CN109861651B

CN109861651B - 一种应用于5g毫米波移动通信的射频功率放大器

Info

Publication number: CN109861651B
Application number: CN201910009470.7A
Authority: CN
Inventors: 陈哲; 章国豪; 张志浩
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2039-01-04
Also published as: CN109861651A

Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，包括多路功率合成的功率放大器架构，使用微带线、电容进行预匹配，再通过多节功率合成网络把输出端匹配至50欧姆，其输入匹配网络采用增益匹配，输出网络采用谐波调谐结构；本发明提出一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，提供一种结合宽带匹配与功率合成的电路架构，采用国内成熟的GaAs工艺，能够有效地改善功率放大器带宽性能的同时提高有效输出功率，进而提供一种解决毫米波频段功率放大器增益不足、效率低下的技术方案，具有很强的创造性。

Description

一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器。

背景技术

随着信息时代的飞速发展，人们对无线通信容量提出了更高的要求，凭借频段高、容量大的优点，微波通信技术在近几十年快速发展。IMT-2020推进组定义高频段频谱为6-100GHz，30GHz以上属于毫米波频谱。随着微波系统的不断发展，小型化、高可靠性、强抗干扰能力是未来发展的趋势。毫米波波长比微波短，具有天线体积小、分辨率高、定向性强、信息量大、测量精度高、抗干扰能力强等特点，能够更好地满足新一代信息化发展的各种需求。

射频功率放大器(PA)是无线通信系统中的收发模组中的关键器件之一，且是耗能最大的模块。毫米波射频功率放大器是卫星通信领域的核心部件，应用于收发组件中发射机的末级，主要将微弱信号进行功率放大，满足发送功率的要求。PA的设计主要决定于发射机的覆盖范围和工作带宽，即应用场合的要求。对于覆盖范围较小的场合，发射机的发射功率一般较小，因此效率因素是次要的，而线性度是主要的设计指标。而对于覆盖范围较大的情况，为了克服传播过程中的各种损耗与衰落，发射机的功率通常较大，所以高输出功率是首要考虑因素，而且应该根据应用的场合来综合考虑线性度与效率。如果线性度差，则发射机会对相邻信道产生较大的干扰。像QPSK和π/4-QPSK这类的频带宽度利用率高的调制技术，需要使用线性功率放大器来使频谱再生达到最小。此外，同时处理多个频道的放大器需要是线性的，以避免交叉调制。这种情况会发生在多载波系统中，比如基站发射机、有线电视发射机和正交频分复用(OFDM)电路之中。而效率对移动设备来说也是非常重要的，因为这关系到电池的持续时间与使用寿命，也就是限制功率放大器在智能平台应用的关键问题——功耗。

在毫米波频段内，GaAs(砷化镓)器件的性能大大优于Si器件的性能，其良好的低噪声、大功率和宽频带特性，在过去数十年内，使它成为毫米波领域内最重要的半导体器件。目前，以砷化镓(GaAs)为代表的化合物半导体高频器件及电路技术已经进入了成熟期，已被大量应用于高频通信领域，尤其是移动通信和光纤通信领域。GaAs材料的饱和电子迁移率高，比硅大5至6倍，寄生电阻小；电阻率高，适合做微波无源器件的衬底；损耗低；介电常数高；还有良好的低温性能和抗辐射特性，可靠性高和优越的射频性能。在国内集成电路制造工艺方面发展成熟稳定，相比GaN工艺昂贵的价格，GaAs兼顾了成本与性能的优势，适合应用于当下新一代移动通信功率放大器的设计。

在中国发明专利CN201820464004.9中提及到一种宽带匹配射频功率放大器电路，能够有效通过阻抗匹配提高功率放大器的输出功率，但该结构并不适用于毫米波频段，也未提及到解决功率放大器效率、增益等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，本发明提供一种结合宽带匹配与功率合成的电路架构，能够有效地改善功率放大器带宽性能的同时提高有效输出功率，进而提供一种解决毫米波频段功率放大器增益不足、效率低下的技术方案。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，包括多路功率合成的功率放大器架构，使用微带线、电容进行预匹配，再通过多节功率合成网络把输出端匹配至50欧姆，其输入匹配网络采用增益匹配，输出网络采用谐波调谐结构。

