CN110391787B - 一种功率合成器及功率放大器集成电路 - Google Patents

一种功率合成器及功率放大器集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率合成器，包括4n个功率放大器，变压器匹配网络以及功率输出电路；其中，n为正整数；各功率放大器的输出端经过变压器匹配网络合成为一路后连接功率输出电路的输入端；变压器匹配网络包括至少一级并联网络。相较于现有技术中将多个功率放大器的输出端串联合一的方式进行器件堆叠，本发明设计包括至少一路并联网络的变压器匹配网络，使变压器匹配网络参与各功率放大器的阻抗变换匹配，从而使得功率放大器堆叠网络能够在器件频带内实现更宽范围的阻抗，有助于单个功率放大器在最佳匹配阻抗的状态下获得最大PAE，降低了整个功率放大器堆叠网络的损耗。本发明还公开了一种功率放大器集成电路，具有上述有益效果。

Description

一种功率合成器及功率放大器集成电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种功率合成器及功率放大器集成电路。
背景技术
随着移动通信技术的快速、多元化发展，通信系统对通信质量和信息处理的要求越来越高，对系统的线性度要求也越来越严格。毫米波频带的第五代(5G)蜂窝系统可以实现每秒千兆位的无线链路，用于5G移动上行链路的相控阵发射机需要高输出功率和高效功率放大器(PA)，以减小尺寸和功耗。
由于毫米波在空间传输时损耗非常大，因此为了加大传输距离，对毫米波功率放大器的输出功率提出了很高要求，可以说毫米波功率放大器是整个毫米波系统中关键的部件之一。目前，单个固态器件的输出功率因受到散热、阻抗匹配、工艺的限制而无法达到应用要求。为了增加输出功率，可以使用更大的器件，但更高的阻抗变换比和增加的寄生效应会降低功率放大器的增益和带宽。由此，本领域技术人员采用器件堆叠的方式以实现更高的功率放大效果。
图1为一种现有技术中的功率合成器的电路图。如图1所示，以四路功率放大器为例，现有技术中的器件堆叠的方式是将四个功率放大器(PA1、PA2、PA3、PA4)的输出端各自通过LC变换电路(包括第一电容CT和第一匹配电感Li)与变压器的输入端串联，变压器的输出端连接功率输出电路(包括第二电感Lo2、第二电容CP和变换负载电阻RL)。通过四路功率放大器输出串联合一的方式，实现了四个功率放大器的输出堆叠效果。然而，在利用这种通过器件堆叠的方式实现更高的功率放大效果时，单个功率放大器的增益和线性度相较于非堆叠形式大大降低，导致堆叠网络的损耗较大。
如何降低功率放大器堆叠网络的损耗，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率合成器及功率放大器集成电路，用于降低功率放大器堆叠网络的损耗。
为解决上述技术问题，本发明提供一种功率合成器，包括4n个功率放大器，变压器匹配网络以及功率输出电路；
其中，n为正整数；各所述功率放大器的输出端经过所述变压器匹配网络合成为一路后连接所述功率输出电路的输入端；所述变压器匹配网络包括至少一级并联网络。
可选的，所述变压器匹配网络包括一级串联网络和一级并联网络；
其中，所述串联网络包括两个一级变压器，所述并联网络包括两个第一匹配电感；一个所述一级变压器分别对应2n个所述功率放大器和一个所述第一匹配电感，且一个所述一级变压器的输入端分别与2n个所述功率放大器的输出端串联，一个所述一级变压器的输出端与一个所述第一匹配电感的第一端连接，两个所述第一匹配电感的第二端均与所述功率输出电路的输入端连接，所述一级变压器的输入端与所述一级变压器的输出端之间反极性连接。
可选的，所述变压器匹配网络包括m级串联网络和一级并联网络；
其中，第i级串联网络包括2n/i个i级变压器，第m级串联网络包括两个m级变压器，所述并联网络包括两个第一匹配电感；一个一级变压器对应两个所述功率放大器，一个i+1级变压器对应两个所述i级变压器，一个所述m级变压器对应一个所述第一匹配电感，且一个所述一级变压器的输入端分别与两个所述功率放大器的输出端串联，一个所述i+1级变压器的输入端分别与两个所述i级变压器的输出端串联，一个所述m级变压器的输出端与一个所述第一匹配电感的第一端连接，两个所述第一匹配电感的第二端均与所述功率输出电路的输入端连接，所述i级变压器的输入端与所述i级变压器的输出端之间反极性连接；
m为正整数且4n为2的m+1次方，i为正整数且i小于或等于m-1。
可选的，还包括设于所述功率放大器的输出端与所述变压器匹配网络之间的LC变换电路，且所述LC变换电路与所述功率放大器一一对应；
