷化镓工艺和/或特殊的电路架构，进一步增加了制造成本。第三，在宽带功率放大器后增加了射频开关来切换不同频段的输出。射频开关不仅增加了制造成本，还会带来额外的输出损耗，导致功率放大电路的效率降低。例如Band41频段的通路上由于射频开关的存在会导致输出功率衰减0.5dB左右。宽带功率放大器比窄带功率放大器的输出功率又衰减0.3dB左右。而HPUE比NPUE的功率高出3dB，因此图2或图3所示电路中的宽带功率放大器需要比常规功率放大器的输出功率多3.8dB（也就是常规功率放大器的输出功率的2.4倍）才能实现HPUE。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种能够实现HPUE的功率放大电路，一方面省略直流-直流升压芯片，降低成本的同时提高效率；另一方面减少HPUE通路的输出损耗，提高效率；最后可以采用常规砷化镓HBT工艺实现，不需要高耐压的特性。

为解决上述技术问题，本申请实现HPUE的功率放大电路的实施例一包括前置开关、宽带功率放大器、窄带功率放大器和射频开关。所述前置开关用来将射频输入信号或者引入宽带功率放大器，或者引入窄带功率放大器。所述宽带功率放大器用来为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供功率放大。所述窄带功率放大器用来为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供功率放大。所述射频开关连接在宽带功率放大器的后方，用来将宽带功率放大器的输出信号连接到相应频段通道对外输出。

进一步地，前置开关是一个SP2T开关。当射频输入信号为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将其引入宽带功率放大器。当射频输入信号为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将其引入窄带功率放大器。前置开关用来根据各频段是否有HPUE要求选择不同的功率放大器。

优选地，所述窄带功率放大器是一个频率范围在2496～2690MHz的功率放大器，仅用来为Band41一个频段的射频信号提供功率放大。在实施例一中，有HPUE要求的频段仅为Band41频段。采用窄带功率放大器可减少插入损耗，提高效率。

优选地，所述宽带功率放大器是一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的功率放大器，用来为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号提供功率放大。在实施例一中，无HPUE要求的频段包括Band7、Band38和Band40频段。采用宽带功率放大器可提高集成度、减少面积、降低成本。

优选地，射频开关是一个3P3T开关。当射频输入信号为Band7频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器的输出端连接到Band7通路对外输出。当射频输入信号为Band38频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器的输出端连接到Band38通路对外输出。当射频输入信号为Band40频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器的输出端连接到Band40通路对外输出。射频开关用来切换无HPUE要求的频段放大后的射频信号。

优选地，宽带功率放大器、窄带功率放大器和驱动级集成到一颗裸片上。这不仅可以提高整个功率放大电路的集成度，还能减小面积、降低成本。

本申请实现HPUE的功率放大电路的实施例二包括驱动级、前置开关、宽带功率放大器输出级、窄带功率放大器输出级和射频开关。所述驱动级接收射频输入信号并对其进行第一级功率放大。所述前置开关用来将驱动级的输出信号或者引入宽带功率放大器，或者引入窄带功率放大器。所述宽带功率放大器输出级用来为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供第二级功率放大。所述窄带功率放大器输出级用来为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供第二级功率放大。所述射频开关连接在宽带功率放大器输出级的后方，用来将宽带功率放大器输出级的输出信号连接到相应频段通道对外输出。

进一步地，前置开关是一个SP2T开关。当射频输入信号为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将驱动级的输出信号引入宽带功率放大器。当射频输入信号为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将驱动级的输出信号引入窄带功率放大器。前置开关用来根据各频段是否有HPUE要求选择不同的功率放大器。

优选地，所述窄带功率放大器输出级是一个频率范围在2496～2690MHz的功率放大器，仅用来为Band41一个频段的射频信号提供功率放大。在实施例二中，有HPUE要求的频段仅为Band41频段。采用窄带功率放大器可减少插入损耗，提高效率。

优选地，所述宽带功率放大器输出级是一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的功率放大器，用来为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号提供功率放大。在实施例二中，无HPUE要求的频段包括Band7、Band38和Band40频段。采用宽带功率放大器可提高集成度、减少面积、降低成本。