优选的，所述输出网络包括二次、三次谐波抑制网络。

优选的，所述多路合成的功率放大器架构包括四路平衡式对称的功放电路，输入端通过功率分配网络分成4路，并联RC网络一端连接管子的栅端，另一端连接第一路的输入匹配网络。

优选的，所述四路平衡式对称的功放电路的1-2、2-3、3-4路的输入输出端口分别并联着隔离电阻R0，管子的源端接地，漏端连接输出匹配网络，输出端口与第2路的输出并联着隔离电阻R0，通过功率合成网络输出功率。

优选的，所述RC网络包含电阻Rg与电容Cg并联，一端接输入匹配网络，另一端接管子。

优选的，所述功率分配网络包含输入传输线和四分之一波长传输线，所述输入传输线一端连接射频信号输入端RFin，另一端连接所述四分之一波长传输线。

优选的，所述功率合成网络包括四分之一波长传输线和输出传输线，所述输出传输线连接输出端口RFout。

优选的，所述RC网络在级间匹配采用共轭匹配来提高电路增益，在射频RLC网络中一般情况下：

品质因子

带宽

在晶体管级间阻抗匹配网络中增加了RC并联网络，能够有效地降低Q值，扩宽电路带宽，增强稳定性。

优选的，所述射频功率放大器合成效率为：

Δ和θ表示两个放大器之间的幅度和相位不一致性。

本发明的有益效果为：

本发明提出一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，提供一种结合宽带匹配与功率合成的电路架构，采用国内成熟的GaAs工艺，能够有效地改善功率放大器带宽性能，保持电路稳定性的同时提高有效输出功率，有效地解决毫米波频段功率放大器增益不足、效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器的电路原理图。

其附图标号为：由传输线116、传输线102、传输线103、传输线104、传输线105组成的功率分配网络101,隔离电阻106R0，由电阻108Rg、电容107Cg组成的并联RC网络115，GaAspHEMT工艺的晶体管109M1，由传输线110、传输线111、传输线112、传输线113、传输线114构成的功率合成网络102。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提出一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，如图1。采用国内成熟的GaAs工艺设计，电路包括多路功率合成的功率放大器架构，使用微带线、电容进行预匹配，降低网络的损耗，提高合成效率；再通过多节功率合成网络把输出端匹配至50欧姆，获得最佳功率和效率匹配，同时提高电路带宽。输入匹配网络采用增益匹配设计来获得足够的增益与功率驱动后级，输出网络采用谐波调谐结构，包括二次、三次谐波抑制网络，能较好的降低功放输出的非线性。

多路合成的功率放大器架构包括四路平衡式对称的功放电路，输入端通过功率分配网络101分成4路，并联RC网络115一端连接着管子109的栅端，另一端连接着第一路的输入匹配网络。1-2、2-3、3-4路的输入输出端口分别并联着隔离电阻106R0，管子109的源端接地，漏端连接输出匹配网络，输出端口同样与第2路的输出并联着隔离电阻106R0，最后再通过功率合成网络102输出功率。其他三路同理。

并联RC网络115包含电阻108Rg与电容107Cg并联，一端接着输入匹配网络，另一端接着管子109。

功率分配网络包含了输入传输线116，四分之一波长传输线102、103、104、105。输入传输线116连接着射频信号输入端RFin，另一端连接着四分之一波长传输线102、103、104、105的并联网络。

功率合成网络102包括四分之一波长传输线110、111、112、113，输出传输线114连接着输出端口RFout。

在面临毫米波通信对高功率的需求，功率合成网络能够有效推高输出功率的同时也存在着隔离度、幅度差、相位差等引起的功率耗散问题，同时降低了输出效率。本发明提出的电路架构中采用的是一种基于改良的Wilkinson耦合器来实现PA的多路功率合成，而且使用多节微带线来增大带宽和隔离度，在本发明设计中用GaAs基底的微带线、集总元件(LRC)来实现。

