CN113556091A - 输出匹配模块、多尔蒂功率放大器 - Google Patents

输出匹配模块、多尔蒂功率放大器 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种输出匹配模块、多尔蒂功率放大器，输出匹配模块包括：第一电感器、第二电感器、第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件、第一隔直电容和第二隔直电容；其中，第一电感器的一端与主路管芯的漏极连接，第一电感器的另一端与第二无源电子元件的一端连接；第二无源电子元件的另一端通过第一隔直电容接地；第二电感器的一端与辅路管芯的漏极连接，第二电感器的另一端与第三无源电子元件的一端连接；第三无源电子元件的另一端通过第二隔直电容接地；第二无源电子元件或第三无源电子元件的另一端连接偏置电源；第一无源电子元件的一端与第一电感器的另一端连接，第一无源电子元件的另一端与第二电感器的另一端连接。

Description

输出匹配模块、多尔蒂功率放大器
技术领域
本申请实施例微波功率放大器领域，特别涉及输出匹配模块、多尔蒂功率放大器。
背景技术
为了满足无线通信领域日益增长的高数据传输速率以及频谱效率需求，更宽的频带、更复杂的调制方式、更多的通道被引入。复杂的调制方式需要功率放大器放大高峰均比信号，为了满足高峰均比信号下线性度的要求需要使功率放大器大多数时间工作在回退状态，如此会带来回退效率大幅降低的问题，通道数量的增多也需要回退效率提升来降低功耗和减小散热，目前可以提升回退效率的技术包括包络跟踪（Envelope tracking）、异相（Outphasing）以及多尔蒂（Doherty）。其中Doherty功率放大器以结构简洁等优点被广泛使用。
随着无线收发机的射频前端通道数增多，需要Doherty功率放大器的集成度提高以小型化。为了减小尺寸，目前的Doherty功率放大器一般将输出匹配网络中的1/4波长阻抗变换线（即图1中1/4λ线）用集总C-L-Cπ型网络等效，如图1所示，1/4波长阻抗变换线等价于包括电感LT和两个电容CT组成的网络，集总C-L-Cπ型网络包括：电感LT，电感L1、电感L2、主路管芯的寄生漏源电容Cds1和辅路管芯的寄生漏源电容Cds2，由于集总C-L-Cπ型网络中的所有电路元件参数值是唯一的，在将电路元件集成到芯片中时，如果芯片的可利用空间有限，则有可能无法实现，也就是说，直接应用集总C-L-Cπ型网络来实现会导致芯片无法小型化。
发明内容
本申请实施例提供一种输出匹配模块、多尔蒂功率放大器。
第一方面，本申请实施例提供一种输出匹配模块，包括：第一电感器、第二电感器、第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件、第一隔直电容和第二隔直电容；其中，所述第一电感器的一端与主路管芯的漏极连接，所述第一电感器的另一端与所述第二无源电子元件的一端连接；所述第二无源电子元件的另一端通过所述第一隔直电容接地；所述第二电感器的一端与辅路管芯的漏极连接，所述第二电感器的另一端与所述第三无源电子元件的一端连接；所述第三无源电子元件的另一端通过所述第二隔直电容接地；所述第二无源电子元件的另一端或所述第三无源电子元件的另一端连接偏置电源；所述第一无源电子元件的一端与所述第一电感器的另一端连接，所述第一无源电子元件的另一端与所述第二电感器的另一端连接。
第二方面，本申请实施例提供一种多尔蒂功率放大器，包括：输入模块、主路管芯、辅路管芯和上述任意一种输出匹配模块；其中，所述输入模块，用于将输入的射频信号分为第一主路射频信号和第一辅路射频信号，对所述第一主路射频信号进行第一阻抗匹配得到第二主路射频信号，对所述第一辅路射频信号进行相位补偿和第二阻抗匹配得到第二辅路射频信号；所述主路管芯，用于对所述第二主路射频信号的幅度进行放大处理得到第三主路射频信号；所述辅路管芯，用于对所述第二辅路射频信号的幅度进行放大处理得到第三辅路射频信号；所述输出匹配模块，用于对所述第三主路射频信号和所述第三辅路射频信号进行第三阻抗匹配得到输出的射频信号。
