CN113054924B - 一种频段可重构的分布式功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种频段可重构的分布式功率放大器，属于功率放大器技术领域。本发明通过在传统分布式功率放大器中引入开关电感，通过开关控制电感接入电路与否，从而实现频段的切换，并且通过将大扼流电感的自谐振点转移到带外，功率附加效率较传统分布式结构最高能够实现27％的提升。
Description
技术领域
本发明属于功率放大器技术领域，具体涉及一种频段可重构的分布式功率放大器。
背景技术
射频和微波功率放大器在通信系统中用来放大携带信息的射频和微波信号。移动终端设备往往集成了多种网络制式，同时需要兼具导航与蓝牙等子功能，而不同的网络制式、导航与蓝牙等功能通常使用不同的电磁波频段。当前移动终端设备里收发模块中的功率放大器，多是针对不同的子功能设计不同频段的功率放大器，因而大幅提高了设备体积和成本。
研究人员进而转向能够涵盖所有网络制式的超宽带功率放大器，提出了分布式功率放大器。在传统的分布式功率放大器中，通过将一定数量的晶体管的输入和输出电容合并进入传输线结构之中，可解决宽带匹配晶体管的输入和输出阻抗时面临的问题。因此，分布式功率放大器由晶体管、合并了晶体管的输入电容的栅极传输线、合并了晶体管的输出电容的漏极传输线组成。输入信号沿栅极传输线传输，在被一个终端负载吸收之前，依次激励每个晶体管。晶体管的跨导放大信号后，将其馈入到漏极传输线中，并最终输出到终端负载上。
由于采用上述结构，分布式功率放大器能够工作在非常宽的频段上，但是在高频段，信号在漏极线上反向端口出彼此反相，其大部分相互抵消掉，使得功率放大器输出功率降低，进而导致功率附加效率降低。综上，对于能够涵盖所有网络制式的超宽带功率放大器则又会带来功率放大器的附加效率降低的问题，进而影响系统功耗，增加设备成本。
因此，有必要设计一款具备带宽调节功能，且具有高功率附加效率的频段可重构功率放大器。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种频段可重构的分布式功率放大器。本发明通过在传统分布式功率放大器中引入开关电感，通过开关控制电感接入电路与否，从而实现频段的切换，并且能在该频段中保持高功率附加效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种频段可重构的分布式功率放大器，包括n个晶体管、n条漏极传输线、n+1条栅极传输线、k个开关电感、电源、偏置电压和匹配电阻；
第一条栅极传输线的一端作为输入端，另一端连接第一个晶体管的栅极和第二条栅极传输线的一端，第二条栅极传输线的另一端连接第二个晶体管的栅极和第三条栅极传输线的一端，……，第n条栅极传输线的另一端连接第n个晶体管的栅极和第n+1条栅极传输线的一端，第n+1条栅极传输线的另一端连接匹配电阻的一端，匹配电阻的另一端接地；
第一条漏极传输线的一端连接第一个晶体管的漏极，第一条漏极传输线的另一端连接第二个晶体管的漏极和第二条漏极传输线的一端，……，第n-1条漏极传输线的另一端连接第n个晶体管的漏极和第n条漏极传输线的一端，第n条漏极传输线的另一端为信号输出端口；
所述k个开关电感均分为2组，每一组的k/2个开关电感并联，其中第一组开关电感的一端连接任意一条漏极传输线的一端，另一端连接电源；第二组开关电感的一端连接任意一条栅极传输线一端，另一端连接偏置电压；
所述n个晶体管的源极均接地。
进一步地，输入信号沿栅极传输线传输，在被匹配电阻吸收之前，依次激励每个晶体管；晶体管的跨导放大信号后，将其馈入到漏极传输线中，每个晶体管的漏极输出信号在漏极传输线中叠加放大，并最终输出。
进一步地，开关电感的数量k，其中k为偶数，栅极一侧的开关电感和漏极一侧的开关电感一一对应，两个为一个单元，每个单元确定一个频段，当开关控制同一单元的两个开关电感同时接入电路中时，此时功率放大器工作在一个频段，可重构频段数为k/2。
进一步地，开关电感的结构和具体感值根据实际需求进行确定。
进一步地，每个单元开关电感的感值越大，其对应的工作频段越低。
进一步地，晶体管的数量n为正整数，根据电路实际所需要的输出功率及放大倍数进行确定。