其中，所述LC变换电路包括第一电容和第一电感，所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均与所述功率放大器的输出端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第一电感的第二端与所述变压器匹配网络的输入端连接。
可选的，所述功率输出电路具体包括第二电感、第二电容和变换负载电阻；
其中，所述第二电感的第一端为所述功率输出电路的输入端，所述第二电感的第二端、所述第二电容的第一端和所述变换负载电阻的第一端连接，所述第二电容的第二端和所述变换负载电阻的第二端均接地。
可选的，n为1。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种功率放大器集成电路，包括上述任意一项所述的功率合成器，还包括与各功率放大器的输入端连接的驱动电路。
本发明所提供的功率合成器，包括4n个功率放大器，变压器匹配网络以及功率输出电路；其中，n为正整数；各功率放大器的输出端经过变压器匹配网络合成为一路后连接功率输出电路的输入端；变压器匹配网络包括至少一级并联网络。相较于现有技术中将多个功率放大器的输出端串联合一的方式进行器件堆叠，本发明设计包括至少一路并联网络的变压器匹配网络，使变压器匹配网络参与各功率放大器的阻抗变换匹配，从而使得功率放大器堆叠网络能够在器件频带内实现更宽范围的阻抗，有助于单个功率放大器在最佳匹配阻抗的状态下获得最大PAE(射频输出功率与耗散的直流功率之比)，降低了整个功率放大器堆叠网络的损耗。本发明还提供一种功率放大器集成电路，具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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为一种现有技术中的功率合成器的电路图；
图2为本发明实施例提供的第一种功率合成器的电路图；
图3为本发明实施例提供的一种变压器等效模型；
图4(a)为本发明实施例提供的一种图2中电路的阻抗变换轨迹图；
图4(b)为本发明实施例提供的一种图1中电路的阻抗变换轨迹图；
图5为本发明实施例提供的第二种功率合成器的电路图；
图6为本发明实施例提供的第三种功率合成器的电路图；
图7为本发明实施例提供的一种功率放大器集成电路的电路图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种功率合成器及功率放大器集成电路，用于降低功率放大器堆叠网络的损耗。
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，所描述的实施例仅仅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做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。
图2为本发明实施例提供的第一种功率合成器的电路图；图3为本发明实施例提供的一种变压器等效模型；图4(a)为本发明实施例提供的一种图2中电路的阻抗变换轨迹图；图4(b)为本发明实施例提供的一种图1中电路的阻抗变换轨迹图。
本发明实施例提供的功率合成器包括4n个功率放大器，变压器匹配网络以及功率输出电路；
其中，n为正整数；各功率放大器的输出端经过变压器匹配网络合成为一路后连接功率输出电路的输入端；变压器匹配网络包括至少一级并联网络。
在具体实施中，变压器匹配网络可以包括一级串联网络和一级并联网络；
其中，串联网络包括两个一级变压器，并联网络包括两个第一匹配电感；一个一级变压器分别对应2n个功率放大器和一个第一匹配电感，且一个一级变压器的输入端分别与2n个功率放大器的输出端串联，一个一级变压器的输出端与一个第一匹配电感的第一端连接，两个第一匹配电感的第二端均与功率输出电路的输入端连接，一级变压器的输入端与一级变压器的输出端之间反极性连接。
进一步的，本发明实施例提供的功率合成器还包括设于功率放大器的输出端与变压器匹配网络之间的LC变换电路，且LC变换电路与功率放大器一一对应；
其中，LC变换电路包括第一电容和第一电感，第一电容的第一端和第一电感的第一端均与功率放大器的输出端连接，第一电容的第二端接地，第一电感的第二端与变压器匹配网络的输入端连接。
功率输出电路具体包括第二电感、第二电容和变换负载电阻；
其中，第二电感的第一端为功率输出电路的输入端，第二电感的第二端、第二电容的第一端和变换负载电阻的第一端连接，第二电容的第二端和变换负载电阻的第二端均接地。
