CN111446929A - 一种射频功率放大器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频功率放大器及控制方法，该放大器包括至少两级用于对射频输入信号进行放大并输出射频信号的放大电路和开关网络，所述开关网络在放大器处于高功率模式时使各级放大电路均处于工作状态；所述开关网络在放大器工作于低功率模式时使一级放大电路处于工作状态。本发明提供的射频功率放大器通过开关网络控制放大器在低功率模式只有一级放大电路处于工作状态，其功耗和增益都可以控制在较低的水平。对于差分结构的功率放大器，一般在低功率模式（LPM）下，增益大概18dB，电源电压0.6V时对应的电流为70mA。本发明提供的射频功率放大器可以将增益降到10dB（LPM一般要求13‑15dB），电源电压0.6V时的电流可以降低到50mA。

Description

一种射频功率放大器及控制方法

技术领域

本发明属于电子电路领域，尤其是涉及一种射频功率放大器及控制方法。

背景技术

功率放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，使输出功率控制在特定的范围内；功率放大器由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成；被广泛用于通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

射频功率放大（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分，在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

射频功率放大是发送设备的重要组成部分，射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能的小，以避免对其他频道产生干扰。

射频放大器一般包括两级或两级以上放大电路，其工作模式一般包括：高功率模式和低功率模式。目前，射频放大器厂商在设计放大器的低功率模式时，通常采用“为第一级/第二级放大电路分别配置独立的低功率模式偏置电路”的方式，这种方式可以一定程度上降低放大器的功耗，但是仍然不够低，因为这种方式下的第一级/第二级放大器均需要通电，而且低功率模式要求放大器具有比较低的增益（放大倍数），但是上述方法下由于两级放大电路均处于工作状态，其增益仍然较高。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明在此的目的在于提供一种低功率模式的功耗显著低于高功率模式的射频功率放大器。

为实现本发明的目的在此提供的射频功率放大器包括至少两级用于对射频输入信号进行放大并输出射频信号的放大电路和开关网络，所述开关网络在放大器处于高功率模式时使各级放大电路均处于工作状态；所述开关网络在放大器工作于低功率模式时使各级放大电路中的某一级放大电路处于工作状态。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器还包括在放大器工作于高功率模式时将射频输入信号匹配至第一级放大电路的高功率模式输入匹配电路。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器还包括在放大器工作于低功率模式时将射频输入信号匹配至处于工作状态的放大电路的低功率模式输入匹配电路。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器，所述开关网络包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3，在功率放大器工作于高功率模式时，所述第一开关S1闭合，所述第二开关S2和所述第三开关S3断开，使各级放大电路均处于工作状态；在功率放大器工作于低功率模式时，所述第一开关S1断开，所述第二开关S2和所述第三开关S3闭合，使各级放大电路中的某一级处于工作状态；在功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号依次经所述第二开关S2、所述低功率模式输入匹配电路和所述第三开关S3输入处于工作状态的放大电路。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号依次经所述开关网络和所述低功率模式输入匹配电路输入，或者射频信号依次经所述低功率模式输入匹配电路和所述开关网络输入。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器还包括在放大器工作于高功率模式时为每级放大电路提供偏置信号的高频偏置电路。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器还包括在放大器工作于低功率模式时为处于工作状态的放大电路提供偏置信号的低频偏置电路。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器还包括串联于相邻两级放大电路之间的中间级匹配电路。

进一步的，本发明提供的射频功率放大器还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路用于对最后一级放大电路输出的射频信号进行输出匹配。

本发明的有益效果包括：

本发明提供的射频功率放大器通过开关网络控制放大器在低功率模式只有一级放大电路处于工作状态，其功耗和增益都可以控制在较低的水平。对于差分结构的功率放大器，一般在低功率模式（LPM）下，增益大概18dB，电源电压0.6V时对应的电流为70mA。本发明提供的射频功率放大器可以将增益降到10dB（LPM一般要求13-15dB），电源电压0.6V时的电流可以降低到50mA。

本发明提供的射频功率放大器为不同模式匹配了不同的偏置（高频偏置电路、低频偏置电路），实现了对两种不同模式的适配，进一步保证了高功率模式的增益，低功率模式下的低功率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：

