CN114866037A - 一种宽带功率放大器装置和发射机 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种宽带功率放大器装置，输入匹配网络包括：第一电感器、第二电感器、第三电感器、驱动放大器、以及第一调频器、第二调频器、第三调频器；第一电感器的第一端和第二电感器的第一端相连，且与混频器的输出端连接，第一电感器的第二端连接第一调频器的一端，第一调频器的另一端接地；第二电感器的第二端连接驱动放大器的输入端，第二电感器的第一端和第二端之间并联第二调频器；第三电感器的第一端连接驱动放大器的输出端，第三电感器的第二端连接功率放大器的输入端，第三电感器的第一端和第二端之间并联第三调频器。有效扩展频宽，同时缩小功率放大器的面积，降低电流消耗，功率得到较大幅度的提高，同时无需大型LO驱动程序。

Description

一种宽带功率放大器装置和发射机
技术领域
本申请涉及无线通信技术领域，具体涉及一种宽带功率放大器装置和发射机。
背景技术
传统发射机(TX)链从数字基带(digital baseband)传输射频(RF)信号，然后是数字到模拟转换器(DAC)、低通滤波器(LPF)、混频器、输入匹配网络(MN)、功率放大器(PA)、输出匹配网络(MN)到天线。传统的输入匹配网络和输出匹配网络均由分流电感组成，只有在共振频率范围内，才会提供增益，分流电感器在低频下会失去信号增益，因此发射机的工作射频范围较窄。然而，现有扩展传统发射机的射频范围的方法，不仅引起发射机的硬件面积增大，功耗较大，较高的电流消耗，而且功率效率较差。
发明内容
本申请提供一种宽带功率放大器装置和发射机，以解决现有技术中的一个或多个技术问题。
本实施例提供一种宽带功率放大器装置，应用于发射机，宽带功率放大器装置的输入端连接混频器，输出端连接天线；宽带功率放大器装置包括顺次连接的输入匹配网络、功率放大器以及输出匹配网络，其特征在于，输入匹配网络包括：第一电感器、第二电感器、第三电感器、驱动放大器、以及第一调频器、第二调频器、第三调频器；
第一电感器的第一端和第二电感器的第一端相连，且与混频器的输出端连接，第一电感器的第二端连接第一调频器的一端，第一调频器的另一端接地；
第二电感器的第二端连接驱动放大器的输入端，第二电感器的第一端和第二端之间并联第二调频器；
第三电感器的第一端连接驱动放大器的输出端，第三电感器的第二端连接功率放大器的输入端，第三电感器的第一端和第二端之间并联第三调频器。
在一种具体实施方式中，第一调频器、第二调频器和第三调频器均为可调电容。
在一种具体实施方式中，宽带功率放大器装置的射频范围大于6GHz。
第二方面，本实施方式提供了一种发射机，包括如上的宽带功率放大器装置，宽带功率放大器装置的输入端连接发射机中的混频器，输出端连接天线。
本申请采用上述技术方案，具有如下优点：通过加入多个电感器串联，能够共振掉寄生电容的效应，能够实现功率放大器的工作射频范围(即具有相同的增益)从0Hz开始，有效扩展频宽，同时缩小功率放大器的面积，降低电流消耗，功率得到较大幅度的提高，同时无需大型本机振荡器(LO)驱动程序。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本申请进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。附图用于更好地理解本方案，不构成对本申请的限定。
其中：
图1绘示现有技术中的一种发射机结构示意图；
图2绘示现有技术中的另一种发射机结构示意图；
图3绘示现有技术中的另一种发射机结构示意图；
图4绘示本申请实施例提供的一种宽带功率放大器装置的结构示意图。附图说明：
宽带功率放大器装置10、数字基带11、模拟转换器12、低通滤波器13、混频器14；
输入匹配网络100、功率放大器200、输出匹配网络300；