本发明的机理为：利用栅极传输线和漏极传输线替代原有分布式功率放大器中的栅极电感和漏极电感，并去掉了漏极线反向端口，减小了芯片面积，并实现输出功率的提升。同时，由于分布式功率放大器频带较宽且低频的需求需要较大的扼流电感，但片上大扼流电感的谐振频率会落在工作频带之内，使得在谐振频率附近扼流电感无法发挥应有的作用，导致传统分布式功率放大器在该谐振频率附近的性能严重恶化；而利用频段可重构开关电感，实现功率放大器工作在k/2个不同的频段，并实现将传统结构中由大扼流电感自谐振特性导致的带内性能恶化现象转移到带外，在实现超宽带功率放大器的同时，保证了每个工作频段上，功率放大器的高功率附加效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明技术方案实现了功率放大器频段的灵活配置，通过引入k个开关电感，并且通过栅极与漏极一一对应的开关电感，实现了k/2个频段的切换功能。
2.本发明技术方案提升了传统分布式功率放大器的功率附加效率，通过将大扼流电感的自谐振点转移到带外，功率附加效率较传统分布式结构最高能够实现27％的提升。
附图说明
图1为传统分布式功率放大器结构示意图。
图2为本发明频段可重构分布式功率放大器结构示意图。
图3为开关电感结构示意图。
图4为本发明实施例1的电路结构图。
图5为本发明实施例2的电路结构图。
图6为对比例的电路结构图。
图7为本发明放大器和传统放大器的性能对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
图1为传统分布式功率放大器结构示意图。在传统的分布式功率放大器中，通过将一定数量的晶体管的输入和输出电容合并进入传输线结构之中，可解决宽带匹配晶体管的输入和输出阻抗时面临的问题。因此，分布式功率放大器由晶体管、合并了晶体管的输入电容的栅极传输线、合并了晶体管的输出电容的漏极传输线组成。传统分布式功率放大器因其频带较宽，因此电路结构中常常还设计有一对较大的扼流电感，用于放大器正常工作在低频频段。但片上大扼流电感的谐振频率会落在功率放大器的工作频带之内，进而在谐振频率附近扼流电感无法发挥应有的作用，导致传统分布式功率放大器在该谐振频率附近的性能严重恶化。
本发明一种频段可重构分布式功率放大器，其结构示意图如图2所示，包括n个晶体管、n条漏极传输线、n+1条栅极传输线、k个开关电感、电源、偏置电压和匹配电阻；第一条栅极传输线的一端作为输入端，另一端连接第一个晶体管的栅极和第二条栅极传输线的一端，第二条栅极传输线的另一端连接第二个晶体管的栅极和第三条栅极传输线的一端，……，第n条栅极传输线的另一端连接第n个晶体管的栅极和第n+1条栅极传输线的一端，第n+1条栅极传输线的另一端连接匹配电阻的一端，匹配电阻的另一端接地；第一条漏极传输线的一端连接第一个晶体管的漏极，第一条漏极传输线的另一端连接第二个晶体管的漏极和第二条漏极传输线的一端，……，第n-1条漏极传输线的另一端连接第n个晶体管的漏极和第n条漏极传输线的一端，第n条漏极传输线的另一端为信号输出端口；所述k个开关电感均分为2组，每一组的k/2个开关电感并联，其中第一组开关电感的一端连接任意一条漏极传输线，另一端连接电源；第二组开关电感的一端连接任意一条栅极传输线，另一端连接偏置电压；所述n个晶体管的源极均接地。
其中，开关电感结构示意图如图3所示，本发明采用的开关电感结构为图3(a)所示结构，开关电感由开关晶体管和电感组成。当开关控制电压给高电平时，开关晶体管导通，电感接入电路当中；当开关控制电压给低电平时，开关晶体管截止，电感不接入电路当中。本发明提出的分布式功率放大器中的开关电感不局限于图3(a)所示的开关电感结构，如图3(b)所示的开关电感结构以及其它开关电感结构等可以改变电感值的结构均可以应用于本发明。
实施例1
当晶体管数量n为4，开关电感个数k为4时，其实际电路结构图如图4所示。
一种频段可重构分布式功率放大器，包括4个晶体管、4条漏极传输线、5条栅极传输线、4个开关电感、电源、偏置电压和匹配电阻；第一条栅极传输线的一端作为输入端，另一端连接第1个晶体管的栅极和第2条栅极传输线的一端，第1个晶体管的漏极连接第1条漏极传输线的一端，第1条漏极传输线的另一端连接第2个晶体管的漏极和第2条漏极传输线的一端；第2条栅极传输线的另一端连接第2个晶体管的栅极和第3条栅极传输线的一端，第3条栅极传输线的另一端连接第3个晶体管的栅极和第4条栅极传输线的一端，第2条漏极传输线的另一端连接第3个晶体管的漏极和第3条漏极传输线的一端；第4条栅极传输线的另一端连接第4个晶体管的栅极和第5条栅极传输线的一端，第5条栅极传输线的另一端连接匹配电阻的一端，第3条漏极传输线的另一端连接第4个晶体管的漏极和第4条漏极传输线的一端，第4条漏极传输线的另一端为信号输出端口；匹配电阻的另一端接地；
