CN115549611A - 基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，电路包括第一隔直电容、第二隔直电容、功率分配电路、功率合成电路、第一单片差分带宽电路以及第二单片差分带宽电路。实施本发明实施例，该电路通过引入差分结构，进而改善集成式异相射频功率放大电路的窄带限制，进而在新一代通信对集成式异相射频功率放大电路的需求中可以脱颖而出，并能通过频点的选择性，能满足在不同应用频带下进行工作，提升了集成式异相射频功率放大电路的带宽。

Description

基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路

技术领域

本发明属于功率放大技术领域，尤其涉及一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路。

背景技术

随着无线通信系统朝着小型化、低功耗的方向发展，单片集成射频电路成为大势所趋。第五代移动通信(下简称“5G”通信)的到来，为新一代射频前端(包括射频功率放大器)芯片的研发拉开帷幕。进入“5G”通信时代，在室内空间大规模建设微型基站成为重要的发展趋势。微基站具有体积小巧、灵活部署的特点，可以很好地解决局部热点对信号和容量的需求，实现深度覆盖，增加网络容量。因此，近几年内，应用于微基站的射频功率放大器(功放)芯片将成为“5G”通信一大热点。然而，受环境以及寄生参数的影响，传统的单端功率放大器设计普遍存在带宽低的不足。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，能够提升整体电路的带宽。

本申请公开一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，包括第一隔直电容、第二隔直电容、功率分配电路、功率合成电路、第一单片差分带宽电路以及第二单片差分带宽电路，其中：

所述第一隔直电容的一端与射频输入端连接，所述第一隔直电容的另一端与所述功率分配电路的第一端连接；

所述功率分配电路的第二端通过匹配网络与所述第一单片差分带宽电路的一端连接，所述功率分配电路的第三端通过匹配网络与所述第二单片差分带宽电路的一端连接，所述功率分配电路适于将所述第一端接收到的功率分配至所述第一单片差分带宽电路和所述第二单片差分带宽电路；

所述第一单片差分带宽电路的另一端通过匹配网络与所述功率合成电路的第一端连接，所述第一单片差分带宽电路适于进行功率放大；

所述第二单片差分带宽电路的另一端通过匹配网络与所述功率合成电路的第二端连接，所述第二单片差分带宽电路适于进行功率放大；

所述功率合成电路的第三端与所述第二隔直电容的一端连接，所述第二隔直电容的另一端与射频输出端连接，所述功率合成电路适于将所述功率合成电路第一端和第二端接收到的两路功率进行合并。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述功率分配电路包括第一电感、第一电容以及第一电阻，其中：

所述第一电感的一端与所述第一隔直电容的另一端以及所述第一电容的一端同时连接，所述第一电感的另一端与所述第一电阻的一端连接，且所述第一电感的另一端以及所述第一电阻的一端通过匹配网络同时与所述第二单片差分带宽电路的一端连接；

所述第一电容的另一端与所述第一电阻的另一端连接，且所述第一电容的另一端以及所述第一电阻的另一端通过匹配网络同时与所述第一单片差分带宽电路的一端连接。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述第一单片差分带宽电路包括第一变压器、第一放大电路、第二放大电路以及第二变压器，其中：

所述第一变压器的第一端通过匹配网络与所述第一电容的另一端以及所述第一电阻的另一端同时连接；所述第一变压器的第二端接地；所述第一变压器的第三端与所述第一放大电路的一端连接；所述第一变压器的第四端与所述第二放大电路的一端连接；

所述第二变压器的第一端与所述第一放大电路的另一端连接；所述第二变压器的第二端与所述第二放大电路的另一端连接；所述第二变压器的第三端通过匹配网络与所述功率合成电路的第一端连接；所述第二变压器的第四端接地。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述第二单片差分带宽电路包括第三变压器、第三放大电路、第四放大电路以及第四变压器，其中：

所述第三变压器的第一端通过匹配网络与所述第一电感的另一端以及所述第一电阻的一端同时连接；所述第三变压器的第二端接地；所述第三变压器的第三端与所述第三放大电路的一端连接；所述第三变压器的第四端与所述第四放大电路的一端连接；