图1为本发明提供的射频功率放大器的原理图一；

图2为本发明提供的射频功率放大器的原理图二；

图3为本发明提供的射频功率放大器的原理图三；

图4为本发明提供的射频功率放大器的原理图四；

图5为本发明提供的射频功率放大器的原理图五；

图6为本发明提供的射频功率放大器的原理图六；

图7为本发明提供的射频功率放大器的原理图七；

图8为本发明提供的射频功率放大器的原理图八；

图9为本发明提供的射频功率放大器的原理图九；

图10为本发明提供的射频功率放大器的原理图十；

图11为本发明提供的射频功率放大器的原理图十一；

图12为本发明提供的射频功率放大器的原理图十二；

图13为本发明提供的射频功率放大器的原理图十三；

图14为本发明提供的射频功率放大器的原理图十四；

图15为本发明提供的射频功率放大器的原理图十五；

图16为本发明提供的低功率模式输入匹配电路F的电路原理图之一；

图17为本发明提供的低功率模式输入匹配电路F的电路原理图之二；

图18为本发明提供的低功率模式输入匹配电路F的电路原理图之三；

图19为本发明提供的低功率模式输入匹配电路F的电路原理图之四；

图20为本发明提供的低功率模式输入匹配电路F的电路原理图之五；

图21为本发明提供的高频偏置电路/低频偏置电路的电路原理图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

本发明为了解决现有的射频功率放大器处于低功率模式时，功耗高，增益仍然较高的技术问题，提供了一种射频功率放大器，该功率放大器实现了在低功率模式下，功率放大器中只有一级放大电路处于工作状态，使其功耗和增益均可以控制在较低的水平。

本发明提供的射频功率放大器包括至少两级用于对射频输入信号进行放大并输出射频信号的放大电路和开关网络，开关网络在放大器处于高功率模式时使各级放大电路均处于工作状态；开关网络在放大器工作于低功率模式时使各级放大电路中的某一级放大电路处于工作状态。

本文在此结合附图1所示的两级用于对射频输入信号进行放大并输出射频信号的放大电路对本发明提供的射频功率放大器进行详细的说明。

两级放大电路分别为第一级放大电路B、第二级放大电路D，第一级放大电路B和第二级放大电路D串联。与放大电路相匹的，开关网络包括第一开关S1和第二开关S2；射频输入信号分别经第一开关S1、第二开关S2输入第一级放大电路B、第二级放大电路D；第一开关S1/第二开关S2受控制信号的控制实现闭合/断开，具体是：当功率放大器处于高功率模式时，控制信号控制第一开关S1闭合，第二开关S2断开，射频输入信号经第一开关S1输入第一级放大电路B，依次经第一级放大电路B、第二级放大电路D进行放大后经第二级放大电路D输出；当功率放大器处于低功率模式时，控制信号控制第一开关S1断开，第二开关S2闭合，射频输入信号经第一开关S2输入第二级放大电路D进行放大后输出。在此，第一开关S1、第二开关S2的控制信号经控制器提供。

以上射频功率放大器结构通过第一开关S1和第二开关S2实现了在不同模式下的切换。在两种模式下可以复用第二级放大电路D，复用的放大电路可以采用差分结构，如图13所示，保证了射频功率放大器结构的PAE。

如图2-11所示，本文中的射频功率放大器还包括以下功能电路中的一个或任意组合；其中图2为包含了以下高功率模式输入匹配电路A的原理图，图3为包含了以下低功率模式输入匹配电路F的原理图，图4、图5为包含了以下中间级匹配电路C的原理图，图6为包含了以下高频偏置电路的原理图，图7为包含了以下低频偏置电路的原理图；图8为包含了以下输出匹配电路E的原理图，图9为包含了以下高功率模式输入匹配电路A、低功率模式输入匹配电路F、中间级匹配电路C和输出匹配电路E的原理图，图10为包含了以下高频偏置电路和低频偏置电路的原理图，图11包含了以下所有功能电路的原理图。

高功率模式输入匹配电路A，在功率放大器工作于高功率模式时，将经开关网络输入的射频输入信号匹配至第一级放大电路；

低功率模式输入匹配电路F，在功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号经开关网络和低功率模式输入匹配电路F匹配至处于工作状态的放大电路，结合图1所示原理图，在功率放大器工作于低功率模式时，将经第二开关S2输入的射频输入信号匹配至第二级放大电路D；