优选地，射频开关是一个3P3T开关。当射频输入信号为Band7频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器输出级的输出端连接到Band7通路对外输出。当射频输入信号为Band38频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器输出级的输出端连接到Band38通路对外输出。当射频输入信号为Band40频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器输出级的输出端连接到Band40通路对外输出。射频开关用来切换无HPUE要求的频段放大后的射频信号。

优选地，宽带功率放大器输出级、窄带功率放大器输出级、驱动级、前置开关集成到一颗裸片上。这不仅可以提高整个功率放大电路的集成度，还能减小面积、降低成本。

本申请取得的技术效果是：由窄带功率放大器为有HPUE要求的一个或多个频段单独建立HPUE通路，HPUE通路中无射频开关，因此可为HPUE通路减少输出损耗，提高发射效率。整个功率放大电路无需采用直流-直流升压器，降低了成本，减少了效率损失；也可使HPUE通路中的放大器件采用常规砷化镓HBT工艺实现，进一步降低了制造成本与工艺复杂度。

附图说明

图1是用户设备在不同的上行输出功率下的通信范围示意图。

图2是一种现有的实现HPUE的功率放大电路的结构示意图。

图3是另一种现有的实现HPUE的功率放大电路的结构示意图。

图4是本申请实现HPUE的功率放大电路的实施例一的结构示意图。

图5是本申请实现HPUE的功率放大电路的实施例二的结构示意图。

图中附图标记说明：21为宽带功率放大器；22为直流-直流升压器；23为射频开关；31为宽带功率放大器； 32为直流-直流升压器；33为射频开关；41为前置开关；42为宽带功率放大器；43为窄带功率放大器；44为射频开关；51为驱动级；52为前置开关；53为宽带功率放大器输出级；54为窄带功率放大器输出级；55为射频开关。

具体实施方式

请参阅图4，这是本申请实现HPUE的功率放大电路的实施例一。所述功率放大电路用来为Band7、Band38、Band40、Band41四个频段提供功率放大，并可在Band41频段实现输出功率的提升即实现HPUE。

图4所示的实现HPUE的功率放大电路的实施例一包括前置开关41、宽带功率放大器42、窄带功率放大器43和射频开关44。

所述前置开关41用来将射频输入信号RFIN或者引入宽带功率放大器42，或者引入窄带功率放大器43。前置开关41例如是一个SP2T（single pole two throws，单刀双掷）开关。当射频输入信号RFIN为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号时，前置开关41将其引入宽带功率放大器42。当射频输入信号RFIN为Band41频段的射频信号时，前置开关41将其引入窄带功率放大器43。

所述宽带功率放大器42用来为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号提供功率放大，例如是一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的宽带功率放大器。

所述窄带功率放大器43仅用来为Band41一个频段的射频信号提供功率放大，例如是一个频率范围在2496～2690MHz的窄带功率放大器。窄带功率放大器43的输出端直接对外输出，即当射频输入信号RFIN为Band41频段的射频信号时，窄带功率放大器43的输出端作为Band41通路直接对外输出。

所述宽带功率放大器42和窄带功率放大器43均采用正常的电源电压VCC供电。

所述射频开关44连接在宽带功率放大器42的输出端的后方，受到两个控制端口TRX1和TRX2的信号控制，用来将宽带功率放大器42的输出信号连接到Band7、Band38、Band40三个通道中的仅一个通道对外输出。射频开关44例如是一个3P3T（three polesthree throws，三刀三掷）开关。当射频输入信号RFIN为Band7频段的射频信号时，射频开关44将宽带功率放大器42的输出端连接到Band7通路对外输出。当射频输入信号RFIN为Band38频段的射频信号时，射频开关44将宽带功率放大器42的输出端连接到Band38通路对外输出。当射频输入信号RFIN为Band40频段的射频信号时，射频开关44将宽带功率放大器42的输出端连接到Band40通路对外输出。