所述第四变压器的第一端与所述第三放大电路的另一端连接；所述第四变压器的第二端与所述第四放大电路的另一端连接；所述第四变压器的第三端通过匹配网络与所述功率合成电路的第二端连接；所述第四变压器的第四端接地。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述功率合成电路包括第二电感、第二电容以及第二电阻，其中：

所述第二电感的一端与所述第二电阻的一端连接，且所述第二电感的一端以及所述第二电阻的一端通过匹配网络与所述第二变压器的第三端同时连接；

所述第二电容的一端与所述第二电阻的另一端连接，且所述第二电容的一端以及所述第二电阻的另一端通过匹配网络与所述第四变压器的第三端同时连接；所述第二电容的另一端以及所述第二电感的另一端与所述第二隔直电容的一端同时连接。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述功率分配电路还包括第三电感和第三电容，其中：

所述第三电感的一端与所述第一电容的一端连接，所述第三电感的另一端接地；

所述第三电容的一端与所述第一电感的一端连接，所述第三电容的另一端接地。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述功率合成电路还包括第四电感和第四电容，其中：

所述第四电感的一端与所述第二电容的一端连接，所述第四电感的另一端接地；

所述第四电容的一端与所述第二电感的一端连接，所述第四电容的另一端接地。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例中，基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路通过引入差分结构，进而改善集成式异相射频功率放大电路的窄带限制，进而在新一代通信对集成式异相射频功率放大电路的需求中可以脱颖而出，并能通过频点的选择性，能满足在不同应用频带下进行工作，提升了集成式异相射频功率放大电路的带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路的结构示意图；

图2是本发明实施例公开的一种功率分配电路的结构示意图；

图3是本发明实施例公开的一种功率合成电路的结构示意图；

图4是本发明实施例公开的另一种功率合成电路的结构示意图。

图1～4中，符号表示为：

REIN-射频输入端，RFOUT-射频输出端，L1-第一电感，L2-第二电感，L3-第三电感，L4-第四电感，C1-第一电容，C2-第二电容，C3-第三电容，C4-第四电容，Cblock1-第一隔直电容，Cblock2-第二隔直电容，R1-第一电阻，R2-第二电阻，T1-第一变压器，T2-第二变压器，T3-第三变压器，T4-第四变压器。

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。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例公开一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，通过引入差分结构，进而改善集成式异相射频功率放大电路的窄带限制，进而在新一代通信对集成式异相射频功率放大电路的需求中可以脱颖而出，并能通过频点的选择性，能满足在不同应用频带下进行工作，提升了集成式异相射频功率放大电路的带宽。以下分别进行详细说明。

图1为本申请实施例提供的一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路的结构示意图，参见图1，本申请实施例中的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路包括：

第一隔直电容Cblock1、第二隔直电容Cblock2、功率分配电路、功率合成电路、第一单片差分带宽电路以及第二单片差分带宽电路，其中：

所述第一隔直电容Cblock1的一端与射频输入端REIN连接，所述第一隔直电容Cblock1的另一端与所述功率分配电路的第一端连接；

所述功率分配电路的第二端通过匹配网络与所述第一单片差分带宽电路的一端连接，所述功率分配电路的第三端通过匹配网络与所述第二单片差分带宽电路的一端连接，所述功率分配电路适于将所述第一端接收到的功率分配至所述第一单片差分带宽电路和所述第二单片差分带宽电路；

所述第一单片差分带宽电路的另一端通过匹配网络与所述功率合成电路的第一端连接，所述第一单片差分带宽电路适于进行功率放大；

所述第二单片差分带宽电路的另一端通过匹配网络与所述功率合成电路的第二端连接，所述第二单片差分带宽电路适于进行功率放大；

所述功率合成电路的第三端与所述第二隔直电容Cblock2的一端连接，所述第二隔直电容Cblock2的另一端与射频输出端REOUT连接，所述功率合成电路适于将所述功率合成电路第一端和第二端接收到的两路功率进行合并。

