CN116526981B - 一种可调平衡式功率放大器及射频前端模块、电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调平衡式功率放大器及射频前端模块、通信终端。该可调平衡式功率放大器至少包括输入功率分配器、主路功率放大器、辅路功率放大器和输出功率合成器；其中，输入功率分配器将输入射频信号分为两路，分别经过主路功率放大器和辅路功率放大器放大后输出给输出功率合成器，输出功率合成器将两路信号合成后对外输出；输出功率合成器的隔离端为反射系数相位可变器件。该可调平衡式功率放大器可以得到和传统平衡式功率放大器一样的功率提升特性，同时通过改变隔离端的反射系数相位可以获得不同功率段内的最佳效率。

Description

一种可调平衡式功率放大器及射频前端模块、电子设备

技术领域

本发明涉及一种可调平衡式功率放大器，尤其涉及一种负载线可以调整的可调平衡式功率放大器，同时也涉及包括该可调平衡式功率放大器的射频前端模块及相应的电子设备，属于射频集成电路技术领域。

背景技术

在移动通信系统中，为了克服较高频率信号在空间中衰减过大的问题，移动终端针对有些特定频段，譬如n41/n77等要求发射功率为等级2（即PC2＝26dBm）,发射功率比传统的功率等级3（即PC3＝23dBm）高了3dBc，即发射功率增加一倍。所以，工作在这些频段的功率放大器在设计时，大多会采用功率组合结构来解决功率提升的难题。在现有技术中，典型的功率组合结构包括平衡式功率放大器、差分功率放大器、多赫蒂放大器等。其中，平衡式功率放大器相对于传统的单路功率放大器的优势是提升输出功率，对输出负载不敏感和输出反射系数小。

如图1所示，一个典型的传统平衡式功率放大器包含输入功率分配器、功率放大器A（即主路功率放大器）、功率放大器B（即辅路功率放大器）和输出功率合成器。其中，功率放大器A和功率放大器B通常是两个相同的功率放大器。在输入功率分配器和输出功率合成器中，分别包括一个90°电桥（Hybrid）。由于电桥的移相功能，使得射频信号在输出端和隔离段分别处于同相叠加和反相相消的情况。在理想情况下，输入的一路射频信号被输入功率分配器分为相位相差90度的两路射频信号。其中，一部分射频信号输入到功率放大器A，经过功率放大器A放大后，传输到输出功率合成器；另外一部分射频信号输入到功率放大器B，经过功率放大器B放大后，也传输到输出功率合成器。输出功率合成器将两路信号合成后，对外输出射频信号。

现有技术中的平衡式功率放大器相对于单路功率放大器，可以提高3dBc的输出功率。但是，由于现有技术中的平衡式功率放大器的负载线是固定不可变的，所以在回退功率处的效率非常低。如果可以在不同功率段进行不同负载线的切换，就可以优化不同功率段的效率，延长电子设备的工作时间。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种负载线可以调整的可调平衡式功率放大器。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括该可调平衡式功率放大器的射频前端模块。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包括该可调平衡式功率放大器的电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种可调平衡式功率放大器，至少包括输入功率分配器、主路功率放大器、辅路功率放大器和输出功率合成器；其中，所述输入功率分配器将输入射频信号分为两路，分别经过所述主路功率放大器和所述辅路功率放大器放大后输出给所述输出功率合成器，所述输出功率合成器将两路信号合成后对外输出；其中，所述输出功率合成器的隔离端为反射系数相位可变器件。

其中较优地，所述反射系数相位可变器件由并联的n个开关电容和m个开关电感组成，其中n和m均为正整数。

其中较优地，所述反射系数相位可变器件由可变相位短路传输线或者可变相位开路传输线实现。

其中较优地，所述反射系数相位可变器件由可变电容或可变电感实现。

其中较优地，所述反射系数相位可变器件由可变相位短路传输线、可变相位开路传输线、可变电容和可变电感的任意组合实现。

其中较优地，所述反射系数相位可变器件连接在所述输出功率合成器除开两个信号输入端口外的任意一个端口上，同时另一个端口为信号输出端口。

其中较优地，通过改变所述主路功率放大器和所述辅路功率放大器的输出功率比值或者所述输出功率合成器的耦合系数，改变所述可调平衡式功率放大器的负载线。

其中较优地，在不同的功率段内，通过改变所述输出功率比值、所述耦合系数或者所述反射系数相位可变器件的反射系数相位，实现不同的负载线。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种射频前端模块，其中包括上述的可调平衡式功率放大器。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，其中包括上述的可调平衡式功率放大器。

