CN116131778A - 一种宽带分布式功率放大器和集成电路 - Google Patents

一种宽带分布式功率放大器和集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带分布式功率放大器和集成电路，功率放大器包括一个主功放和至少两个辅功放，主功放后连接输出传输线网络，输出传输线网络中的输出传输线数量与辅功放数量相同，每个输出传输线与对应的辅功放输出端连接；每个辅功放的输入端连接有输入传输线，输入传输线依次串联，组成输入传输线网络；末端的辅功放的输出端连接一电抗补偿传输线，电抗补偿传输线的另一端接地。本发明在分布式功率放大器合路点处引入额外的并联传输线，利用其在偏离中心频点处呈现的电抗特性显著改善边缘频率处的匹配效果，从而达到带宽拓展的目的。

Description

一种宽带分布式功率放大器和集成电路
技术领域
本发明涉及微波功率放大器技术领域，尤其是一种宽带分布式功率放大器和集成电路。
背景技术
功率放大器(Power Amplifier,PA)是收发机中的主要耗能单元，提高功放的效率对降低整个通信系统的功耗至关重要。为了提高频谱利用率，现代通信信号往往使用OFDM、CDMA等复杂的调制方式，带来了高峰均比的问题。传统的AB类功率放大器在饱和功率附近有较高的效率，而当输出功率降低时，其效率急剧下降。由于在高峰均比下功率放大器大部分时间工作在回退功率区，使得AB类功率放大器的平均效率较低。
提高回退效率的方案有多种，包括Doherty技术、包络跟踪技术、Outphasing技术等，其中Doherty技术由于其结构简单，性能优越，应用最为广泛。但是Doherty功放需要使用四分之一波长线来实现合理的负载调制，这限制了它的射频带宽，目前报道的相对带宽普遍低于50％。为了解决这个问题，近几年有学者提出了一种基于分布式架构的高回退效率功放，以下简称分布式高效率功放(Distributed Efficient Power Amplifier,DEPA)，例如公布号为CN10502431A、名称为“分布式功率放大器电路”的专利申请，这种功放在带宽方面具有显著优势。
典型的DEPA，在饱和区辅功放全部工作，DEPA可以等效为经典的分布式功率放大器，具有超宽带的特点。由于回退区的带宽明显小于饱和区的带宽，DEPA的整体带宽主要受限于回退带宽。为了进一步拓展带宽，需要增加输出传输线的节数，也即辅功放的数量，但是这会带来额外的问题。一方面，DEPA整体尺寸会变大，不利于集成化实现。另一方面，传输线节数增加后，回退区匹配网络的损耗会增加，导致回退区效率下降。为了克服这种矛盾，需要探索新的改进方案。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，改善带宽特性，本发明提出一种宽带分布式功率放大器和集成电路。
本发明一方面提供一种宽带分布式功率放大器，包括一个主功放和至少两个辅功放，所述主功放后连接输出传输线网络，所述输出传输线网络中的输出传输线数量与所述辅功放数量相同，每个输出传输线与对应的辅功放输出端连接；每个辅功放的输入端连接有输入传输线，所述输入传输线依次串联，组成输入传输线网络；末端的辅功放的输出端连接一电抗补偿传输线，所述电抗补偿传输线的另一端接地。
优选的，在该功率放大器的中心频率处，所述电抗补偿传输线的电长度θcom为90度。
优选的，所述电抗补偿传输线可替换为并联谐振网络，由一电感和一电容并联组成。
进一步的，所述电感为Bonding线或传输线。
所述输入传输线的数量为所述辅功放的数量加一，最末端的输入传输线一端连接最末端的辅功放的输入端，另一端连接匹配阻抗后接地。
优选的，所述输出传输线网络后连接后匹配网络。
优选的，该宽带分布式功率放大器还包括主功放输入匹配网络和辅功放输入匹配网络，所述主功放输入匹配网络连接在所述主功放的输入端；所述辅功放输入匹配网络连接在所述输入传输线网络之前。
优选的，所述主功放输入匹配网络被配置用于将主功放晶体管的输入阻抗匹配为50欧姆。
更优选的，所述辅功放输入匹配网络被配置用于将输入传输线网络的匹配阻抗转换为50欧姆，，还用于所述主功放与所述辅功放的相位对齐。
本发明还提供一种集成电路，包括上述任一技术方案中所述的宽带分布式功率放大器。
本发明在分布式高效率功放合路点处引入额外的并联传输线，利用其在偏离中心频点处呈现的电抗特性显著改善边缘频率处的匹配效果，从而达到带宽拓展的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例基于电抗补偿结构的宽带分布式功率放大器电路示意图；
图2为图1实施例在回退区的等效输出网络；
图3为图1实施例中的电抗补偿传输线替换为相应的并联谐振网络示意图；
图4为图1实施例电抗补偿前后的匹配效果对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，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、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
本实施例提出的宽带分布式功率放大器，包括一个主功放和至少两个辅功放，其中主功放后连接输出传输线网络，输出传输线网络中的输出传输线数量与辅功放数量相同，每个输出传输线与对应的辅功放输出端连接。
每个辅功放的输入端连接有输入传输线，所述输入传输线依次串联，组成输入传输线网络；末端的辅功放的输出端连接一电抗补偿传输线，电抗补偿传输线的另一端接地。
输入传输线的数量为所述辅功放的数量加一，最末端的输入传输线一端连接最末端的辅功放的输入端，另一端连接匹配阻抗后接地。
具体的，如图1所示，本实施例的分布式功率放大器是基于电抗补偿结构的宽带分布式功率放大器，主功放(Main)偏置在AB类，N个辅功放(Aux1、Aux2、…、AuxN)偏置在C类。主辅功放的功率合成网络包括N段特性阻抗分别为Zd0、Zd1、Zd2、…、ZdN-1的输出传输线，位于主功放的输出端。在辅功放输入端，特性阻抗分别为Zg0、Zg1、Zg2、…、ZgN的N+1段输入传输线，与N个辅功放的输入电容结合，可以在很宽的频带内等效为特性阻抗为Rg的传输线，实现良好的输入匹配。另外，这N+1段传输线还负责辅功放之间的相位同步。