所述功率分配电路包括第一电感L1、第一电容C1以及第一电阻R1，其中：

所述第一电感L1的一端与所述第一隔直电容Cblock1的另一端以及所述第一电容C1的一端同时连接，所述第一电感L1的另一端与所述第一电阻R1的一端连接，且所述第一电感L1的另一端以及所述第一电阻R1的一端通过匹配网络同时与所述第二单片差分带宽电路的一端连接；

所述第一电容C1的另一端与所述第一电阻R1的另一端连接，且所述第一电容C1的另一端以及所述第一电阻R1的另一端通过匹配网络同时与所述第一单片差分带宽电路的一端连接。

所述第一单片差分带宽电路包括第一变压器T1、第一放大电路、第二放大电路以及第二变压器T2，其中：

所述第一变压器T1的第一端通过匹配网络与所述第一电容C1的另一端以及所述第一电阻R1的另一端同时连接；所述第一变压器T1的第二端接地；所述第一变压器T1的第三端与所述第一放大电路的一端连接；所述第一变压器T1的第四端与所述第二放大电路的一端连接；

所述第二变压器T2的第一端与所述第一放大电路的另一端连接；所述第二变压器T2的第二端与所述第二放大电路的另一端连接；所述第二变压器T2的第三端通过匹配网络与所述功率合成电路的第一端连接；所述第二变压器T2的第四端接地。

所述第二单片差分带宽电路包括第三变压器T3、第三放大电路、第四放大电路以及第四变压器T4，其中：

所述第三变压器T3的第一端通过匹配网络与所述第一电感L1的另一端以及所述第一电阻R1的一端同时连接；所述第三变压器T3的第二端接地；所述第三变压器T3的第三端与所述第三放大电路的一端连接；所述第三变压器T3的第四端与所述第四放大电路的一端连接；

所述第四变压器T4的第一端与所述第三放大电路的另一端连接；所述第四变压器T4的第二端与所述第四放大电路的另一端连接；所述第四变压器T4的第三端通过匹配网络与所述功率合成电路的第二端连接；所述第四变压器T4的第四端接地。

所述功率合成电路包括第二电感L2、第二电容C2以及第二电阻R2，其中：

所述第二电感L2的一端与所述第二电阻R2的一端连接，且所述第二电感L2的一端以及所述第二电阻R2的一端通过匹配网络与所述第二变压器T2的第三端同时连接；

所述第二电容C2的一端与所述第二电阻R2的另一端连接，且所述第二电容C2的一端以及所述第二电阻R2的另一端通过匹配网络与所述第四变压器T4的第三端同时连接；所述第二电容C2的另一端以及所述第二电感L2的另一端与所述第二隔直电容Cblock2的一端同时连接。

请一并参阅图2、图3以及图4，图2是本发明实施例公开的一种功率分配电路的结构示意图；图3是本发明实施例公开的一种功率合成电路的结构示意图；图4是本发明实施例公开的另一种功率合成电路的结构示意图，其中：

所述功率分配电路还包括第三电感L3和第三电容C3，其中：

所述第三电感L3的一端与所述第一电容C1的一端连接，所述第三电感L3的另一端接地；

所述第三电容C3的一端与所述第一电感L1的一端连接，所述第三电容C3的另一端接地。

所述功率合成电路还包括第四电感L4和第四电容C4，其中：

所述第四电感L4的一端与所述第二电容C2的一端连接，所述第四电感L4的另一端接地；

所述第四电容C4的一端与所述第二电感L2的一端连接，所述第四电容C4的另一端接地。

本发明通过引入异相功率分配器和合成器，进而改善功率放大器对负载的依赖性，所以即便负载处于严重失配时，该结构的功率放大器依然可以可靠的工作，提高了功率放大器的可靠性。通过引入差分结构，进而改善功率放大器的窄带限制，进而在新一代通信对宽带放大器的需求中可以脱颖而出，并能通过频点的选择性，能满足在不同应用频带下进行工作。通过多路的功率，则对于每一路所要求的工作功率则可以对应降低功率，即在功率回退时所能工作在更加线性的范围，从而功率合成后提高了功率放大器的线性度。通过集成度更高和利用在基板上即完成四路功率放大器的设计，则可以大大降低研发成本。