本申请实施例提供的输出匹配模块，通过适度提升电路的复杂度来引入电路设计的自由度，各元件参数的组合空间得到有效的扩展，从而可以选择出满足电路尺寸的最优元件，也就是有效缩减了输出匹配模块的电路尺寸，有效缩减了输出匹配模块所需要的集成空间，大大增强了输出匹配模块的小型化。
本申请实施例提供的多尔蒂功率放大器，通过适度提升输出匹配模块的电路的复杂度来引入电路设计的自由度，各元件参数的组合空间得到有效的扩展，从而可以选择出满足电路尺寸的最优元件，也就是有效缩减了输出匹配模块的电路尺寸，有效缩减了输出匹配模块所需要的集成空间，由于多尔蒂功率放大器的所有组成部分中，输出匹配模块的空间占比比较大，缩减了输出匹配模块的尺寸就意味着缩减了多尔蒂功率放大器的尺寸，大大增强了多尔蒂功率放大器的小型化。
附图说明
图1为相关技术的多尔蒂功率放大器的电路结构示意图；
图2为本申请一个实施例提供的输出匹配模块的电路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的输出匹配模块的一种可实现的电路结构示意图；
图4为本申请实施例提供的输出匹配模块的另一种可实现的电路结构示意图；
图5为本申请实施例提供的输出匹配模块的再一种可实现的电路结构示意图；
图6为本申请实施例提供的输出匹配模块的又一种可实现的电路结构示意图；
图7为本申请另一个实施例提供的多尔蒂放大器的组成框图；
图8为本申请实施例提供的输入模块的组成框图；
图9为本申请实施例提供的多尔蒂功率放大器的一种可实现的电路结构示意图；
图10为本申请实施例提供的多尔蒂功率放大器的另一种可实现的电路结构示意图；
图11为本申请实施例提供的多尔蒂功率放大器的一种集成结构示意图；
图12为本申请实施例提供的多尔蒂功率放大器的另一种集成结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请提供的输出匹配模块、功率放大器进行详细描述。
在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本申请透彻和完整，并将使本领域技术人员充分理解本申请的范围。
在不冲突的情况下，本申请各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
如本文所使用的，术语“和/或”包括至少一个相关列举条目的任何和所有组合。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本申请。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由……制成”时，指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加至少一个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本申请的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。
图1给出的多尔蒂功率放大器的电路结构示意图中，在理想化状态下，主路管芯和辅路管芯均不包含寄生漏源电容Cds，但是实际中主路管芯和辅路管芯均包括Cds。为了简化图1中的输出匹配网络（即图1中1/4λ线），业内主流的做法是将主路管芯的寄生漏源电容Cds1和辅路管芯的寄生漏源电容Cds2利用起来，作为集总C-L-Cπ型网络两端的并联电容CT，但是由于不同尺寸的管芯具有不同的寄生漏源电容Cds，主路管芯的寄生漏源电容Cds1和辅路管芯的寄生漏源电容Cds2并不一定与电容CT匹配，因此，需要协调主路管芯的寄生漏源电容Cds1和辅路管芯的寄生漏源电容Cds2的值，如图1中的电感L1起到协调主路管芯的寄生漏源电容Cds1的作用，电感L2起到协调主路管芯的寄生漏源电容Cds2的作用。由于电感L1、电感L2、电感LT的值都是唯一的，不可选择，且电感L1、电感L2、电感LT通常采用键合线实现，那么，受限于有限的集成可利用空间，直接应用集总C-L-C π型网络会带来电路元件物理可实现性上的限制。