与现有技术相比较，本发明所提供的可调平衡式功率放大器采用简单巧妙的电路设计方案，可以实现负载线的灵活调整和有机组合起来，进而优化不同功率段的效率。该可调平衡式功率放大器可以得到和传统平衡式功率放大器一样的功率提升特性，同时通过改变隔离端的反射系数相位可以获得不同功率段内的最佳效率。利用本发明，可以使可调平衡式功率放大器在更宽的功率段，将功率放大器的效率保持在较高水平，从而进一步延长电子设备的工作时间。

附图说明

图1为现有技术中，传统平衡式功率放大器的结构示意图；

图2为平衡式功率放大器的负载线的理论计算示意图；

图3为A路功率放大器的负载线随着隔离端的反射系数相位变化的曲线图；

图4为B路功率放大器的负载线随着隔离端的反射系数相位变化的曲线图；

图5为本发明实施例中，一种可调平衡式功率放大器的基本结构示意图；

图6为反射系数相位可变器件的各种变形例示意图；

图7为由开关电容和开关电感并联组成的反射系数相位可变器件的示意图；

图8为开关电容和开关电感在史密斯圆图中覆盖的全反射系数区域示意图；

图9为现有技术中，传统平衡式功率放大器的功率附加效率曲线示意图；

图10为本发明实施例中，可调平衡式功率放大器可以实现的多种功率附加效率曲线示意图；

图11为本发明实施例中，由负载线A、B、C、D组合后得到的最优化效率曲线示意图；

图12为采用本发明提供的可调平衡式功率放大器的射频前端模块的示意图；

图13为采用本发明提供的可调平衡式功率放大器的电子设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

如图2所示，在一个理想化的平衡式功率放大器中，P1和P4为两路射频信号输入端口，P2和P3为对应的两路射频信号输出端口，可以推导出输出功率合成器的S参数矩阵如下：

(1)

如果隔离端和负载端为匹配器件，即隔离端口反射系数和负载端口反射系数/>为0，计算可得A路信号所经过的功率放大器A、B路信号所经过的功率放大器B的负载线/>和/>：

(2)

其中，为输出功率合成器的特征阻抗。从公式（2）可以得到，理想化的平衡式功率放大器所体现出的阻抗为恒定阻抗，即输出功率合成器的特征阻抗。

通过计算，可得平衡式功率放大器的输出功率为：

(3)

由上述公式计算可知，平衡式功率放大器的输出功率比单端功率放大器的输出功率高3dBc，即输出功率提高一倍，从而达到提高输出功率的目的。但是，在传统平衡式功率放大器中，功率放大器的负载线为恒定阻抗，所以针对不同功率段不能实现效率配置的最优化。

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例所提供的可调平衡式功率放大器采用了可以调节的负载线，具体说明如下：

如图2所示，如果负载端（即L端）为匹配器件，即负载端口反射系数，但隔离端（即ISO端）为非匹配器件，即隔离端口反射系数/>，计算可得两路功率放大器的负载线/>和/>如下：

(4)

(5)

其中，为输出功率合成器的特征阻抗，/>为输出端口的反射系数模式，为隔离端口的反射相位，/>为输出功率合成器的耦合系数，/>为功率放大器A和功率放大器B的输出功率比值。从公式4和公式5可以得到，如果隔离端为非匹配器件，即隔离端口反射系数/>，两个功率放大器的负载线/>和/>是可以随着隔离端的反射系数相位变化而变化的，从而可以根据功率段的变化进行负载调整。

令，则：

(6)

令，则：

(7)

如果隔离端（即ISO端）连接全反射器件，即，则

(8)

(9)

若，/>，则

(10)

从上述公式可以看出，当改变两路功率放大器的输出功率比值或者输出功率合成器的耦合系数，譬如，/>，/>，则/>随着隔离端的反射系数相位变化曲线为图3。图3中横坐标为隔离端的反射系数相位/>，单位为角度，纵坐标为/>的阻抗值，单位为Ohm。其中，/>阻抗最大为104 Ohm，最小为24 Ohm，/>随着隔离端的反射系数相位/>变化曲线为图4。图4中横坐标为隔离端的反射系数相位/>，单位为角度，纵坐标为/>的阻抗值，单位为Ohm。其中，/>阻抗最大为222 Ohm，最小为11Ohm。

结合上面的公式4～公式10以及图3和图4可以看出，通过改变功率放大器A和功率放大器B的输出功率比值、输出功率合成器的耦合系数或者反射系数相位可变器件的反射系数相位，均可以改变可调平衡式功率放大器中功率放大器的负载线，从而给不同功率段的效率提升创造条件。相对而言，改变隔离端的反射系数相位，在操作上更为简单易行，因此在后续的实施例中，主要以改变反射系数相位可变器件的反射系数相位为例进行说明。