本发明实施例中，该功率合成电路采用硅基集成式无源器件工艺，上下网络中都通过变压器T1、T2将两路合成一单片差分宽带电路，每一路都是由匹配电路搭配两级分别工作A类和AB类的功率放大管组成一个线性的放大电路。

此时的变压器T1、T2、T3以及T4采用的是片上螺旋变压器，放大电路是由L型匹配电路、T型级间匹配电路以及输出阻抗变换电路构成。变压器自电信早期就开始应用于通信系统中，它不仅能够代替电感应用于谐振网络或者作为电感性反馈，而且具有单独的电感所不具备的耦合信号、电压及阻抗变换、隔直流等功能。故差分结构则可以利用双HBT晶体管共射互连结点上所产生的射频虚拟地来消除上述单端方案存在的弊病因此它能实现更优的高频增益与一致性，降低衬底耦合作用对其他电路的干扰，增强了集成模组稳定度；同时，在相同的输出功率水平下，差分功放的负载线阻抗是传统单端结构的4倍，阻抗变换比的大幅减小有利于避免匹配网络可能引入的较大插入损耗与窄小带宽，以至于可以实现拓宽带宽性能以满足新一代宽带通信需求。

为了节约成本，发射机小型化，处于功率放大器和天线之间的隔离器往往被移除。由于天线的阻抗随外部电磁环境的变化而变化，工作于失配状态的射频发射机将有大量反射功率返回功率放大器的输出端。本发明设计的是通过上下网络的连接则通过虚线框中的电路进行功率的分配与合成，这时如果功率放大器的抗烧毁能力不够强，将会对功率放大器造成破坏，甚至导致功率放大器的烧毁，从而造成整个发射机工作失常。所以在一二路和三四路之间通过引入±45°的相移来改善功率放大器对负载的依赖性，即使负载处于严重失配时，该结构的功率放大器依然可以可靠工作。

图2为输入的片外无源元件L3和C3组成一个3dB的功率分配电路。由于并联的电路L3和C3会形成对应频点谐振电路，其会因此抵消而不影响电路，故会简化为图中间电路所示。

图3为输出的片外无源元件L4和C4组成一个3dB的功率合成电路。由于并联的电路L4和C4会形成对应频点谐振电路，其会因此抵消而不影响电路，故会简化为图中间电路所示。

图4为简化图，其相移网络可以简化如图中所示，Γ_PA为放大器的反射系数，Γ为负载的反射系数，两者的关系为：

当

时，可知

则意味着此时相位合成的反射系数最小，因此增加功放对负载的容忍度，增强了功率放大电路的可靠性。

上述电路在基板中实施，第一路和第二路的合成输出则处于宽带工作，第三第四的合成也处于宽带工作。而在虚划线方框的LC工作下，由于受LC元件谐振频率的限制，此时的电路是对一个特定频率范围工作。则可以通过对不同LC的选值而对不同频点的选择。

终上所述，通过四路的功率合成，则对每一路的功率设计要求则可以降低，从而在功率回退可以在较低功率下，则功率放大管设计就可以采用如A类或者浅AB类的功率放大器。比如微基站所要求的27dBm的工作功率，由于每一路是平衡对称的功率设计，则分配至每一路功率则需要15dBm，这大大降低了设计高功率时所产生温度所带来的性能恶化。并且通过对LC元件的选值，即可以对不同工作频点下进行选择合适的值，从而达到可重构。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，包括第一隔直电容、第二隔直电容、功率分配电路、功率合成电路、第一单片差分带宽电路以及第二单片差分带宽电路，其中：

