CN111654247A - 一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器 - Google Patents

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CN111654247A CN202010485907.7A CN202010485907A CN111654247A CN 111654247 A CN111654247 A CN 111654247A CN 202010485907 A CN202010485907 A CN 202010485907A CN 111654247 A CN111654247 A CN 111654247A
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邹亮
张小东
汤昊林
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Abstract

本发明公开了一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，包括：第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路；每级放大电路均包括由MOS管形成的共源放大器；第一输入级放大电路的输入端与射频信号输入端连接，输出端分为两路，其中一路通过电感与第二输入级放大电路耦合连接，另一路与第一输出级放大电路的输入端连接；第二输入级放大电路的输出端通过电感电容与第二输出级放大电路的输入端连接；第一输出级放大电路和第二输出级放大电路通过电感耦合连接，再分别通过电容耦合至射频信号输出端。本发明通过电流复用结合电压合路，实现了低噪声、超宽带、低功耗和大增益性能。

Description

一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更具体的说是涉及一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器。
背景技术
在宽带无线通信中，随着频率越来越高，对于射频带宽的要求也越来越高，比如对于5G NR来说，位于28G的频段频率为24.25G～29.5GHz，相对带宽接近20％；对于802.11ay来说，其规定的带宽为57G～71G，相对带宽达到22％；对于UWB系统而言，其频段位于3～10GHz。对于更高频率，诸如毫米波成像而言，其对射频带宽精度和分辨率的要求意味着更高。可见，射频信号的带宽在特定系统中扮演越来越重要的角色。
随着现在芯片加工工艺的进步，芯片的速度越来越快，但代价是其工作电压越来越低，而对于射频电路而言，如果电压摆幅受到很大限制，其动态范围是会受限的。
因此，如何提供一种低噪声、超宽带和大增益的宽带低噪声放大器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，通过电流复用结合电压合路，实现了低噪声、超宽带、低功耗和大增益性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，包括：第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路；所述第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路均包括由MOS管形成的共源放大器；
所述第一输入级放大电路的输入端与射频信号输入端连接，输出端分为两路，其中一路通过电感与所述第二输入级放大电路耦合连接，另一路与所述第一输出级放大电路的输入端连接；
所述第二输入级放大电路的输出端通过电感电容与所述第二输出级放大电路的输入端连接；
所述第一输出级放大电路和第二输出级放大电路通过电感耦合连接，再分别通过电容耦合至射频信号输出端。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的宽带低噪声放大器，通过实施了电流复用技术和电压分路和合路技术，并且每个晶体管均采用相似的电感源极退化共源放大器结构，克服了共源、共源共栅和CMOS等基本结构的缺陷，最终实现了低噪声，超宽带，低功耗，大增益等优点。
优选的，在上述一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器中，所述第一输入级放大电路包括晶体管M1、电感LG1、电容CG1、偏置电阻RG1、电感LS1和电感LD1；晶体管M1的栅极分别与电容CG1的一端和偏置电阻RG1的一端连接；RG1的另一端接入偏置电压V1；电容CG1的另一端通过电感LG1连接至射频信号的输入端；晶体管M1的源极与电感LS1的一端连接，电感LS1的另一端接地；晶体管M1的漏极分别与电感LD1的一端和所述第一输出级放大电路的输入端连接；电感LD1与所述第二输入级放大电路耦合连接。