中间级匹配电路C，串联于相邻两级放大电路之间，用于匹配相邻两级放大电路之间的放大信号；结合低功率模式输入匹配电路F时，可以在功率放大器工作于低功率模式时，经开关网络输入的射频输入信号经低功率模式输入匹配电路F和中间级匹配电路C匹配至处于工作状态的放大电路；或者结合低功率模式输入匹配电路F时，在功率放大器工作于低功率模式时，经开关网络输入的射频输入信号经低功率模式输入匹配电路F匹配至处于工作状态的放大电路；

高频偏置电路，用于在功率放大器工作于高功率模式时为每级放大电路提供偏置信号；结合图1所示原理图，分别配置第一级高频偏置电路G、第二级高频偏置电路H；分别在功率放大器工作于高功率模式时为第一级放大电路B和第二级放大电路D提供偏置信号；

低频偏置电路，用于在功率放大器工作于低功率模式时为处于工作状态的放大电路提供偏置信号；结合1所示原理图，配置第二级低频偏置电路I，在功率放大器工作于低功率模式时为处于工作状态的第二级放大电路D提供偏置信号；

输出匹配电路E，用于对经放大电路处理后最后一级放大电路输出的射频信号进行输出匹配；结合图1所示原理图，输出匹配电路E用于对第二级放大电路D输出的射频信号进行输出匹配，形成射频输出。

以上高频偏置电路和低频偏置电路的工作状态受控制信号控制，在本发明一实施例中控制信号由控制器产生；如功率放大器工作于高功率模式时，控制器输出控制信号控制第一级高频偏置电路G、第二级高频偏置电路H为第一级放大电路B和第二级放大电路D提供偏置信号；如功率放大器工作于低功率模式时，控制器输出控制信号控制第二级低频偏置电路I为第二级放大电路D提供偏置信号。

在此以本发明提供的射频功率放大器包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第一级放大电路B、第二级放大电路D、高功率模式输入匹配电路A、低功率模式输入匹配电路F、中间级匹配电路C、第一级高频偏置电路G、第二级高频偏置电路H、第二级低频偏置电路I和输出匹配电路E为例对本发明提供的射频功率放大器进行详细说明，具体电路结构包括如下三种：

1. 如图12所示，高功率模式输入匹配电路A包括电容C1、电容C2和电感L1；低功率模式输入匹配电路F包括电容C8、电容C9和电感L5；第一级放大电路B包括三极管Q1；中间级匹配电容C包括电容C3；第二级放大电路D包括三极管Q2；输出匹配电路E包括电容C6、电容C7、电感L4和电感L6；第一级高频偏置电路G为第一级放大电路B提供偏置信号；第二级高频偏置电路H、第二级低频偏置电路I为第二级放大电路D提供偏置信号，第二级高频偏置电路H和第二级低频偏置电路I分别通过电阻R1、电阻R2为第二级放大电路D提供偏置信号。第二级高频偏置电路H在功率放大器工作于高功率模式时，为第二级放大电路D提供偏置信号；第二级低频偏置电路I在功率放大器工作于低功率模式时，为第二级放大电路D提供偏置信号。该结构构成了单端放大器。

第一开关S1的一端作为输入端，用于射频输入信号加载，另一端接电容C1的第一极板，电容C1的第二极板接电容C2的第一极板并经电感L1接地；电容C2的第二极板接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极经电感L2接电源VCC1并作为输出端接电容C3的第一极板，电容C3的第二极板接三极管Q2的基极；三极管Q2的发射极接地，集电极经电感L3接电源VCC2，并作为输出端接电容C6的第一极板；电容C6的第二极板接电感L6的一端，并经电感L4接地；电感L6的另一端作为输出端输出放大后的射频信号并经电容C7接地。

第二开关S2的一端作为输入端，用于射频输入信号加载，另一端接电容C8的第一极板，电容C8的第二极板接电容C9的第一极板，并经电感L5接地，电容C9的第二极板接电容C3的第一极板。

当功率放大器工作于高功率模式时，第一开关S1闭合、第二开关S2断开，第一级高频偏置电路G和第二级高频偏置电路H分别为第一放大电路B和第二放大电路D提供偏置信号。射频输入信号经高功率模式输入匹配电路A、第一放大电路B、中间级匹配电路C、第二放大电路D和输出匹配电路E后射频输出。

当功率放大器工作于低功率模式时，第一开关S1断开、第二开关S2闭合，第二级低频偏置电路I为第二放大电路D提供偏置信号。射频输入信号经低功率模式输入匹配电路F、中间级匹配电路C、第二放大电路D和输出匹配电路E后射频输出。

