CN115333492A - 砷化镓功率放大器的匹配电路结构及射频功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种砷化镓功率放大器的匹配电路结构和射频功率放大器，其中，砷化镓功率放大器的匹配电路结构包括砷化镓功率放大器以及连接在砷化镓功率放大器的输入端的输入基波匹配网络和输入谐波匹配网络；输入基波匹配网络用于对输入砷化镓功率放大器的信号进行基波的共轭阻抗匹配；输入谐波匹配网络连接于输入基波匹配网络的输出端和砷化镓功率放大器的输入端之间，用于对输入砷化镓功率放大器的信号进行谐波的阻抗匹配；如此，通过设置输入谐波匹配网络，对输入砷化镓功率放大器的信号进行谐波的阻抗匹配，从而有效地提升了砷化镓功率放大器的效率和功率。

Description

砷化镓功率放大器的匹配电路结构及射频功率放大器
技术领域
本发明涉及功率放大器及集成电路技术领域，特别是涉及一种砷化镓功率放大器的匹配电路结构及射频功率放大器。
背景技术
功率放大器(Power Amplifier，PA)作为通信、雷达等各类无线电系统中重要的组成部分之一，其性能很大程度上决定了整机性能的好坏。随着通信技术的快速发展，对于功率放大器的需求也越来越大，此时对于新材料氮化镓(GaN)和砷化镓(GaAs)的应用越来越多。其中，GaN PA芯片的设计和使用中，往往无源器件占用面积较多，使得芯片面积较大，而GaN材料由于其介电常数等方面的原因，其匹配电路的面积大于GaAs材料，加之材料固有成本高于GaAs，使得GaN PA的成本较高。而GaAs PA在此方面具有一定的优势。
功率放大器为实现所要求的高功率，往往需要多级功率放大器级联，这就涉及到前级功率放大器和后级之间的连接和匹配。常见的方法是分别设计前后级功率放大器的放大和匹配电路，再将前级功率放大器的输出与后级功率放大器的输入级联。对于GaAs PA，如何提升其效率是本领域亟需解决的重要技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种砷化镓功率放大器的匹配电路结构及射频功率放大器。
第一方面，本申请一实施例提供了一种砷化镓功率放大器的匹配电路结构，包括：砷化镓功率放大器，以及连接在所述砷化镓功率放大器的输入端的输入基波匹配网络和输入谐波匹配网络；其中，
所述输入基波匹配网络用于对输入所述砷化镓功率放大器的信号进行基波的共轭阻抗匹配；
所述输入谐波匹配网络连接于所述输入基波匹配网络的输出端和所述砷化镓功率放大器的输入端之间，用于对输入所述砷化镓功率放大器的信号进行谐波的阻抗匹配。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述输入谐波匹配网络包括串联谐振支路；其中，
所述串联谐振支路的一端与所述输入基波匹配网络的输出端连接，另一端接地；
所述串联谐振支路包括彼此串联连接的电感和电容，所述电感的感值和所述电容的容值满足使得所述串联谐振支路谐振于谐波的频点。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述串联谐振支路包括二次谐波串联谐振支路；其中，
所述二次谐波串联谐振支路包括彼此串联连接的第一电感和第一电容，所述第一电感的感值和所述第一电容的容值满足以下条件：
Figure BDA0003806895880000021
其中，f0为基波频率，L1为第一电感的感值，C1为第一电容的容值。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述串联谐振支路还包括三次谐波串联谐振支路；其中，
所述三次谐波串联谐振支路包括彼此串联连接的第二电感和第二电容，所述第二电感的感值和所述第二电容的容值满足以下条件：
Figure BDA0003806895880000022
其中，L2为第二电感的感值，C2为第二电容的容值。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，所述输入谐波匹配网络还包括第三电感；其中，
所述第三电感的一端与所述输入基波匹配网络的输出端连接，另一端与所述砷化镓功率放大器的输入端连接；所述第三电感用于在所述串联谐振支路的基础上调节谐波的相位。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，还包括：连接在所述砷化镓功率放大器的输出端的输出功率匹配网络；其中，
所述输出功率匹配网络用于对所述砷化镓功率放大器输出的信号进行基波的功率匹配。
结合本申请的第一方面，在一可选实施方式中，还包括：连接在所述砷化镓功率放大器的输出端的输出谐波匹配网络；其中，