优选的，在上述一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器中，所述第二输入级放大电路包括晶体管M2、电感LG2、电容CG2、电容C1、电感LS2和电感LD2；晶体管M2的栅极与电感LG2的一端连接；电感LG2的另一端分别与电容CG2的一端和偏置电阻RG2的一端连接；电容CG2的另一端接地；偏置电阻RG2的另一端接入偏置电压V2；电感LD1和电感LD2互感耦合至晶体管M2的栅极；晶体管M2的源极与电感LS2的一端连接，电感LS2的另一端分别与电感LD1的另一端以及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；晶体管M2的漏极通过电感LD2接地，并与所述第二输出级放大电路连接。
优选的，在上述一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器中，所述第一输出级放大电路包括晶体管M3、电感LG3、电容CG3、偏置电阻RG3、电感LS3、电感LD3和电容CD3；晶体管M3的栅极分别与电容CG3的一端和偏置电阻RG3的一端连接，偏置电阻RG3的另一端接入偏置电压V3；电容CG3的另一端通过电感LG3与晶体管M1的漏极连接；晶体管M3的源极与电感LS3的一端连接，电感LS3的另一端接地；晶体管M3的漏极分别与电感LD3的一端和电容CD3的一端连接；电感LD3与所述第二输出级放大电路耦合连接；电容CD3的另一端连接至射频输出端。
优选的，在上述一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器中，所述第二输出级放大电路包括晶体管M4、电感LG4、电容CG4、电感LB4、电感LS4、电感LD4、电容CD4和电容C2；晶体管M4的栅极分别与电感LB4的一端和电容CG4的一端连接；电感LB4的另一端接入偏置电压V4；电容CG4的另一端与电感LG4的一端连接，电感LG4的另一端与晶体管M2的漏极连接；晶体管M4的源极与电感LS4的一端连接；电感LS4的另一端分别与电感LD3的另一端和电容C2的一端连接；电容C2的另一端接地；晶体管M4的漏极分别与LD4的一端和电容CD4的一端连接；电感LD3和电感LD4互感耦合；电容CD4的另一端连接至射频输出端。
优选的，在上述一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器中，晶体管M1和晶体管M3均为NMOS管；晶体管M2和晶体管M4为NMOS管或PMOS管。本发明中M2和M4可以为PMOS管或NMOS管，这样无论对电路还是版图设计，均具有一定的灵活性。
经由上述技术方案可知，相对于现有技术，本发明具体具有以下优点：
1、本发明保持了共源结构的低噪声优势，特别是第一输入级放大电路的设计，没有采用共源共栅，或者CMOS结构，能够确保其在高频下的噪声性能最优；而且每一级放大电路均采用共源结构，所以每级放大电路都是低噪声放大，且输出级放大电路对输入级放大电路的噪声贡献小，所以本发明上述结构比共源共栅和CMOS放大器的噪声性能都要好。
2、本发明每个晶体管均采用了电感退化结构，这样输入阻抗通过一个串联电感就容易匹配到一个由跨导gm和源极电感LS形成的低阻，较低的阻抗非常容易实现宽带化。回路阻抗低的好处是，回路RC常数非常小，带内的群延时波动就会非常小，对于宽带电路的包络影响非常小。
本发明中M1、M2和M3的偏置都是通过电阻给的，唯独M4是电感LB4提供，这个电感可以改变M2到M4通路的相位，最后通过M1至M3的通路信号和M2至M4通路信号叠加时，可以弥补一定的相位差和频率响应差，是宽带设计中的一个设计自由度；因此，本发明通过引入LB4这个设计变量，使得增益和带宽多了一个设计自由度。
此外，宽带化的一个优势是不需要开关电容切换频率，另一个优势是群延时波动小，非常适合超宽带系统，不会引入很大的包络失真。因此，本发明的电路结构与现有技术中的共源结构、共源共栅结构和CMOS结构相比，在带宽特性和设计自由度方面性能更优。
3、本发明采用电流复用技术，第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路均采用了一样的电流复用结构，这使得电路在相同的增益下有着很大的低功耗优势。保证了相同的电源和电压下，增益要比共源结构大一倍，相当于两个共源电路在电源电压方向上的垂直叠加。因此，本发明通过电流复用技术实现的增益比共源结构大一倍，也比共源共栅高，比CMOS结构高2/3倍。