开关电感分为两组，其中开关电感1和2为一组，并联后的一端与第5漏极传输线的一端连接，并联后的另一端连接偏置电压；开关电感3和4为一组，并联后的一端与第3漏极传输线的一端连接，并联后的另一端连接电源。
其中，栅极一侧的开关电感1和漏极一侧的开关电感3对应，为一个单元，由开关控制电压同时控制；栅极一侧的开关电感2和漏极一侧的开关电感4对应，为第二个单元，由开关控制电压同时控制；当开关电感1和开关电感3的开关控制电压给高电平，且开关电感2和开关电感4的开关控制电压给低电平时，开关电感1和开关电感3接入电路当中，此时功率放大器的工作在频段1，可实现功率放大；当开关电感2和开关电感4的开关控制电压给高电平，且，开关电感1和开关电感3的开关控制电压给低电平时，开关电感2和开关电感4接入电路当中，此时功率放大器的工作在频段2，可实现功率放大；此时，两种控制方式实现工作频段的切换。每个单元开关电感的感值越大，其对应的工作频段越低。
实施例2
当晶体管数量n为5，开关电感个数k为6时，其实际电路结构图如图5所示。
从图中可以看出，开关电感分为两组，每组3个，其中漏极传输线一侧的那组开关电感并联后的一端与第4漏极传输线的一端连接，栅极传输线一侧的那组开关电感并联后的一端与第4栅极传输线的一端连接，即表明开关电感实际接入位置并不会对电路实际功能产生影响。
此时，本实施例可以实现3个工作频段的切换。
对比例
和实施例1的基本电路结构连接相同，仅将两组开关电感更换为传统的扼流电感。其实际电路结构图如图6所示。
实施例1和对比例两种分布式功率放大器的性能对比图如图7所示，从图7可以看出，对比例为传统分布式功率放大器，未采用开关电感结构，由于大扼流电感的自谐振特性，其在5-10GHz时，功率附加效率大幅下降，且整体功率附加效率小于30％，大部分频段上小于25％，最低点甚至仅有约10％；而采用了开关电感结构的实施例1，在5-10GHz频段范围内，不但性能没有下降，反而获得了较大的性能提升，功率附加效率整体上大于25％，且在部分频段上大于35％，实现全频带内功率附加效率均优于传统分布式放大器。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种频段可重构的分布式功率放大器，其特征在于，包括n个晶体管、n条漏极传输线、n+1条栅极传输线、k个开关电感、电源、偏置电压和匹配电阻；
第一条栅极传输线的一端作为输入端，另一端连接第一个晶体管的栅极和第二条栅极传输线的一端，第二条栅极传输线的另一端连接第二个晶体管的栅极和第三条栅极传输线的一端，……，第n条栅极传输线的另一端连接第n个晶体管的栅极和第n+1条栅极传输线的一端，第n+1条栅极传输线的另一端连接匹配电阻的一端，匹配电阻的另一端接地；
第一条漏极传输线的一端连接第一个晶体管的漏极，第一条漏极传输线的另一端连接第二个晶体管的漏极和第二条漏极传输线的一端，……，第n-1条漏极传输线的另一端连接第n个晶体管的漏极和第n条漏极传输线的一端，第n条漏极传输线的另一端为信号输出端口；
所述k个开关电感均分为2组，每一组的k/2个开关电感并联，其中第一组开关电感的一端连接任意一条漏极传输线的一端，另一端连接电源；第二组开关电感的一端连接任意一条栅极传输线一端，另一端连接偏置电压；
所述n个晶体管的源极均接地。
2.如权利要求1所述的分布式功率放大器，其特征在于，输入信号沿栅极传输线传输，在被匹配电阻吸收之前，依次激励每个晶体管；晶体管的跨导放大信号后，将其馈入到漏极传输线中，每个晶体管的漏极输出信号在漏极传输线中叠加放大，并最终输出。
3.如权利要求1所述的分布式功率放大器，其特征在于，栅极一侧的开关电感和漏极一侧的开关电感一一对应，两个为一个单元，每个单元确定一个频段，当开关控制同一单元的两个开关电感同时接入电路中时，此时功率放大器工作在一个频段。
4.如权利要求3所述的分布式功率放大器，其特征在于，可重构频段数为k/2。
5.如权利要求3所述的分布式功率放大器，其特征在于，开关电感的结构和具体感值根据实际需求进行确定。
6.如权利要求5所述的分布式功率放大器，其特征在于，每个单元开关电感的感值越大，其对应的工作频段越低。
7.如权利要求1所述的分布式功率放大器，其特征在于，晶体管的数量n为正整数，根据电路实际所需要的输出功率及放大倍数进行确定。
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