在传统DEPA的基础上，本实施例在合路点处引入了额外的电抗补偿传输线TL_com。TL_com的特性阻抗及电长度分别为Zcom和θcom。回退区的等效电路如图2所示。在回退区，辅功放全部关闭，只有主功放工作，其匹配带宽主要取决于传输线的节数。在中心频率处，θcom接近90度，因此TL_com对回退区的匹配效果影响较小，但是当偏离中心频点后，TL_com会呈现并联的电感或电容特性。这种并联的电抗在边缘频率处会变的更加明显，经过N节传输线的变换后，可以有效改善边缘频率处的匹配效果，从而达到带宽拓展的目的。
电抗补偿传输线TL_com还可以用于DEPA的漏极供电，避免使用额外的供电扼流电感。因此本实施例基于电抗补偿的DEPA与传统DEPA相比，额外增加的电路尺寸很小。为了进一步减小电路尺寸，TL_com可选的是一个并联谐振网络，由一电感和一电容并联组成，如图3所示。在一个很宽的频率范围内，并联谐振网络的频率响应都和TL_com的频率响应比较一致。此外，为了进一步降低并联谐振网络的损耗，电感需要有较高的Q值，因此实际设计中电感Lcom可以用Bonding线或者传输线实现。
本实施例的分布式功率放大器还包括后匹配网络，位于输出传输线网络后，用于将50Ω端口阻抗匹配到负载阻抗RL。还包括主功放输入匹配网络和辅功放输入匹配网络，所述主功放输入匹配网络IMN_M连接在主功放的输入端，将主功放晶体管的输入阻抗匹配到标准阻抗50欧姆；辅功放输入匹配网络IMN_A连接在输入传输线网络之前，将辅功放的分布式匹配阻抗Rg匹配到标准阻抗50欧姆，同时实现主功放和辅功放的相位对齐。
图1中Splitter是一个宽带功分器，将输入功率合理的分配到主功放和辅功放。
为了证明电抗补偿方案的带宽拓展能力，图4给出了一个设计实例的电抗补偿前后的匹配效果对比。该实例基于0.25um GaN工艺，漏极电压28V，中心工作频率为4GHz。为了实现超过20W的输出功率以及8dB的回退范围，RL及回退区负载阻抗分别选择为14Ω和84Ω。辅功放的数量选择为5个，且功率等级相同，则回退区等效输出网络中的级联传输线的节数是5个，且特性阻抗可以直接计算出来。每个级联传输线的电长度被作为自由变量用于优化匹配效果，当引入电抗补偿传输线TL_com后，TL_com的特性阻抗和电长度也会被作为自由变量。从图4可以看出，引入电抗补偿后，匹配效果在边缘频率处有很大改善。假设以S11<-14dB作为判断标准，那么电抗补偿前的工作频段是2.7-5.6GHz(相对带宽70％)，电抗补偿后的工作频段是2.1-6GHz(相对带宽96％)，相对带宽提升了26％。
需要说明的是，以上提到的电阻、电感、电容并不实指一个电子器件，还可以是经过并联、串联或其他方式搭建的电路等效而成的电阻、电感和电容。
本实施例提供一种集成电路，包括上述任一技术方案中所述的宽带分布式功率放大器。该集成电路可以封装在一个芯片中，也可以封装在不同芯片或者PCB板上。该集成电路可用于蜂窝通信系统的用户设备、基站、无线网络的接入点、无线电通信装置等通信设备中。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带分布式功率放大器，其特征在于，包括一个主功放和至少两个辅功放，所述主功放后连接输出传输线网络，所述输出传输线网络中的输出传输线数量与所述辅功放数量相同，每个输出传输线与对应的辅功放输出端连接；每个辅功放的输入端连接有输入传输线，所述输入传输线依次串联，组成输入传输线网络；末端的辅功放的输出端连接一电抗补偿传输线，所述电抗补偿传输线的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，在该功率放大器的中心频率处，所述电抗补偿传输线的电长度θcom为90度。
3.根据权利要求1所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，所述电抗补偿传输线为并联谐振网络，由一电感和一电容并联组成。
4.根据权利要求3所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，所述电感为Bonding线或传输线。
5.根据权利要求1所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，所述输入传输线的数量为所述辅功放的数量加一，最末端的输入传输线一端连接最末端的辅功放的输入端，另一端连接匹配阻抗后接地。
6.根据权利要求1所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，所述输出传输线网络后连接后匹配网络。
7.根据权利要求1所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，还包括主功放输入匹配网络和辅功放输入匹配网络，所述主功放输入匹配网络连接在所述主功放的输入端；所述辅功放输入匹配网络连接在所述输入传输线网络之前。
8.根据权利要求7所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，所述主功放输入匹配网络被配置用于将主功放晶体管的输入阻抗匹配为50欧姆。
9.根据权利要求8所述的宽带分布式功率放大器，其特征在于，所述辅功放输入匹配网络被配置用于将输入传输线网络的匹配阻抗转换为50欧姆，还用于所述主功放与所述辅功放的相位对齐。
10.一种集成电路，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的宽带分布式功率放大器。
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