所述输出谐波匹配网络用于对所述砷化镓功率放大器输出的信号进行谐波的阻抗匹配。
第二方面，本申请实施例提供了一种射频功率放大器，包括如上述实施方式中任意一项所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构。
本申请实施例所提供的砷化镓功率放大器的匹配电路结构和射频功率放大器，通过设置输入谐波匹配网络，对输入砷化镓功率放大器的信号进行谐波的阻抗匹配，从而有效地提升了砷化镓功率放大器的效率和功率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为相关技术中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的示意图；
图2为本申请一实施例中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的示意图；
图3为本申请一具体示例中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的示意图；
图4为本申请又一具体示例中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的示意图；
图5a为相关技术中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的性能曲线；
图5b为本申请一具体示例中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的性能曲线。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面通过列举具体实施例的方式，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。当描述“第一”时，并不表示必然存在“第二”；而当讨论“第二”时，也并不表明本申请必然存在第一元件、部件、区、层或部分。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可能意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。还应明白术语“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征的存在，但不排除一个或更多其它的特征的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
可以理解，本申请上下文中“连接”表示被连接的一端与连接至的一端之间相互具有电信号或数据的传递，可理解为“电连接”、“通信连接”等。本申请上下文中“A与B直接连接”表示A和B之间不包括除导线以外的其他元器件。
在相关技术中，砷化镓功率放大器的匹配电路包括输入匹配网络和输出匹配网络。其中，输入匹配网络的作用是进行基波的共轭阻抗匹配；输出匹配网络的作用一般是除了基波的功率匹配外，还进行二阶谐波阻抗匹配，从而对输出电流电压的波形整形，也能达到一定的提高效率的作用。图1示出相关技术中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的示意图。如图所示，在砷化镓功率放大器100的输入端连接有输入基波匹配网络110，在砷化镓功率放大器100的输出端连接有输出功率匹配网络和输出谐波匹配网络。从效率方面考虑，相关技术没有关注输入二次或者三次谐波的影响，只是从输出进行匹配，并且大量的输出匹配元件使输出网络差损增加，直接影响输出功率和效率。
本申请实施例提供了一种砷化镓功率放大器的匹配电路结构，请参考图2。如图所示，砷化镓功率放大器的匹配电路结构包括：砷化镓功率放大器100，以及连接在砷化镓功率放大器100的输入端的输入基波匹配网络110和输入谐波匹配网络120。
这里，砷化镓功率放大器100采用的晶体管管芯的材质为砷化镓。
输入基波匹配网络110用于对输入砷化镓功率放大器100的信号进行基波的共轭阻抗匹配。因此也可以称为“输入基波共轭匹配网络”。
输入谐波匹配网络120连接于输入基波匹配网络的输出端和砷化镓功率放大器的输入端之间，用于对输入砷化镓功率放大器100的信号进行谐波的阻抗匹配。
可以理解的，输入谐波阻抗对效率和功率都有影响，本申请实施例通过设置输入谐波匹配网络120，对输入砷化镓功率放大器100的信号进行谐波的阻抗匹配，从而有效地提升了砷化镓功率放大器100的效率和功率。