第一电感器110、第二电感器120、第三电感器130、驱动放大器140、以及第一调频器150、第二调频器160、第三调频器170；
第一电感器110的第一端111、第一电感器110的第二端112；
第二电感器120的第一端121、第二电感器120的第二端122；
第三电感器130的第一端131、第三电感器130的第二端132。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示，传统发射机链从数字基带11传输射频信号，然后是数字到模拟转换器12、低通滤波器13、混频器14、宽带功率放大器装置10，其中，宽带功率放大器装置10包括输入匹配网络、功率放大器、输出匹配网络，宽带网络放大器10的输出端连接到天线。传统的输入匹配网络和输出匹配网络均由分流电感组成，只有在共振频率范围内，才会提供增益，分流电感器在低频下会失去信号增益,并将工作射频范围限制在射频频率的20％以内(例如2.4GHz的传统发射机只能工作在2.4GHz+/-240MHz)。
为了提高传统发射机的射频范围，现有的第一种宽带放大器如图2所示，并联多个不同带宽(高带宽、中带宽和低带宽)的功率放大器，即需要多个混频器、PA以及输出匹配网络,来提高射频范围。然而，这种结构中，面积消耗和频带成正比，导致发射机的硬件面积增大，功耗较大。第二种宽带放大器是利用主动式混频器替换掉图1中混频器、输入匹配网络、功率放大器、输出匹配网络的部分。主动式混频器的结构如图3所示，图3中，最上面的两个电感取非常大的值,以达到直流短路和交流断路,并非形成一个共振,所以不是窄带宽的设计。此架构可以实现从低频到高频,由于内部结构中完全没有电感电容并联的共振结构.但是为了输出高功率,四个连接到LO+/-的NMOS的尺寸需要很大,以至于驱动NMOS gate的电路需要消耗很多电流,而且此电流与频率成正比,越高频消耗越多。另外,主动式混频器本身的电流效率就比一般放大器差,这是第二种宽带放大器非常耗电的原因。因此主动式混频器既能够实现功率放大，还能够实现射频范围从0Hz开始调节，然而，这种方法会导致较高的电流消耗，产生的混合增益导致功率效率较差等。
本实施例提供了一种新的宽带功率放大器装置代替现有技术中的宽带功率放大器装置10，如图4所示，新的宽带功率放大器装置包括顺次连接的输入匹配网络100、功率放大器200以及输出匹配网络300，输入匹配网络100包括：第一电感器110、第二电感器120、第三电感器130、驱动放大器140、以及第一调频器150、第二调频器160、第三调频器170；
第一电感器110的第一端111和第二电感器120的第一端121相连，且与混频器14连接，第一电感器110的第二端112连接第一调频器150的一端，第一调频器150的另一端接地；第二电感器120的第二端122连接驱动放大器140的输入端，第二电感器120的第一端121和第二端122之间并联第二调频器160；
第三电感器130的第一端131连接驱动放大器140的输出端，第三电感器130的第二端132连接功率放大器200的输入端，第三电感器130的第一端131和第二端132之间并联第三调频器170。
一种示例中，现有的第一种发射机中，混频器需要做信号放大的工作，流过很大的直流电流，为了保证线性度，混频器的尺寸设计较大，要想驱动这个大尺寸的混频器则需要很大的LO驱动程序。现有的第二种发射机中，主动混频器身兼功率放大器的功能，流过很大的DC电流，缺点就是需要比正常功率放大器多叠加一层晶体管器件以完成混频功能，相比被动混频器缺少头部空间，使得主动混频器的线性度变差，且使得主动混频器的内阻增加，由于内阻的功率损耗而导致功率效率降低。为了克服这些缺陷(诸如线性度变差和功率效率降低)，需要将每层晶体管的尺寸增大，然而这样会导致主动混频器的LO驱动程序功耗上升。