本发明还包含一种有效提升电路带宽的RC网络，需要注意的是该网络的电阻Rg为小电阻，在国内GaAs工艺器件模型不够精准的情况下，需要通过稍大电阻并联来获得实际的元件值。连接在管子栅端的Rg/Cg并联网络参与到PA中的级间预匹配，驱动输入阻抗在史密斯圆图上有更低的Q值，从而扩宽电路的带宽。同时该RC并联网络能够明显提升电路稳定性。在级间匹配采用共轭匹配来提高电路增益，在射频RLC网络中一般情况下：

品质因子

带宽

放大器合成效率可近似表达为：

Δ和θ表示两个放大器之间的幅度(电压值)和相位不一致性。在本发明中采用4路功放平衡式对称设计，能够尽量低地减小幅度和相位不一致，提升功率合成效率。结合多节传输线设计兼顾良好的隔离度设计，能够提升电路带宽与功率合成效率，降低功率耗散。

本发明提出一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，关键技术点在于面向毫米波移动通信，采用国内成熟的GaAs工艺设计多路功率合成的功率放大器架构，包括高效率、低功率耗散的功率分配网络101、功率合成网络102、RC并联网络115、具有谐波抑制效益的输出匹配网络，从而实现功率放大器高输出效率、宽带的性能指标。

本发明所述电路架构基于国内成熟的GaAs工艺，包含多路功率合成的功率放大器架构、并联RC网络、功率分配网络、功率合成网络、具有谐波抑制效益的输出匹配网络。一种4路平衡式对称的功放电路，并带有隔离电阻R0，尽量低地减小幅度和相位不一致，提升功率合成效率；采用集中元件(RLC)进行预匹配设计，功率分配网络中采用多节传输线架构来实现宽带、高合成效率的性能，获得最佳功率和效率匹配，同时提高电路带宽。晶体管前端带有RC并联网络，实现电路更低的Q值，从而扩宽电路的带宽，同时能够明显提升电路稳定性。带有二次、三次谐波抑制网络，能较好的降低功放输出的非线性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，包括多路功率合成的功率放大器架构，使用微带线、电容进行预匹配，再通过多节功率合成网络把输出端匹配至50欧姆，其输入匹配网络采用增益匹配，输出网络采用谐波调谐结构；

RC网络在级间匹配采用共轭匹配来提高电路增益，在射频RLC网络中一般情况下：

品质因子

带宽

其中，L为电感，W₀为谐振频率；在晶体管级间阻抗匹配网络中增加了RC并联网络，能够有效地降低Q值，扩宽电路带宽，增强稳定性；

所述多路功率合成的功率放大器架构包括四路平衡式对称的功放电路，输入端通过功率分配网络分成4路，并联RC网络一端连接管子的栅端，另一端连接输入匹配网络；

管子的源端接地，漏端连接输出匹配网络。

2.根据权利要求1所述的应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，所述输出网络包括二次、三次谐波抑制网络。

3.根据权利要求1所述的应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，所述四路平衡式对称的功放电路的1-2、2-3、3-4路的输入输出端口分别并联着隔离电阻R0，输出端口与输出并联着隔离电阻R0，通过功率合成网络输出功率。

4.根据权利要求1所述的应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，所述RC网络包含电阻Rg与电容Cg并联，一端接输入匹配网络，另一端接管子。

5.根据权利要求1所述的应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，所述功率分配网络包含输入传输线和四分之一波长传输线，所述输入传输线一端连接射频信号输入端RFin，另一端连接所述四分之一波长传输线。

6.根据权利要求3所述的应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，所述功率合成网络包括四分之一波长传输线和输出传输线，所述输出传输线连接输出端口RFout。

7.根据权利要求1所述的应用于5G毫米波移动通信的射频功率放大器，其特征在于，所述射频功率放大器合成效率为：

Δ和θ表示两个放大器之间的幅度和相位不一致性。