上述实施例一中，宽带功率放大器42和窄带功率放大器43优选采用同样工艺来实现，并可连同前置开关41集成到一颗裸片（DIE）上。这样可进一步降低成本。当然，宽带功率放大器42和窄带功率放大器43也可分别在两颗裸片上制造实现。

请参阅图5，这是本申请实现HPUE的功率放大电路的实施例二。所述功率放大电路用来为Band7、Band38、Band40、Band41四个频段提供功率放大，并可在Band41频段实现输出功率的提升即实现HPUE。

图5所示的实现HPUE的功率放大电路的实施例二包括驱动级51、前置开关52、宽带功率放大器输出级53、窄带功率放大器输出级54和射频开关55。

所述驱动级51用来接收射频输入信号RFIN并对其进行第一级功率放大后输出给前置开关52。不论射频输入信号RFIN是属于Band7、Band38、Band40、Band41四个频段中的哪一个频段，都要经过驱动级51的第一级功率放大。这也相当于使宽带功率放大器和窄带功率放大器共用了驱动级。

所述前置开关52用来将驱动级51的输出信号或者引入宽带功率放大器42，或者引入窄带功率放大器43。前置开关52例如是一个SP2T开关。当射频输入信号RFIN为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号时，前置开关52将驱动级51的输出信号引入宽带功率放大器42。当射频输入信号RFIN为Band41频段的射频信号时，前置开关52将驱动级51的输出信号引入窄带功率放大器43。

所述宽带功率放大器输出级53用来为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号提供第二级功率放大，例如是一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的宽带功率放大器。

所述窄带功率放大器输出级54仅用来为Band41一个频段的射频信号提供第二级功率放大，例如是一个频率范围在2496～2690MHz的窄带功率放大器。窄带功率放大器输出级54的输出端直接对外输出，即当射频输入信号RFIN为Band41频段的射频信号时，窄带功率放大器输出级54的输出端作为Band41通路直接对外输出。

所述宽带功率放大器输出级53和窄带功率放大器输出级54均采用正常的电源电压VCC供电。

所述射频开关55连接在宽带功率放大器输出级53的输出端的后方，受到两个控制端口TRX1和TRX2的信号控制，用来将宽带功率放大器输出级53的输出信号连接到Band7、Band38、Band40三个通道中的仅一个通道对外输出。射频开关55例如是一个3P3T开关。当射频输入信号RFIN为Band7频段的射频信号时，射频开关55将宽带功率放大器输出级53的输出端连接到Band7通路对外输出。当射频输入信号RFIN为Band38频段的射频信号时，射频开关55将宽带功率放大器输出级53的输出端连接到Band38通路对外输出。当射频输入信号RFIN为Band40频段的射频信号时，射频开关55将宽带功率放大器输出级53的输出端连接到Band40通路对外输出。

上述实施例二中，宽带功率放大器输出级53和窄带功率放大器输出级54优选采用同样工艺来实现，并可连同驱动级51、前置开关52集成到一颗裸片（DIE）上。通过使宽带功率放大器输出级53和窄带功率放大器输出级54以及两者共用的驱动级51、前置开关52集成在一颗裸片上，可进一步降低成本。当然，宽带功率放大器输出级53和窄带功率放大器输出级54也可分别在两颗裸片上制造实现。

与现有的实现HPUE的功率放大电路相比，本申请具有如下特点。

其一，将没有HPUE要求的Band7、Band38、Band40频段的功率放大由宽带功率放大器执行，通路切换由射频开关执行；将具有HPUE要求的Band41频段的功率放大改为由新增的窄带功率放大器执行，并省略了射频开关。窄带功率放大器比宽带功率放大器可以减少约0.3dB的插入损耗，省略射频开关又能减少约0.5dB的插入损耗，因此HPUE通路总计减少了约0.8dB的插入损耗，这使得HPUE通路的发射效率得到提高。本申请中新增的前置开关41或52的插入损耗不会影响HPUE通路的效率，这是因为前置开关的插入损耗在输入端，输入端的插入损耗不会影响HPUE通路的效率。