2.如图13所示，高功率模式输入匹配电路A包括电容C1、电容C2和电感L1；低功率模式输入匹配电路F包括电容C8、电容C9和电感L5；第一级放大电路B包括三极管Q1；中间级匹配电容C包括变压器T1、电容C3、电容C4和电容C5；第二级放大电路D包括三极管Q2和三极管Q3；输出匹配电路E包括变压器T2、电容C6、电容C7和电容C10；第一级高频偏置电路G为第一级放大电路B提供偏置信号；第二级高频偏置电路H、第二级低频偏置电路I为第二级放大电路D提供偏置信号，第二级高频偏置电路H通过电阻R1为三极管Q2提供偏置信号和第二级低频偏置电路I通过电阻R2为三极管Q2提供偏置信号，第二级高频偏置电路通过电阻R3为三极管Q3提供偏置信号和第二级低频偏置电路I通过电阻R4为三极管Q3提供偏置信号。第二级高频偏置电路H在功率放大器工作于高功率模式时，为第二级放大电路D提供偏置信号；第二级低频偏置电路I在功率放大器工作于低功率模式时，为第二级放大电路D提供偏置信号。该结构构成了差分放大器，对于差分结构的功率放大器，一般在低功率模式（LPM）下，增益大概18dB，电源电压0.6V时对应的电流为70mA。采用本专利可以将增益降到10dB（LPM一般要求13-15dB），电源电压0.6V时的电流可以降低到50mA。

第一开关S1的一端作为输入端，用于射频输入信号加载，另一端接电容C1的第一极板，电容C1的第二极板接电容C2的第一极板并经电感L1接地；电容C2的第二极板接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极作为输出端接变压器T1的1端，变压器T1的1端经电容C3接地，2端接电源VCC1；变压器T1的3端经电容C4接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，集电极作为输出端接变压T2的1端；变压器T1的4端经电容C5接三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，集电极作为输出端接变压器T2的2端；变压器T2的抽头5接电源VCC2，电容C10串联于变压器T2的1端和2端之间；变压器T2的3端、4端作为输出端输出射频信号，并分别经电容C7和电容C6接地。

第二开关S2的一端作为输入端，用于射频输入信号加载，另一端接电容C8的第一极板，电容C8的第二极板接电容C9的第一极板，并经电感L5接地，电容C9的第二极板接变压器T1的1端。

此电路结构的工作原理与结构一种的电路工作原理相同，当功率放大器工作于高功率模式时，射频输入信号经高功率模式输入匹配电路A、第一放大电路B、中间级匹配电路C、第二放大电路D和输出匹配电路E后射频输出。当功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号经低功率模式输入匹配电路F、中间级匹配电路C、第二放大电路D和输出匹配电路E后射频输出。

3.此结构与以上第1种、第2种结构存在的区别在于：该结构中第二开关S2和第三开关S3与低功率模式输入匹配电路F处于一条支路，分别连接于低功率模式输入匹配电路F的输入端和输出端，具体结构如图14、15所示。当功率放大器工作于高功率模式时，第二开关S2断开，或第三开关S3断开，或者第二开关S2和第三开关S3均断开；当功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号经第二开关S2、低功率模式输入匹配电路F、第三开关S3、中间级匹配电路C、第二放大电路D和输出匹配电路E后射频输出。在低功率模式输入匹配电路F的输入输出端分别连接第二开关S2、第三开关S3，使得在高功率模式下，低功率模式输入匹配电路F不会影响高功率模式输入匹配电路A和中间级匹配电路C的匹配网络，保证了功率放大器的效率，尤其是在高功率模式下第二开关S2和第三开关S3均断开，更保证了功率放大器的效率。

除以上记载的低功率模式输入匹配电路F的电路结构，本文提供的低功率模式输入匹配电路F还可以为以下结构之一：

1）如图16所示，低功率模式输入匹配电路F包括电容C8、电容C9和电感L5，电容C8的第一极板作为输入端，用于加载射频输入信号，电容C8的第二极板接电容C9的第一极板，并经电感L5接地；电容C9的第二极板接第二开关S2的一端，第二开关S2的另一端用于与中间级匹配电路C连接，或与第二级放大电路D连接；

2）如图17所示，低功率模式输入匹配电路F包括电容C8和电容C9，电容C8的第一极板作为输入端，用于加载射频输入信号，电容C8的第二极板经第二开关S2接电容C9的第一极板，电容C9的第二极板用于与中间级匹配电路C连接，或与第二级放大电路D连接；