所述第一隔直电容的一端与射频输入端连接，所述第一隔直电容的另一端与所述功率分配电路的第一端连接；

所述功率分配电路的第二端通过匹配网络与所述第一单片差分带宽电路的一端连接，所述功率分配电路的第三端通过匹配网络与所述第二单片差分带宽电路的一端连接，所述功率分配电路适于将所述第一端接收到的功率分配至所述第一单片差分带宽电路和所述第二单片差分带宽电路；

所述第一单片差分带宽电路的另一端通过匹配网络与所述功率合成电路的第一端连接，所述第一单片差分带宽电路适于进行功率放大；

所述第二单片差分带宽电路的另一端通过匹配网络与所述功率合成电路的第二端连接，所述第二单片差分带宽电路适于进行功率放大；

所述功率合成电路的第三端与所述第二隔直电容的一端连接，所述第二隔直电容的另一端与射频输出端连接，所述功率合成电路适于将所述功率合成电路第一端和第二端接收到的两路功率进行合并。

2.根据权利要求1所述的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，所述功率分配电路包括第一电感、第一电容以及第一电阻，其中：

所述第一电感的一端与所述第一隔直电容的另一端以及所述第一电容的一端同时连接，所述第一电感的另一端与所述第一电阻的一端连接，且所述第一电感的另一端以及所述第一电阻的一端通过匹配网络同时与所述第二单片差分带宽电路的一端连接；

所述第一电容的另一端与所述第一电阻的另一端连接，且所述第一电容的另一端以及所述第一电阻的另一端通过匹配网络同时与所述第一单片差分带宽电路的一端连接。

3.根据权利要求2所述的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，所述第一单片差分带宽电路包括第一变压器、第一放大电路、第二放大电路以及第二变压器，其中：

所述第一变压器的第一端通过匹配网络与所述第一电容的另一端以及所述第一电阻的另一端同时连接；所述第一变压器的第二端接地；所述第一变压器的第三端与所述第一放大电路的一端连接；所述第一变压器的第四端与所述第二放大电路的一端连接；

所述第二变压器的第一端与所述第一放大电路的另一端连接；所述第二变压器的第二端与所述第二放大电路的另一端连接；所述第二变压器的第三端通过匹配网络与所述功率合成电路的第一端连接；所述第二变压器的第四端接地。

4.根据权利要求3所述的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，所述第二单片差分带宽电路包括第三变压器、第三放大电路、第四放大电路以及第四变压器，其中：

所述第三变压器的第一端通过匹配网络与所述第一电感的另一端以及所述第一电阻的一端同时连接；所述第三变压器的第二端接地；所述第三变压器的第三端与所述第三放大电路的一端连接；所述第三变压器的第四端与所述第四放大电路的一端连接；

所述第四变压器的第一端与所述第三放大电路的另一端连接；所述第四变压器的第二端与所述第四放大电路的另一端连接；所述第四变压器的第三端通过匹配网络与所述功率合成电路的第二端连接；所述第四变压器的第四端接地。

5.根据权利要求4所述的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，所述功率合成电路包括第二电感、第二电容以及第二电阻，其中：

所述第二电感的一端与所述第二电阻的一端连接，且所述第二电感的一端以及所述第二电阻的一端通过匹配网络与所述第二变压器的第三端同时连接；

所述第二电容的一端与所述第二电阻的另一端连接，且所述第二电容的一端以及所述第二电阻的另一端通过匹配网络与所述第四变压器的第三端同时连接；所述第二电容的另一端以及所述第二电感的另一端与所述第二隔直电容的一端同时连接。

6.根据权利要求2～5任一项所述的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，所述功率分配电路还包括第三电感和第三电容，其中：

所述第三电感的一端与所述第一电容的一端连接，所述第三电感的另一端接地；

所述第三电容的一端与所述第一电感的一端连接，所述第三电容的另一端接地。

7.根据权利要求5所述的基于多路功率合成的集成式异相射频功率放大电路，所述功率合成电路还包括第四电感和第四电容，其中：

所述第四电感的一端与所述第二电容的一端连接，所述第四电感的另一端接地；

所述第四电容的一端与所述第二电感的一端连接，所述第四电容的另一端接地。

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