对于输入基波匹配网络110的具体实现方式，本领域技术人员可根据实际情况进行设置，此处不做具体限定。在输入基波匹配网络110的输入端与接地端之间连接有50Ω电阻；应当理解，这里仅是以50Ω的典型系统阻抗为例示出，并不表示本申请实施例必须采用或者仅能采用50Ω电阻。
砷化镓功率放大器100还包括连接至电源电压的一端。砷化镓功率放大器100与电源之间连接有电感(参考图中L0)；并且该电感具体可以为电感扼流圈。
接下来，请参考图3，在一具体示例中，输入谐波匹配网络120包括串联谐振支路(请参考图中121)；其中，串联谐振支路的一端与输入基波匹配网络110的输出端连接，另一端接地；串联谐振支路包括彼此串联连接的电感和电容，电感的感值和电容的容值满足使得串联谐振支路谐振于谐波的频点。可以理解的，通过电感和电容谐振在谐波的频点，可以将谐波的相位固定在某个位置，从而输出的电流和电压的形状和相位被锁住，并且被锁在一个最佳的位置，如此，效率也将达到最佳值。
在具体应用中，串联谐振支路可以包括二次谐波串联谐振支路121；其中，二次谐波串联谐振支路121包括彼此串联连接的第一电感和第一电容，第一电感的感值和第一电容的容值满足以下条件：
Figure BDA0003806895880000071
其中，f0为基波频率，L1为第一电感的感值，C1为第一电容的容值。如此，二次谐波串联谐振支路谐振于二次谐波的频点，并将二次谐波的相位锁定在180°，实现对二次谐波相位的固定。
请继续参考图3，输入谐波匹配网络120还可以包括第三电感(请参考图中L3)；其中，第三电感的一端与输入基波匹配网络110的输出端连接，另一端与砷化镓功率放大器100的输入端连接；第三电感用于在串联谐振支路的基础上调节谐波的相位；从而可以达到需要的谐波阻抗。对于串联谐振支路包括二次谐波串联谐振支路的情况，二次谐波串联谐振支路谐振于二次谐波的频点，第三电感在二次谐波串联谐振支路谐振的基础上调整二次谐波的相位，从而达到所需的二次谐波阻抗，有效提升了砷化镓功率放大器100的效率。
图5a示出了相关技术中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的性能曲线，图5b示出了本申请一具体示例中砷化镓功率放大器的匹配电路结构的性能曲线。如图5a所示，对于相关技术中砷化镓功率放大器的匹配电路结构，在输出功率(Output Power)为22.405dBm，功率附加效率(Power Added Efficiency，PAE)达到峰值，且具体为60.542(参考图中m2)。而图5b示出了对于本申请一具体示例中砷化镓功率放大器的匹配电路结构(具体为图3所示结构)，在输出功率为22.317dBm，功率附加效率达到峰值，且峰值具体为62.696，明显高于相关技术中的PAE峰值60.542。使用本申请实施例提供的砷化镓功率放大器的匹配电路结构显著提高了PAE性能。
接下来，请参考图4，在又一具体示例中，串联谐振支路还包括三次谐波串联谐振支路122；其中，三次谐波串联谐振支路122包括彼此串联连接的第二电感和第二电容，第二电感的感值和第二电容的容值满足以下条件：
Figure BDA0003806895880000081
Figure BDA0003806895880000082
其中，L2为第二电感的感值，C2为第二电容的容值。如此，三次谐波串联谐振支路谐振于三次谐波的频点，从而进一步克服了输入三次谐波的影响。
进一步的，对于串联谐振支路还包括三次谐波串联谐振支路122的具体示例，输入谐波匹配网络120还可以包括第三电感(请参考图中L31和L32)；其中，电感L31和电感L32串联连接成第三电感串联结构，并且第三电感串联结构的一端与输入基波匹配网络110的输出端连接，另一端与砷化镓功率放大器的输入端连接；第三电感用于在串联谐振支路的基础上调节谐波的相位。具体地，二次谐波串联谐振支路121的第一端与电感L31的第一端共同连接于位于输入基波匹配网络110的输出端的第一节点，二次谐波串联谐振支路121的第二端接地，三次谐波串联谐振支路122的第一端与电感L32的第一端共同连接于位于电感L31的第二端的第二节点，三次谐波串联谐振支路122的第二端接地，电感L32的第二端与砷化镓功率放大器的输入端连接。
可以理解的，虽然本具体示例仅示出了二次谐波串联谐振支路121和三次谐波串联谐振支路122，但是这并不意味着串联谐振支路仅可包括二次谐波串联谐振支路121和三次谐波串联谐振支路122。在一些其他示例中，输入谐波匹配网络120还可以包括其他串联谐振支路，例如包括五次谐波串联谐振支路等，这里不展开论述。
请继续参考图2-图4，在本申请实施例中，砷化镓功率放大器的匹配电路结构还可以包括：连接在砷化镓功率放大器100的输出端的输出功率匹配网络160；其中，输出功率匹配网络160用于对砷化镓功率放大器100输出的信号进行基波的功率匹配。