4、本发明采用了电压分路与合路技术，通过第一输入级放大电路和第二输入级放大电路的互感耦合实现分路，又通过第一输出级放大电路和第二输出级放大电路互感耦合实现信号叠加，这样同样的电流和电压下，不考虑互感耦合的增益影响，总体的增益增加了2倍，即6dB。换句话说，在相同的电压电流条件下，本发明增益相当于共源结构的四级；因此，本发明既提供了信号的放大，又在噪声系数上有所提高。由于输入非相关噪声经过两条通路后叠加是功率直接相加，而输入信号是电压加倍，所以理想情况下会有3dB的信噪比收益，总体上会有一定的噪声性能的收益。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的结构示意图；
图2附图为本发明提供的电路原理图；
图3附图为现有技术中共源结构放大器的增益和输入回损频率响应特性；
图4附图为现有技术中共源共栅结构放大器的增益和输入回损频率响应特性；
图5附图为现有技术中CMOS结构放大器的增益和输入回损频率响应特性；
图6附图为本发明提供的采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器的频率响应特性；
图7附图为本发明提供的采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器的噪声系数特性；
图8附图为本发明提供的采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器的应用场景。
具体实施方式
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。
参照附图1，本发明实施例公开了一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，包括：第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路；第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路均包括由MOS管形成的共源放大器；
第一输入级放大电路的输入端与射频信号输入端连接，输出端分为两路，其中一路通过电感与第二输入级放大电路耦合连接，另一路与第一输出级放大电路的输入端连接；
第二输入级放大电路的输出端通过电感电容与第二输出级放大电路的输入端连接；
第一输出级放大电路和第二输出级放大电路通过电感耦合连接，再分别通过电容耦合至射频信号输出端。
本发明提供的宽带低噪声放大器，通过实施了电流复用技术和电压分路和合路技术，并且每个晶体管均采用相似的电感源极退化共源放大器结构，克服了共源、共源共栅和CMOS等基本结构的缺陷，最终实现了低噪声，超宽带，低功耗，大增益等优点。
具体的，参照附图2，第一输入级放大电路包括晶体管M1、电感LG1、电容CG1、偏置电阻RG1、电感LS1和电感LD1；晶体管M1的栅极分别与电容CG1的一端和偏置电阻RG1的一端连接；RG1的另一端接入偏置电压V1；电容CG1的另一端通过电感LG1连接至射频信号的输入端；晶体管M1的源极与电感LS1的一端连接，电感LS1的另一端接地；晶体管M1的漏极分别与电感LD1的一端和第一输出级放大电路的输入端连接；电感LD1与第二输入级放大电路中的电感LD2互感耦合至晶体管M2的栅极。
第二输入级放大电路包括晶体管M2、电感LG2、电容CG2、电容C1、电感LS2和电感LD2；晶体管M2的栅极与电感LG2的一端连接；电感LG2的另一端分别与电容CG2的一端和偏置电阻RG2的一端连接；电容CG2的另一端接地；偏置电阻RG2的另一端接入偏置电压V2；晶体管M2的源极与电感LS2的一端连接，电感LS2的另一端分别与电感LD1的另一端以及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；晶体管M2的漏极通过电感LD2接地，并与第二输出级放大电路连接。
第一输出级放大电路包括晶体管M3、电感LG3、电容CG3、偏置电阻RG3、电感LS3、电感LD3和电容CD3；晶体管M3的栅极分别与电容CG3的一端和偏置电阻RG3的一端连接，偏置电阻RG3的另一端接入偏置电压V3；电容CG3的另一端通过电感LG3与晶体管M1的漏极连接；晶体管M3的源极与电感LS3的一端连接，电感LS3的另一端接地；晶体管M3的漏极分别与电感LD3的一端和电容CD3的一端连接；电感LD3与第二输出级放大电路耦合连接；电容CD3的另一端连接至射频输出端。
第二输出级放大电路包括晶体管M4、电感LG4、电容CG4、电感LB4、电感LS4、电感LD4、电容CD4和电容C2；晶体管M4的栅极分别与电感LB4的一端和电容CG4的一端连接；电感LB4的另一端接入偏置电压V4；电容CG4的另一端与电感LG4的一端连接，电感LG4的另一端与晶体管M2的漏极连接；晶体管M4的源极与电感LS4的一端连接；电感LS4的另一端分别与电感LD3的另一端和电容C2的一端连接；电容C2的另一端接地；晶体管M4的漏极分别与LD4的一端和电容CD4的一端连接；电感LD3和电感LD4互感耦合；电容CD4的另一端连接至射频输出端。
更有利的，晶体管M1和晶体管M3均为NMOS管；晶体管M2和晶体管M4为NMOS管或PMOS管。