如图2所示，同样以四路功率放大器为例，即n为1，则串联网络中包括两个一级变压器，并联网络中包括两个第一匹配电感。将功率放大器PA1和功率放大器PA2的输出端经过LC变换电路(包括第一电容CT和第一电感Li)与一个一级变压器的输入端连接，将功率放大器PA3和功率放大器PA4的输出端经过LC变换电路(包括第一电容CT和第一电感Li)与另一个一级变压器的输入端连接，将两个一级变压器的输出端分别经两个第一匹配电感Lo1反向并联后连接功率输出电路的输入端，即第二电感Lo2的第一端，功率输出电路还包括第二电容CP和变换负载电阻RL。
为设计和共同优化变压器和匹配网络，利用图3所示的概念图进行说明。如图3所示，Unit PA为单元功率放大器，其输出阻抗为Zopt；虚线框中为变压器等效模型，包括电感LS1、电感Lm、电感LS2、电容CS；LoT、CPT均为匹配元件，与变压器等效模型一同参与匹配；在K路串联M路并联的组合器中，单元功率放大器Unit PA所需匹配的阻抗RLT＝RL×(K/M)。
采用本发明实施例提供的图2中的双向串联、双向并联的功率合成器，即K＝2，M＝2，则输出电感Lo、容抗CPT用于阻抗变换匹配阻抗RLT，其余部件均为寄生效应等效部件，则单元功率放大器Unit PA所需匹配的阻抗RLT＝RL。单元功率放大器Unit PA的阻抗变换轨迹如图4(a)所示，根据①至⑤的变换轨迹绘制电导圈。
采用图1所示的四合一串联的功率合成器，即K＝4，M＝1，则对应图3中的第一电容CT、第一电感Li和变压器等效模型中的电感Lm用于阻抗变换，其余部件均为寄生效应等效部件，则单元功率放大器Unit PA所需匹配的阻抗RLT＝4RL，即采用图1所示的四合一串联的功率合成器，在相同的功率合成效果下，单元功率放大器Unit PA需要匹配更大的输出阻抗。单元功率放大器Unit PA的阻抗变换轨迹如图4(b)所示，可以看到，四合一串联堆叠方式下的阻抗变换轨迹超出了基于图2中的双向串联、双向并联的功率合成器的阻抗变换轨迹所绘制的电导圈，同样说明了本发明实施例提供的双向串联、双向并联的功率合成器相较于现有技术中四合一串联的功率合成器，单元功率放大器Unit PA所需匹配的阻抗更小，由此有助于在单元功率放大器Unit PA的最佳输出阻抗Zopt下实现最大PAE(射频输出功率与耗散的直流功率之比)。
本发明实施例提供的功率合成器，包括4n个功率放大器，变压器匹配网络以及功率输出电路；其中，n为正整数；各功率放大器的输出端经过变压器匹配网络合成为一路后连接功率输出电路的输入端；变压器匹配网络包括至少一级并联网络。相较于现有技术中将多个功率放大器的输出端串联合一的方式进行器件堆叠，本发明实施例设计包括至少一路并联网络的变压器匹配网络，使变压器匹配网络参与各功率放大器的阻抗变换匹配，从而使得功率放大器堆叠网络能够在器件频带内实现更宽范围的阻抗，有助于单个功率放大器在最佳匹配阻抗的状态下获得最大PAE，降低了整个功率放大器堆叠网络的损耗。
图5为本发明实施例提供的第二种功率合成器的电路图。
在上述实施例的基础上，本发明实施例提供一种n＝2，即包括八路功率放大器的功率合成器。
如图5所示，当n＝2时，串联网络包括两个一级变压器，并联网络中包括两个第一匹配电感。将功率放大器PA1至PA4的输出端经过LC变换电路(包括第一电容CT和第一电感Li)与一个一级变压器的输入端连接，将功率放大器PA5至PA8的输出端经过LC变换电路(包括第一电容CT和第一电感Li)与另一个一级变压器的输入端连接，将两个一级变压器的输出端分别经两个第一匹配电感Lo1反向并联后连接功率输出电路的输入端，即第二电感Lo2的第一端，功率输出电路还包括第二电容CP和变换负载电阻RL。第一匹配电感Lo1与第二电感Lo2合成为输出电感Lo。
在图5所示的连接下，即K＝4，M＝2，则单元功率放大器Unit PA所需匹配的阻抗RLT＝2RL。同上，如采用现有技术中的方案，则对于八路功率放大器的功率合成器，采用八合一串联合成的方式，则单元功率放大器Unit PA所需匹配的阻抗RLT＝8RL。
图6为本发明实施例提供的第三种功率合成器的电路图。
在上述实施例的基础上，在另一实施例中，还可以采用多级串联网路与一级并联网络结合的方式实现变压器参与匹配。在本发明实施例提供的功率合成器中，变压器匹配网络包括m级串联网络和一级并联网络；
其中，第i级串联网络包括2n/i个i级变压器，第m级串联网络包括两个m级变压器，并联网络包括两个第一匹配电感；一个一级变压器对应两个功率放大器，一个i+1级变压器对应两个i级变压器，一个m级变压器对应一个第一匹配电感，且一个一级变压器的输入端分别与两个功率放大器的输出端串联，一个i+1级变压器的输入端分别与两个i级变压器的输出端串联，一个m级变压器的输出端与一个第一匹配电感的第一端连接，两个第一匹配电感的第二端均与功率输出电路的输入端连接，i级变压器的输入端与i级变压器的输出端之间反极性连接；