图2为本申请一个实施例提供的输出匹配模块的电路结构图。
第一方面，参照图2，本申请一个实施例提供一种输出匹配模块，包括：第一电感器Ls1、第二电感器Ls2、第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件、第一隔直电容C1和第二隔直电容C2。
其中，第一电感器Ls1的一端与主路管芯的漏极连接，第一电感器Ls1的另一端与第二无源电子元件的一端连接；第二无源电子元件的另一端通过第一隔直电容C1接地；第二电感器Ls2的一端与辅路管芯的漏极连接，第二电感器Ls2的另一端与第三无源电子元件的一端连接；第三无源电子元件的另一端通过第二隔直电容C2接地；第二无源电子元件的另一端连或第三无源电子元件的另一端接偏置电源Vd（图2至图6中未示出）；第一无源电子元件的一端与第一电感器Ls1的另一端连接，第一无源电子元件的另一端与第二电感器Ls2的另一端连接。
在一些示例性实施例中，第一电感器Ls1采用键合线实现，第二电感器Ls2采用键合线实现。
在本申请实施例中，第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件均可以是电感器或传输线。图3至图6给出了几种可实现的例子，图3至图6给出的例子不是第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件所有可实现方式，不用于限定第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件的组合范围。
在一些示例性实施例中，如图3所示，第一无源电子元件为第三电感器L3，第二无源电子元件为第一传输线TL1，第三无源电子元件为第二传输线TL2。
在一些示例性实施例中，第一传输线TL1为微带线、共面波导线中的任意一个，第二传输线TL2为微带线、共面波导线中的任意一个。
在一些示例性实施例中，第一传输线TL1采用键合线实现，第二传输线TL2采用键合线实现，第三电感器L3采用键合线实现。
在一些示例性实施例中，如图4所示，第一无源电子元件为第三传输线TL3，第二无源电子元件为第四传输线TL4，第三无源电子元件为第五传输线TL5。
在一些示例性实施例中，第三传输线TL3为微带线、共面波导线中的任意一个，第四传输线TL4为微带线、共面波导线中的任意一个，第五传输线TL5为微带线、共面波导线中的任意一个。
在一些示例性实施例中，第三传输线TL3采用键合线实现，第四传输线TL4采用键合线实现，第五传输线TL5采用键合线实现。
在一些示例性实施例中，如图5所示，第一无源电子元件为第四电感器L4，第二无源电子元件为第五电感器，第三无源电子元件为第六电感器L6。
在一些示例性实施例中，第四电感器L4采用键合线实现，第五电感器采用键合线实现，第六电感器L6采用键合线实现。
在一些示例性实施例中，如图6所示，第一无源电子元件为第六传输线TL6，第二无源电子元件为第七电感器L7，第三无源电子元件为第八电感器L8。
在一些示例性实施例中，第六传输线TL6为微带线、共面波导线中的任意一个。
在一些示例性实施例中，第六传输线TL6采用键合线实现，第七电感器L7采用键合线实现，第八电感器L8采用键合线实现。
在一些示例性实施例中，第三电感L3与第四电感L4的值相同或不同。
在一些示例性实施例中，第三传输线TL3与第六传输线TL6的值相同或不同。
在本申请实施例中，图3至图6中均包含有第一电感器Ls1和第二电感器Ls2，但是，不同的连接方式对应的第一电感器Ls1和第二电感器Ls2的值可以相同，也可以不同，例如，图3中的第一电感器Ls1与图5中的第一电感器Ls1的值相同，图3中的第二电感器Ls2与图5中的第二电感器Ls2的值相同；图3中的第一电感器Ls1与图4中的第一电感器Ls1的值不同，图3中的第二电感器Ls2与图4中的第二电感器Ls2的值不同。