其二，没有采用直流-直流升压芯片，不仅降低了成本，而且避免了引入直流-直流升压芯片后带来的效率降低的缺陷。

其三，由于省略了直流-直流升压芯片，宽带功率放大器和窄带功率放大器均采用常规的电源电压VCC，因此可以采用常规砷化镓HBT工艺实现，不需要高耐压的特殊工艺或特殊架构。

其四，即便HPUE通路可减少约0.8dB的插入损耗，仍需要窄带功率放大器输出级比常规功率放大器的输出功率多3dB左右，这是由于HPUE比NPUE的功率高出3dB。为实现HPUE，就需要提高窄带功率放大器输出级的输出电流。这需要增加窄带功率放大器输出级的面积，增大其过电流能力，同时在电路和版图设计上进行热平衡的优化，从而解决电流增大后的散热问题。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种实现HPUE的功率放大电路，其特征是，包括前置开关、宽带功率放大器、窄带功率放大器和射频开关；

所述前置开关用于将射频输入信号引入宽带功率放大器，或者引入窄带功率放大器；

所述宽带功率放大器用于为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供功率放大；

所述窄带功率放大器用于为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供功率放大；

所述射频开关连接在宽带功率放大器的后方，用于将宽带功率放大器的输出信号连接到相应频段通道对外输出。

2.根据权利要求1所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，前置开关是一个SP2T开关；当射频输入信号为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将其引入宽带功率放大器；当射频输入信号为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将其引入窄带功率放大器。

3.根据权利要求1所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，所述窄带功率放大器是一个频率范围在2496～2690MHz的功率放大器，仅用来为Band41一个频段的射频信号提供功率放大。

4.根据权利要求1所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，所述宽带功率放大器是一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的功率放大器，用来为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号提供功率放大。

5.根据权利要求4所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，射频开关是一个3P3T开关；当射频输入信号为Band7频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器的输出端连接到Band7通路对外输出；当射频输入信号为Band38频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器的输出端连接到Band38通路对外输出；当射频输入信号为Band40频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器的输出端连接到Band40通路对外输出。

6.根据权利要求1所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，宽带功率放大器、窄带功率放大器和驱动级集成到一颗裸片上。

7.一种实现HPUE的功率放大电路，其特征是，包括驱动级、前置开关、宽带功率放大器输出级、窄带功率放大器输出级和射频开关；

所述驱动级接收射频输入信号并对其进行第一级功率放大；

所述前置开关用来将驱动级的输出信号引入宽带功率放大器，或者引入窄带功率放大器；

所述宽带功率放大器输出级用来为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供第二级功率放大；

所述窄带功率放大器输出级用来为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号提供第二级功率放大；

所述射频开关连接在宽带功率放大器输出级的后方，用来将宽带功率放大器输出级的输出信号连接到相应频段通道对外输出。

8.根据权利要求7所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，前置开关是一个SP2T开关；当射频输入信号为无HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将驱动级的输出信号引入宽带功率放大器；当射频输入信号为有HPUE要求的一个或多个频段的射频信号时，前置开关将驱动级的输出信号引入窄带功率放大器。

9.根据权利要求7所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，所述窄带功率放大器输出级是一个频率范围在2496～2690MHz的功率放大器，仅用来为Band41一个频段的射频信号提供功率放大。

10.根据权利要求7所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，所述宽带功率放大器输出级是一个频率范围在2.3GHz～2.7GHz的功率放大器，用来为Band7、Band38、Band40三个频段的射频信号提供功率放大。

11.根据权利要求10所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，射频开关是一个3P3T开关；当射频输入信号为Band7频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器输出级的输出端连接到Band7通路对外输出；当射频输入信号为Band38频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器输出级的输出端连接到Band38通路对外输出；当射频输入信号为Band40频段的射频信号时，射频开关将宽带功率放大器输出级的输出端连接到Band40通路对外输出。

12.根据权利要求7所述的实现HPUE的功率放大电路，其特征是，宽带功率放大器输出级、窄带功率放大器输出级、驱动级、前置开关集成到一颗裸片上。