图5给出了基于上述工作原理的可调平衡式功率放大器的基本结构。在图5所示的实施例中，一种可调平衡式功率放大器包含功率放大器A（即主路功率放大器）121、功率放大器B（即辅路功率放大器）122、输入功率分配器123和输出功率合成器124、输出匹配网络A125和输出匹配网络B 126；其中，输出功率合成器124的隔离端为反射系数相位可变器件127。该反射系数相位可变器件可以连接在输出功率合成器124中除开两个信号输入端口外的任意一个端口上，同时，另一个端口为信号输出端口。在理想情况下，输入的一路射频信号被输入功率分配器123分为相位相差90度的两路射频信号，其中相位为＋45度的一部分射频信号输入到功率放大器A121，经过功率放大器A放大，经过输出匹配网络A后，传输到输出功率合成器124；另外一部分相位为－45度的射频信号传输到功率放大器B122，经过功率放大器B放大，经过输出匹配网络B后，也输出到输出功率合成器124。输出功率合成器124将两路相位相差90度的射频信号合成后对外输出。上述可调平衡式功率放大器与现有技术中的传统平衡式功率放大器最大的差别在于输出功率合成器的隔离端为反射系数相位可变器件，这个结构可以得到和传统平衡式功率放大器一样的功率提升特性，同时改变输出功率合成器隔离端的反射系数相位，可以获得不同功率段内的最佳效率。

需要说明的是，在可调平衡式功率放大器的其它实施例中，输出匹配网络A 125和输出匹配网络B 126是可选组件，并不是必须设置的。另外，输入功率分配器可以由电感电容移相器、分支线结构、威尔金森功分器＋四分之一传输线或者兰格耦合器替代。输出功率合成器也可以由分支线结构、威尔金森功分器＋四分之一传输线或者兰格耦合器替代。这些都是本领域技术人员普遍掌握的常规技术手段，在此就不具体说明了。

前已述及，在图5所示的实施例中，输出功率合成器124的隔离端为反射系数相位可变器件127。根据前面的理论推导可知，当功率放大器A和功率放大器B的输出功率比值与输出功率合成器的耦合系数/>为预定的组合值时，通过调节输出功率合成器124的隔离端的反射系数相位可变器件，可以使功率放大器A和功率放大器B的负载线/>和/>相应发生变化，从而可以根据功率段的变化进行负载调整。

上述反射系数相位可变器件127可以有多种具体实现方式。在图6所示的变形例中，该反射系数相位可变器件127可以由可变相位短路传输线A或者可变相位开路传输线B实现，也可以由可变电容C或可变电感D实现，或者由可变相位短路传输线A、可变相位开路传输线B、可变电容C、可变电感D的任意组合实现。

在图7所示的另一个变形例中，上述反射系数相位可变器件127可以由n个开关电容和m个开关电感并联组成，其中n、m均为正整数。利用不同的电容值和电感值的组合，可以获得所需的隔离端（即ISO端）的反射系数相位。

图8显示了改变反射系数相位的基本原理。在图8中，电感反射系数为史密斯(smith)圆图的上半周，其中电感越大，反射系数沿着史密斯圆图上半周从左往右变化。电容反射系数为史密斯圆图的下半周，其中电容越大，反射系数沿着史密斯圆图下半周从右往左变化。通过不同的电容值和电感值的组合，理论上可以覆盖史密斯圆图中的全反射区域的绝大部分位置，即可以实现全反射系数的绝大部分相位。

下面，结合图9～图11进一步讨论本发明所提供的可调平衡式功率放大器的有益技术效果。在本发明的一个实施例中，可以选择功率放大器A和功率放大器B的输出功率比值，输出功率合成器的耦合系数/>，得到如图3和图4的功率放大器负载线曲线。

在此情况下，计算可得可调平衡式功率放大器的输出功率为：

(11)

代入，/>，由上述公式计算可知，可调平衡式功率放大器的输出功率比单端功率放大器功率高3dBc，即功率提高一倍，也能满足提高输出功率的目的。

另一方面，在现有的传统平衡式功率放大器中，如果保持负载线不变化，则平衡式功率放大器的功率附加效率（PAE）曲线如图9所示。在图9中，横轴为功率放大器的输出功率，单位为dBm，纵轴为效率值，单位为百分比。从图9中可以看出，功率放大器的功率附加效率随着输出功率的增加而增加，在接近饱和功率34dBm时，效率达到最大值。所以，传统平衡式功率放大器在功率回退区，功率附加效率比较低。由于以移动终端为代表的电子设备最常用的功率段为中功率段，即15dBm～25dBm。如果能够增加这一功率段的效率，将会进一步延长电子设备的工作时间。

图10显示了本发明所提供的可调平衡式功率放大器可以实现的多种功率附加效率曲线。在图10中，负载线A＜负载线B＜负载线C＜负载线D，其中负载线A负责功率段a（32dBm到34dBm），负载线B负责功率段b（27dBm到31dBm），负载线C负责功率段c（22dBm到26dBm），负载线D负责功率段d（10dBm到21dBm）。负载线越高，饱和功率越低，但对应不同功率的效率可以实现最优化。