在一些示例性实施例中，如图2至图6所示，输出匹配模块，还包括：主路管芯的寄生漏源电容Cds1和辅路管芯的寄生漏源电容Cds2；
其中，第一电感器Ls1的一端通过主路管芯的寄生漏源电容Cds1接地，第二电感器Ls2的一端通过辅路管芯的寄生漏源电容Cds2接地。
本申请实施例提供的输出匹配模块，通过适度提升电路的复杂度来引入电路设计的自由度，各元件参数的组合空间得到有效的扩展，从而可以选择出满足电路尺寸的最优元件，也就是有效缩减了输出匹配模块的电路尺寸，有效缩减了输出匹配模块所需要的集成空间，大大增强了输出匹配模块的小型化。
下面以图3的连接方式为例简单说明本申请实施例的输出匹配模块引入自由度的原因。
假设第一电感器Ls1的电感值为Ls1，第二电感器Ls2的电感值为Ls2，第三电感器L3的电感值为L3，第一传输线TL1的长度为length（TL1），第一传输线TL1的特性阻抗为Z0(TL1)，第二传输线TL2的长度为length（TL2），第二传输线TL2的特性阻抗为Z0(TL2)，那么，在满足公式（1）和公式（2）的前提下，上述的取值可以随意选择。
Figure 259909DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 58100DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中，w0为工作频率，Z0为1/4波长阻抗变换线的特性阻抗，Cds1为主路管芯的寄生漏源电容，Cds2为辅路管芯的寄生漏源电容。
其中，Cds1、Cds2、w0，Z0由功率放大器实际应用环境给出。在Ls1和Ls2选定之后，L3的值按公式(3)得到，length(TL1)的值按公式(4)得到，length(TL2)的值按公式(5)得到，Z0(TL1)和Z0(TL2)视实际环境所需的偏置电流大小来确定。因此，选定不同的Ls1和Ls2，就会对应不同值的length(TL1)、length(TL2)以及L3。因此Ls1和Ls2是作为两个自由度被引入。
Figure 584897DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 48850DEST_PATH_IMAGE004
（4）
Figure 776634DEST_PATH_IMAGE005
（5）
其中，Z0（TL1）为第一传输线TL1的的特性阻抗，Z0（TL2）为第一传输线TL2的的特性阻抗。
假设功率放大器的工作频率为2.6吉赫兹（GHz），功率回退6分贝（dB），管芯最佳负载阻抗100Ω，Cds1=Cds2=1.08皮法（pF），那么，采用集总C-L-Cπ型网络来实现输出匹配模块时，实现电感LT的键合线的长度为7.18毫米（mm），实现电感L1的键合线的长度为11.1mm，实现电感L2的键合线的长度为11.1mm，最长的键合线长度为11.1mm；而采用图3的输出匹配模块时，实现第一电感器Ls1的键合线的长度为2.3mm，实现第二电感器Ls2的键合线的长度为2.3mm，实现第三电感器L3的键合线的长度为0.84mm，第一传输线TL1的长度为7.5mm，宽度为0.043mm，第二传输线TL2的长度为7.5mm，宽度为0.043mm，最长的键合线长度为2.3mm；采用图4的输出匹配模块时，实现第一电感器Ls1的键合线的长度为2.27mm，实现第二电感器Ls2的键合线的长度为2.27mm，第三传输线TL3的长度为3.25mm，宽度为0.25mm，第四传输线TL4的长度为5mm，宽度为0.035mm，第五传输线TL5的长度为5mm，宽度为0.035mm，最长的键合线长度为2.27mm；由此可见，采用本申请实施例的输出匹配模块的最长的键合线长度要小于采用集总C-L-Cπ型网络来实现输出匹配模块的最长的键合线长度，这是由于引入了自由度导致可选择性的增加而产生的效果，并且，由于单根键合线的最大长度是限制输出匹配模块小型化的关键所在，单根键合线的最大长度得以缩减从而有利于多尔蒂功率放大器的小型化。