下面对上述实施例中的电路结构的工作原理进行描述：
第一输入级放大电路采用经典的源极退化结构，其中晶体管M1是输入放大管，LS1是源极上的退化电感，提供一个输入实部，输入匹配由LG1提供，CG1是耦合电容，RG1是偏置电阻。第一输入级放大电路的输出是电感负载LD1，其信号分为两路，其中一路信号通过和第二输入级放大电路中的LG2的互感耦合(系数为k12)到晶体管M2的栅极，这样，M1和M2的电流是相同的，也就是M1和M2复用了一样的电流。电流复用的关键是C1，它的作用是提供交流地，C2的作用与C1一样。M2也是一个电感退化结构的共源放大器，LD2是它的负载电感。
第一输入级放大电路的负载电感LD1另一路信号通过LG3和CG3到了M3的栅极，并作为M3的输入信号，M3和LS3也是电感退化结构，所以在LG3的匹配下，M1得到的阻抗等于一个LD1和M3输入实部阻抗的并联，这个阻抗其实并不大，所以这个负载回路的Q值很低，带宽非常宽。M3的结构和M1、M2的结构一样，也是基于源极退化结构的共源放大器，LD3是M3的负载电感，它的输出通过CD3直接耦合到输出端。Q值一般定义一个阻抗元件的虚部除以实部，表示被动元件储存能量和消耗能量的比值。
M4和M3的结构均为源极退化结构，且均为电流复用结构，M4的输出通过CD4耦合到输出端，再和CD3并联输出至RFOUT；
最后，通过LD3和LD4的互感耦合(互感系数为k34)，进一步加强输出信号。
本发明实施例具有以下特点：
1、本发明保持了共源结构的低噪声优势，特别是第一输入级放大电路的设计，没有采用共源共栅，或者CMOS结构，能够确保其在高频下的噪声性能最优；而且每一级放大电路均采用共源结构，所以每级放大电路都是低噪声放大，且输出级放大电路对输入级放大电路的噪声贡献小，所以本发明上述结构比共源共栅和CMOS放大器的噪声性能都要好。
2、本发明每个晶体管均采用了电感退化结构，这样输入阻抗通过一个串联电感就容易匹配到一个由跨导gm和源极电感LS形成的低阻，较低的阻抗非常容易实现宽带化。回路阻抗低的好处是，回路RC常数非常小，带内的群延时波动就会非常小，对于宽带电路的包络影响非常小。
本发明中M1、M2和M3的偏置都是通过电阻给的，唯独M4是电感LB4提供，这个电感可以改变M2到M4通路的相位，最后通过M1至M3的通路信号和M2至M4通路信号叠加时，可以弥补一定的相位差和频率响应差，是宽带设计中的一个设计自由度；因此，本发明通过引入LB4这个设计变量，使得增益和带宽多了一个设计自由度。
此外，宽带化的一个优势是不需要开关电容切换频率，另一个优势是群延时波动小，非常适合超宽带系统，不会引入很大的包络失真。因此，本发明的电路结构与现有技术中的共源结构、共源共栅结构和CMOS结构相比，在带宽特性和设计自由度方面性能更优。
3、本发明采用电流复用技术，第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路均采用了一样的电流复用结构，这使得电路在相同的增益下有着很大的低功耗优势。保证了相同的电源和电压下，增益要比共源结构大一倍，相当于两个共源电路在电源电压方向上的垂直叠加。因此，本发明通过电流复用技术实现的增益比共源结构大一倍，也比共源共栅高，比CMOS结构高2/3倍。
4、本发明采用了电压分路与合路技术，通过第一输入级放大电路和第二输入级放大电路的互感耦合实现分路，又通过第一输出级放大电路和第二输出级放大电路互感耦合实现信号叠加，这样同样的电流和电压下，不考虑互感耦合的增益影响，总体的增益增加了2倍，即6dB。换句话说，在相同的电压电流条件下，本发明增益相当于共源结构的四级；因此，本发明既提供了信号的放大，又在噪声系数上有所提高。由于输入非相关噪声经过两条通路后叠加是功率直接相加，而输入信号是电压加倍，所以理想情况下会有3dB的信噪比收益，总体上会有一定的噪声性能的收益。
根据图3和图4可知，现有技术中共源结构放大器电路和共源共栅结构放大器电路均为窄带电路；根据图5可知，现有技术中CMOS结构放大器电路具有低通特性，且噪声差，尤其在高频段的噪声更差。根据图6可知，本发明实施例的频率特性为宽带特性。
可以看出，本发明实施例的增益特性和功耗特性均优于现有技术中的三种电路结构。
根据图7可知，本发明实施例的的噪声性能较优。
本发明实施例的应用场景如图8所示：
图8为TDD的收发射频前端。需说明的是，在FDD系统、TDD系统、传统的Sub-6G、毫米波和sub-THz电路中均可以使用本发明。
图8中，Antenna为天线，表示空气介质和芯片之间转换的接口；SPDT为开关，在接收和发射之间切换，在一些多模多频的应用中，也可以实现多频段之间的接收或者发射的切换；PA是功率放大器，是信号放大到一定功率等级的装置；LNA是低噪声放大器，在接收时实现低噪声的放大。