m为正整数且4n为2的m+1次方，i为正整数且i小于或等于m-1。
如图6所示，当n＝2即对于八路功率放大器进行合成时，变压器匹配网络包括二级串联网络和一级并联网络；
其中，第一级串联网络包括四个一级变压器，第二级串联网络包括两个二级变压器；各一级变压器的输入端分别与两个功率放大器的输出端串联，一个二级变压器的输入端与两个一级变压器的输出端串联，两个二级变压器的输出端分别通过两个第一匹配电感双向并联连接至第二电感的第一端。
上述实施例给出了变压器匹配网络包括一级并联网络的实施方案，在此基础上，采用多级并联网络与串联网络组合的变压器匹配网络，均属于本发明的保护范围。
上文详述了功率合成器对应的各个实施例，在此基础上，本发明还公开了与上述功率合成器对应的功率放大器集成电路。
图7为本发明实施例提供的一种功率放大器集成电路的电路图。
本发明实施例提供的功率放大器集成电路包括上述任意一项实施例所述的功率合成器，还包括与各功率放大器的输入端连接的驱动电路。
如图7所示，以四路功率放大器合成为例，驱动级包括两路驱动电路，前级驱动电压Vbias_1分别通过运算放大器D1和D2后输出驱动电压Vbias_2，一路驱动电路连接两路功率放大器的输入端。
输出级的连接参考图2即可，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种功率合成器及功率放大器集成电路进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (5)

1.一种功率合成器，其特征在于，包括4n个功率放大器，变压器匹配网络以及功率输出电路；
其中，n为正整数；各所述功率放大器的输出端经过所述变压器匹配网络合成为一路后连接所述功率输出电路的输入端；所述变压器匹配网络包括至少一级并联网络；
所述变压器匹配网络包括一级串联网络和一级并联网络；其中，所述串联网络包括两个一级变压器，所述并联网络包括两个第一匹配电感；一个所述一级变压器分别对应2n个所述功率放大器和一个所述第一匹配电感，且一个所述一级变压器的输入端分别与2n个所述功率放大器的输出端串联，一个所述一级变压器的输出端与一个所述第一匹配电感的第一端连接，两个所述第一匹配电感的第二端均与所述功率输出电路的输入端连接，所述一级变压器的输入端与所述一级变压器的输出端之间反极性连接；
或，所述变压器匹配网络包括m级串联网络和一级并联网络；其中，第i级串联网络包括2n/i个i级变压器，第m级串联网络包括两个m级变压器，所述并联网络包括两个第一匹配电感；一个一级变压器对应两个所述功率放大器，一个i+1级变压器对应两个所述i级变压器，一个所述m级变压器对应一个所述第一匹配电感，且一个所述一级变压器的输入端分别与两个所述功率放大器的输出端串联，一个所述i+1级变压器的输入端分别与两个所述i级变压器的输出端串联，一个所述m级变压器的输出端与一个所述第一匹配电感的第一端连接，两个所述第一匹配电感的第二端均与所述功率输出电路的输入端连接，所述i级变压器的输入端与所述i级变压器的输出端之间反极性连接；m为正整数且4n为2的m+1次方，i为正整数且i小于或等于m-1。
2.根据权利要求1所述的功率合成器，其特征在于，还包括设于所述功率放大器的输出端与所述变压器匹配网络之间的LC变换电路，且所述LC变换电路与所述功率放大器一一对应；
其中，所述LC变换电路包括第一电容和第一电感，所述第一电容的第一端和所述第一电感的第一端均与所述功率放大器的输出端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第一电感的第二端与所述变压器匹配网络的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的功率合成器，其特征在于，所述功率输出电路具体包括第二电感、第二电容和变换负载电阻；
其中，所述第二电感的第一端为所述功率输出电路的输入端，所述第二电感的第二端、所述第二电容的第一端和所述变换负载电阻的第一端连接，所述第二电容的第二端和所述变换负载电阻的第二端均接地。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的功率合成器，其特征在于，n为1。
5.一种功率放大器集成电路，其特征在于，包括权利要求1至4任意一项所述的功率合成器，还包括与各功率放大器的输入端连接的驱动电路。
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