图7为本申请另一个实施例提供的多尔蒂功率放大器的组成框图。
第二方面，参照图7，本申请另一个实施例提供一种多尔蒂功率放大器，包括：输入模块701、主路管芯702、辅路管芯703和上述任意一种输出匹配模块704；其中，输入模块701，用于将输入的射频信号分为第一主路射频信号和第一辅路射频信号，对第一主路射频信号进行第一阻抗匹配得到第二主路射频信号，对第一辅路射频信号进行相位补偿和第二阻抗匹配得到第二辅路射频信号；主路管芯702，用于对第二主路射频信号的幅度进行放大处理得到第三主路射频信号；辅路管芯703，用于对第二辅路射频信号的幅度进行放大处理得到第三辅路射频信号；输出匹配模块704，用于对第三主路射频信号和第三辅路射频信号进行第三阻抗匹配得到输出的射频信号。
在一些示例性实施例中，如图8所示，输入模块701包括：功分器801，用于将输入的射频信号分为第一主路射频信号和第一辅路射频信号；第一输入匹配子模块802，用于对第一主路射频信号进行第一阻抗匹配得到第二主路射频信号；相位补偿子模块803，用于对第一辅路射频信号进行相位补偿；第二输入匹配子模块804，用于对相位补偿后的第一辅路射频信号进行第二阻抗匹配得到第二辅路射频信号。
在本申请实施例中，第一主路射频信号和第一辅路射频信号之间的功率比例可以按照实际需要确定。
在本申请实施例中，功分器801同时为两路射频信号提供隔离功能。
在本申请实施例中，第一输入匹配子模块802将功分器801的输出阻抗匹配到主路管芯702的源阻抗，相位补偿子模块803在辅路引入额外的相移以保证主路射频信号和辅路射频信号的相位同步，第二输入匹配子模块804将将功分器801的输出阻抗匹配到辅路管芯703的源阻抗。
在本申请实施例中，输出匹配模块704将主路管芯702和辅路管芯703的负载阻抗匹配到合路点的负载阻抗。
在一些示例性实施例中，如果合路点的负载阻抗不是预设阻抗值（如50欧姆（Ω）），则功率放大器还包括：后匹配模块705，用于对输出的射频信号进行第四阻抗匹配，以将输出负载阻抗匹配到预设阻抗值；如果合路点的负载阻抗为预设阻抗值，则功率放大器不包括后匹配模块705。
为了更直观体现多尔蒂功率放大器的整体电路结构图，图9和图10给出了多尔蒂功率放大器的两个例子，所给出的例子不用于限定本申请实施例的保护范围。
本申请实施例对多尔蒂功率放大器的集成方式不作限定。图11和图12给出了两种可实现的集成方式，所给出的例子不用于限定本申请实施例的多尔蒂功率放大器的集成方式。
如图11所示，针对图9所给出的多尔蒂功率放大器，将输入模块701集成在子芯片1中，主路管芯702集成在子芯片5中，辅路管芯703集成在子芯片4中，输出匹配模块704中的第二传输线TL2、第二隔直电容C2，以及后匹配模块705集成在子芯片2中，输出匹配模块704中的第一传输线TL1和第一隔直电容C1集成在子芯片3中，子芯片4和子芯片2之间连接第二电感器Ls2，子芯片5和子芯片3之间连接第一电感器Ls1，子芯片2和子芯片3之间连接第三电感器L3。子芯片1、子芯片2、子芯片3、子芯片4、子芯片5、第一电感器Ls1、第二电感器Ls2、第三电感器L3封装成一个大芯片。
如图12所示，针对图10所给出的多尔蒂功率放大器，将输入模块701集成在子芯片1中，主路管芯702集成在子芯片4中，辅路管芯703集成在子芯片3中，输出匹配模块704中的第二传输线TL2、第二隔直电容C2、第三传输线TL3、第一传输线TL1和第一隔直电容C1，以及后匹配模块705集成在子芯片2中，子芯片4和子芯片2之间连接第一电感器Ls1，子芯片2和子芯片3之间连接第二电感器Ls2。子芯片1、子芯片2、子芯片3、子芯片4、第一电感器Ls1、第二电感器Ls2封装成一个大芯片。