本发明实施例可以应用于多模多频收发系统。比如覆盖了移动终端从900M到3.5GHz的频率，这样不需要配置过多的频段，一个低噪声放大器就可以解决。在很多射频和毫米波宽带场景下，比如UWB的3～10GHz的频段，5G NR毫米波频段24.25～29.5GHz，37～42.5GHz以及802.11ay场景57～71GHz等，分别采用一个低噪声放大器即可覆盖全频段，而不需要进行额外的频段切换，大大降低设计的复杂度和校准的成本。
本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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，其特征在于，包括：第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路；所述第一输入级放大电路、第一输出级放大电路、第二输入级放大电路和第二输出级放大电路均包括由MOS管形成的共源放大器；
所述第一输入级放大电路的输入端与射频信号输入端连接，输出端分为两路，其中一路通过电感与所述第二输入级放大电路耦合连接，另一路与所述第一输出级放大电路的输入端连接；
所述第二输入级放大电路的输出端通过电感电容与所述第二输出级放大电路的输入端连接；
所述第一输出级放大电路和第二输出级放大电路通过电感耦合连接，再分别通过电容耦合至射频信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一输入级放大电路包括晶体管M1、电感LG1、电容CG1、偏置电阻RG1、电感LS1和电感LD1；晶体管M1的栅极分别与电容CG1的一端和偏置电阻RG1的一端连接；RG1的另一端接入偏置电压V1；电容CG1的另一端通过电感LG1连接至射频信号的输入端；晶体管M1的源极与电感LS1的一端连接，电感LS1的另一端接地；晶体管M1的漏极分别与电感LD1的一端和所述第一输出级放大电路的输入端连接；电感LD1与所述第二输入级放大电路耦合连接。
3.根据权利要求2所述的一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二输入级放大电路包括晶体管M2、电感LG2、电容CG2、偏置电阻RG2、电容C1、电感LS2和电感LD2；晶体管M2的栅极与电感LG2的一端连接；电感LG2的另一端分别与电容CG2的一端和偏置电阻RG2的一端连接；电容CG2的另一端接地；偏置电阻RG2的另一端接入偏置电压V2；电感LD1和电感LD2互感耦合至晶体管M2的栅极；晶体管M2的源极与电感LS2的一端连接，电感LS2的另一端分别与电感LD1的另一端以及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地；晶体管M2的漏极通过电感LD2接地，并与所述第二输出级放大电路连接。
4.根据权利要求3所述的一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第一输出级放大电路包括晶体管M3、电感LG3、电容CG3、偏置电阻RG3、电感LS3、电感LD3和电容CD3；晶体管M3的栅极分别与电容CG3的一端和偏置电阻RG3的一端连接，偏置电阻RG3的另一端接入偏置电压V3；电容CG3的另一端通过电感LG3与晶体管M1的漏极连接；晶体管M3的源极与电感LS3的一端连接，电感LS3的另一端接地；晶体管M3的漏极分别与电感LD3的一端和电容CD3的一端连接；电感LD3与所述第二输出级放大电路耦合连接；电容CD3的另一端连接至射频输出端。
5.根据权利要求4所述的一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，其特征在于，所述第二输出级放大电路包括晶体管M4、电感LG4、电容CG4、电感LB4、电感LS4、电感LD4、电容CD4和电容C2；晶体管M4的栅极分别与电感LB4的一端和电容CG4的一端连接；电感LB4的另一端接入偏置电压V4；电容CG4的另一端与电感LG4的一端连接，电感LG4的另一端与晶体管M2的漏极连接；晶体管M4的源极与电感LS4的一端连接；电感LS4的另一端分别与电感LD3的另一端和电容C2的一端连接；电容C2的另一端接地；晶体管M4的漏极分别与LD4的一端和电容CD4的一端连接；电感LD3和电感LD4互感耦合；电容CD4的另一端连接至射频输出端。
6.根据权利要求1所述的一种采用电流复用和电压合路的宽带低噪声放大器，其特征在于，晶体管M1和晶体管M3均为NMOS管；晶体管M2和晶体管M4为NMOS管或PMOS管。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115459793A (zh) * 2021-06-08 2022-12-09 开元通信技术（厦门）有限公司 一种射频装置

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