图11显示了由负载线A、B、C、D组合后得到的最优化效率曲线。从图11中可以看出，在不同的功率段通过调整开关电容和开关电感的不同组合值，可以实现不同的隔离端的反射系数相位，从而得到不同的负载线。将这些负载线（例如图10中所示的A、B、C、D）有机组合起来，进而优化不同功率段的效率，可以使本发明所提供的可调平衡式功率放大器在更宽的功率段（例如18dBm～34dBm），将功率放大器的效率始终保持在30%以上，而图１所示的传统平衡式功率放大器由于负载线不可变动，所以在10dBm～31dBm区间内的效率远低于本发明所提供的可调平衡式功率放大器。

需要说明的是，本发明中的各个实施例只是示例性的，其中的功能电路可以有其它的实现方案而并未超出本发明的实质内容。另外，本发明中的各个实施例或变形例均采用相关的方式描述，各个实施例或变形例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例或变形例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，但它们都是基于可调平衡式功率放大器的工作原理实现的，在此就不一一赘述了。

本发明实施例还提供一种射频前端模块。如图12所示，该射频前端模块除了包括上述可调平衡式功率放大器110以外，还可以包括控制单元100、电源单元120、检测单元130、开关单元140和输入匹配单元150。其中，开关单元140分别连接射频前端模块中的控制单元100、电源单元120和可调平衡式功率放大器110。通过开关单元140将经过可调平衡式功率放大器放大后的射频信号传输至天线，通过天线发送至通信基站，以实现射频前端模块将射频信号发送至通信基站。这里的开关单元140可以采用单刀多掷开关或多刀多掷开关实现。

另外，本发明所提供的可调平衡式功率放大器可以用在电子设备中，作为通信组件如射频前端模块的重要组成部分。这里所说的电子设备是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE等多种通信制式的无线通信设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车联网终端等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他射频前端模块应用的场合，例如通信基站、智能网联汽车等。

如图13所示，该电子设备至少包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。存储器可以是静态随机存取存储器（SRAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、可编程只读存储器（PROM）、只读存储器（ROM）、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、数字信号处理（DSP）芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用通用部件实现，在此就不具体说明了。

与现有技术相比较，本发明所提供的可调平衡式功率放大器采用简单巧妙的电路设计方案，可以实现负载线的灵活调整和有机组合起来，进而优化不同功率段的效率。该可调平衡式功率放大器可以得到和传统平衡式功率放大器一样的功率提升特性，同时通过改变隔离端的反射系数相位可以获得不同功率段内的最佳效率。利用本发明，可以使可调平衡式功率放大器在更宽的功率段，将功率放大器的效率保持在较高水平，从而进一步延长电子设备的工作时间。

以上对本发明所提供的可调平衡式功率放大器及射频前端模块、电子设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (10)

1.一种可调平衡式功率放大器，至少包括输入功率分配器、主路功率放大器、辅路功率放大器和输出功率合成器；其中，所述输入功率分配器将输入射频信号分为两路，分别经过所述主路功率放大器和所述辅路功率放大器放大后输出给所述输出功率合成器，所述输出功率合成器将两路信号合成后对外输出，其特征在于：

改变所述主路功率放大器和所述辅路功率放大器的输出功率比值或者所述输出功率合成器的耦合系数，改变所述可调平衡式功率放大器的负载线。

2.如权利要求1所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

所述输出功率合成器的隔离端为反射系数相位可变器件。

3.如权利要求2所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

在不同的功率段内，通过改变所述输出功率比值、所述耦合系数或者所述反射系数相位可变器件的反射系数相位，实现不同的负载线。

4.如权利要求3所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

当所述主路功率放大器和所述辅路功率放大器的输出功率比值功率与所述输出功率合成器的耦合系数为预定的组合值时，调节所述反射系数相位可变器件，使所述主路功率放大器和所述辅路功率放大器的负载线相应发生变化，以根据功率段的变化进行负载调整。

5.如权利要求2所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

所述反射系数相位可变器件由并联的n个开关电容和m个开关电感组成，其中n和m为正整数。

6.如权利要求2所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

所述反射系数相位可变器件由可变相位短路传输线或者可变相位开路传输线实现。

7.如权利要求2所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

所述反射系数相位可变器件由可变电容或可变电感实现。

8.如权利要求6或7所述的可调平衡式功率放大器，其特征在于：

所述反射系数相位可变器件由可变相位短路传输线、可变相位开路传输线、可变电容和可变电感的任意组合实现。

9.一种射频前端模块，其特征在于所述射频前端模块中包括有权利要求1～8中任意一项所述的可调平衡式功率放大器。

10.一种电子设备，其特征在于所述电子设备中包括有权利要求1～8中任意一项所述的可调平衡式功率放大器。