本实施例提供的宽带功率放大器装置，由于功率放大器的频宽主要是被晶体管组件的寄生电容所限制，通过加入电感器，例如第一电感器110、第二电感器120、第三电感器130，能够共振掉寄生电容的效应，能够实现功率放大器的工作射频范围从0Hz开始，扩展频宽。同时，第一电感器110、第二电感器120、第三电感器130串联成单路的连接方式，相比现有技术第一种结构中并联多个不同带宽(高带宽、中带宽和低带宽)的功率放大器，电感面积缩小。需要指出的是，仅有第二电感器120和第三电感器130即可达到频宽。
第一调频器150、第二调频器160、第三调频器170是用来过滤第三谐波的。根据不同的信号频率进行调节，第一电感器110和第一调频器150组成一个陷波滤波器，第二电感器120和第二调频器160组成带通滤波器，第三电感器130和第三调频器170组成带通滤波器，这三个滤波器都会调到信号频率的三倍处，把放大器产生的三次谐波过滤掉。
驱动放大器140提供输入匹配网络的电压增益，功率放大器200和混频器都保持自身的功能。相比现有技术第二种结构中主动混频器的功能兼顾混频和功率放大，本实施例提供的宽带功率放大器装置，功率效率优于现有的第二种结构的主动混频器，功率得到较大幅度的提高，同时无需大型LO驱动程序。
本实施例中，通过加入多个电感器串联，能够共振掉寄生电容的效应，能够实现功率放大器的工作射频范围从0Hz开始，有效扩展频宽，同时缩小功率放大器的面积，降低电流消耗，功率得到较大幅度的提高，同时无需大型LO驱动程序。
在一种具体实施方式中，第一调频器、第二调频器和第三调频器的调频范围均包括5GHz～15GHz。
一种示例中，调频器的调节范围可以从0开始，有效扩大了频带调节范围。
在一种具体实施方式中，第一调频器、第二调频器和第三调频器均为可调电容。
一种示例中，第一调频器、第二调频器和第三调频器包括但不限于可调电容，还可以是其他可调器件，均在本实施例的保护范围内。
在一种具体实施方式中，第一电感、第二电感器和第三电感器的调节范围可以根据实际情况进行设置，可以使得滤波器的范围更广。
在一种具体实施方式中，宽带功率放大器装置的射频范围大于6GHz。
本实施例中，宽带功率放大器装置的射频范围(6GHz)为传统发射机射频范围(600MHz)的10倍或更高。
本实施方式还提供了一种发射机，包括如上的宽带功率放大器装置，宽带功率放大器装置的输入端连接发射机中的混频器，输出端连接天线。能够共振掉寄生电容的效应，能够实现功率放大器的工作射频范围从0开始，有效扩展频宽，同时缩小发射机的面积，功率得到较大幅度的提高，同时无需大型LO驱动程序。
上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宽带功率放大器装置，应用于发射机，宽带功率放大器装置的输入端连接混频器，输出端连接天线；宽带功率放大器装置包括顺次连接的输入匹配网络、功率放大器以及输出匹配网络，其特征在于，输入匹配网络包括：第一电感器、第二电感器、第三电感器、驱动放大器、以及第一调频器、第二调频器、第三调频器；
第一电感器的第一端和第二电感器的第一端相连，且与混频器的输出端连接，第一电感器的第二端连接第一调频器的一端，第一调频器的另一端接地；
第二电感器的第二端连接驱动放大器的输入端，第二电感器的第一端和第二端之间并联第二调频器；
第三电感器的第一端连接驱动放大器的输出端，第三电感器的第二端连接功率放大器的输入端，第三电感器的第一端和第二端之间并联第三调频器。
2.根据权利要求1的宽带功率放大器装置，其特征在于，第一调频器、第二调频器和第三调频器均为可调电容。
3.根据权利要求1的宽带功率放大器装置，其特征在于，宽带功率放大器装置的射频范围大于6GHz。
4.一种发射机，其特征在于，包括如权利要求1～3的宽带功率放大器装置。
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