本申请实施例提供的功率放大器，通过适度提升输出匹配模块的电路的复杂度来引入电路设计的自由度，各元件参数的组合空间得到有效的扩展，从而可以选择出满足电路尺寸的最优元件，也就是有效缩减了输出匹配模块的电路尺寸，有效缩减了输出匹配模块所需要的集成空间，由于多尔蒂功率放大器的所有组成部分中，输出匹配模块的空间占比比较大，缩减了输出匹配模块的尺寸就意味着缩减了多尔蒂功率放大器的尺寸，大大增强了多尔蒂功率放大器的小型化。
本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些实例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施例相结合描述的特征、特性和/或元素，或可与其它实施例相结合描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐明的本申请的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

Claims (9)

1.一种输出匹配模块，包括：
第一电感器、第二电感器、第一无源电子元件、第二无源电子元件、第三无源电子元件、第一隔直电容和第二隔直电容；
其中，所述第一电感器的一端与主路管芯的漏极连接，所述第一电感器的另一端与所述第二无源电子元件的一端连接；所述第二无源电子元件的另一端通过所述第一隔直电容接地；
所述第二电感器的一端与辅路管芯的漏极连接，所述第二电感器的另一端与所述第三无源电子元件的一端连接；所述第三无源电子元件的另一端通过所述第二隔直电容接地；
所述第二无源电子元件的另一端或所述第三无源电子元件的另一端连接偏置电源；
所述第一无源电子元件的一端与所述第一电感器的另一端连接，所述第一无源电子元件的另一端与所述第二电感器的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的输出匹配模块，其中，所述第一无源电子元件、所述第二无源电子元件、所述第三无源电子元件为电感器或传输线。
3.根据权利要求1所述的输出匹配模块，其中，所述第一无源电子元件为第三电感器，所述第二无源电子元件为第一传输线，所述第三无源电子元件为第二传输线。
4.根据权利要求1所述的输出匹配模块，其中，所述第一无源电子元件为第三传输线，所述第二无源电子元件为第四传输线，所述第三无源电子元件为第五传输线。
5.根据权利要求1所述的输出匹配模块，其中，所述第一无源电子元件为第四电感器，所述第二无源电子元件为第五电感器，所述第三无源电子元件为第六电感器。
6.根据权利要求1所述的输出匹配模块，其中，所述第一无源电子元件为第六传输线，所述第二无源电子元件为第七电感器，所述第三无源电子元件为第八电感器。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的输出匹配模块，还包括：所述主路管芯的寄生漏源电容和所述辅路管芯的寄生漏源电容；
其中，所述第一电感器的一端通过所述主路管芯的寄生漏源电容接地，所述第二电感器的一端通过所述辅路管芯的寄生漏源电容接地。
8.一种多尔蒂功率放大器，包括：输入模块、主路管芯、辅路管芯和权利要求1-7任意一项所述的输出匹配模块；
其中，所述输入模块，用于将输入的射频信号分为第一主路射频信号和第一辅路射频信号，对所述第一主路射频信号进行第一阻抗匹配得到第二主路射频信号，对所述第一辅路射频信号进行相位补偿和第二阻抗匹配得到第二辅路射频信号；
所述主路管芯，用于对所述第二主路射频信号的幅度进行放大处理得到第三主路射频信号；
所述辅路管芯，用于对所述第二辅路射频信号的幅度进行放大处理得到第三辅路射频信号；
所述输出匹配模块，用于对所述第三主路射频信号和所述第三辅路射频信号进行第三阻抗匹配得到输出的射频信号。
9.根据权利要求8所述的多尔蒂功率放大器，还包括：
后匹配模块，用于对所述输出的射频信号进行第四阻抗匹配。
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