3）如图18所示，低功率模式输入匹配电路F包括电阻R5，电阻R5的一端接第二开关S2的输出端，另一端用于与中间级匹配电路C连接，或与第二级放大电路D连接；

4）如图19所示，低功率模式输入匹配电路F包括电阻C8，电容C8的第一极板接第二开关S2的输出端，第二极板用于与中间级匹配电路C连接，或与第二级放大电路D连接；

3）如图20所示，低功率模式输入匹配电路F包括电感L5，电感L5的一端接第二开关S2的输出端，另一端用于与中间级匹配电路C连接，或与第二级放大电路D连接。

本文记载的第一级高频偏置电路G、第二级高频偏置电路H、第二级低频偏置电路I可以采用现有的任何一种，本文在此采用如图21所示的偏置电路。如图21所示，包括二极管D1、二极管D2和三极管Q4，二极管D1的阳极接电源，阴极接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极接地；二极管D1的阳极还与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的发射极接地集电极作为输出端用于向放大电路提供偏置信号。

高频偏置电路、低频偏置电路的输出电压、电流以及电阻根据对应的模式进行适配设置即可。

本文为不同的模式匹配了不同的偏置电路，实现了对两种不同模式的适配，进一步保证了高功率的增益，低功率模式下的低功率。

本文中记载的“各级放大电路中的某一级放大电路处于工作状态”中的“某一级放大电路”是指多级放大电路中的一级，结合本文以本发明提供的射频功率放大器包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第一级放大电路B、第二级放大电路D、高功率模式输入匹配电路A、低功率模式输入匹配电路F、中间级匹配电路C、第一级高频偏置电路G、第二级高频偏置电路H、第二级低频偏置电路I和输出匹配电路E为例，功率放大器工作于低功耗模式时，“各级放大电路中的某一级放大电路处于工作状态”中的“某一级放大电路”是第二级放大电路D； “第一级放大电路”是指处于电路中第一的放大电路，如附图12-15中的“第一级放大电路B”。

本文公开的射频功率放大器通过控制开关在不同的工作模式下导通状态，实现了在功率放大器工作于低功率模式时，功率放大器中仅一路放大电路处于工作状态，降低了电路的功耗及增益。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种射频功率放大器，其特征在于，该放大器包括至少两级用于对射频输入信号进行放大并输出射频信号的放大电路和开关网络，所述开关网络在放大器处于高功率模式时使各级放大电路均处于工作状态；所述开关网络在放大器工作于低功率模式时使各级放大电路中的某一级放大电路处于工作状态。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：还包括在放大器工作于高功率模式时将射频输入信号匹配至第一级放大电路的高功率模式输入匹配电路。

3.根据权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：还包括在放大器工作于低功率模式时将射频输入信号匹配至处于工作状态的放大电路的低功率模式输入匹配电路。

4.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：所述开关网络包括第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3，在功率放大器工作于高功率模式时，所述第一开关S1闭合，所述第二开关S2和所述第三开关S3断开，使各级放大电路均处于工作状态；在功率放大器工作于低功率模式时，所述第一开关S1断开，所述第二开关S2和所述第三开关S3闭合，使各级放大电路中的某一级处于工作状态；在功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号依次经所述第二开关S2、所述低功率模式输入匹配电路和所述第三开关S3输入处于工作状态的放大电路。

5.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号依次经所述开关网络和所述低功率模式输入匹配电路输入，或者射频信号依次经所述低功率模式输入匹配电路和所述开关网络输入。

6.根据权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：还包括在放大器工作于高功率模式时为每级放大电路提供偏置信号的高频偏置电路。

7.根据权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：还包括在放大器工作于低功率模式时为处于工作状态的放大电路提供偏置信号的低频偏置电路。

8.根据权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：还包括串联于相邻两级放大电路之间的中间级匹配电路。

9.根据权利要求1或2所述的射频功率放大器，其特征在于：还包括输出匹配电路，所述输出匹配电路用于对最后一级放大电路输出的射频信号进行输出匹配。

10.一种射频功率放大器的控制方法，其特征在于：该放大器包括至少两级用于对射频输入信号进行放大并输出射频信号的放大电路和开关网络，该控制方法通过所述开关网络在放大器处于高功率模式时使各级放大电路均处于工作状态；所述开关网络在放大器工作于低功率模式时使一级放大电路处于工作状态。

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