在本申请实施例中，砷化镓功率放大器的匹配电路结构还可以包括：连接在砷化镓功率放大器100的输出端的输出谐波匹配网络150；其中，输出谐波匹配网络150用于对砷化镓功率放大器100输出的信号进行谐波的阻抗匹配。
对于输出谐波匹配网络150和输出功率匹配网络160的具体实现方式，本领域技术人员可根据实际情况进行设置，此处不做具体限定。在输出功率匹配网络160的输出端与接地端之间连接有50Ω电阻；应当理解，这里仅是以50Ω的典型系统阻抗为例示出，并不表示本申请实施例必须采用或者仅能采用50Ω电阻。
如此，既在砷化镓功率放大器100的输出端进行谐波的阻抗匹配，又在砷化镓功率放大器100的输入端进行谐波的阻抗匹配，有效提升了砷化镓功率放大器100的效率。
这里，输出谐波匹配网络150可以包括二次谐波匹配支路。进一步的，输出谐波匹配网络150还可以包括三次谐波匹配支路。
在此基础上，本申请实施例还提供了一种射频功率放大器，包括前述任一实施例中的砷化镓功率放大器的匹配电路结构。
可以理解的，在提升了砷化镓功率放大器的匹配电路结构中砷化镓功率放大器100的效率和功率的基础上，包括该砷化镓功率放大器的匹配电路结构的射频功率放大器的性能也得到提升。
这里，射频功率放大器可以应用在通讯设备中，例如手机、基站等设备中。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，包括：砷化镓功率放大器，以及连接在所述砷化镓功率放大器的输入端的输入基波匹配网络和输入谐波匹配网络；其中，
所述输入基波匹配网络用于对输入所述砷化镓功率放大器的信号进行基波的共轭阻抗匹配；
所述输入谐波匹配网络连接于所述输入基波匹配网络的输出端和所述砷化镓功率放大器的输入端之间，用于对输入所述砷化镓功率放大器的信号进行谐波的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，所述输入谐波匹配网络包括串联谐振支路；其中，
所述串联谐振支路的一端与所述输入基波匹配网络的输出端连接，另一端接地；
所述串联谐振支路包括彼此串联连接的电感和电容，所述电感的感值和所述电容的容值满足使得所述串联谐振支路谐振于谐波的频点。
3.根据权利要求2所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，所述串联谐振支路包括二次谐波串联谐振支路；其中，
所述二次谐波串联谐振支路包括彼此串联连接的第一电感和第一电容，所述第一电感的感值和所述第一电容的容值满足以下条件：
Figure FDA0003806895870000011
其中，f0为基波频率，L1为第一电感的感值，C1为第一电容的容值。
4.根据权利要求3所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，所述串联谐振支路还包括三次谐波串联谐振支路；其中，
所述三次谐波串联谐振支路包括彼此串联连接的第二电感和第二电容，所述第二电感的感值和所述第二电容的容值满足以下条件：
Figure FDA0003806895870000021
其中，L2为第二电感的感值，C2为第二电容的容值。
5.根据权利要求2所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，所述输入谐波匹配网络还包括第三电感；其中，
所述第三电感的一端与所述输入基波匹配网络的输出端连接，另一端与所述砷化镓功率放大器的输入端连接；所述第三电感用于在所述串联谐振支路的基础上调节谐波的相位。
6.根据权利要求1所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，还包括：连接在所述砷化镓功率放大器的输出端的输出功率匹配网络；其中，
所述输出功率匹配网络用于对所述砷化镓功率放大器输出的信号进行基波的功率匹配。
7.根据权利要求1所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构，其特征在于，还包括：连接在所述砷化镓功率放大器的输出端的输出谐波匹配网络；其中，
所述输出谐波匹配网络用于对所述砷化镓功率放大器输出的信号进行谐波的阻抗匹配。
8.一种射频功率放大器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任意一项所述的砷化镓功率放大器的匹配电路结构。
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