改善隔离的双波段功率放大器
技术领域
本发明涉及的是双波段功率放大器,通常应用于双模数字蜂窝电话中。更具体地说,本发明涉及一种用于改善工作在不同频率的两个物理相邻的放大器之间隔离的方法、装置和技术。
背景技术
在蜂窝电话和其它电子设备中,经常有必要把两个工作在不同频率信号的功率放大器相互非常靠近放置。例如,双模双波段数字蜂窝电话就是此种部件的一个例子。具体地说,在美国、欧洲、日本及其他国家的政府,已经分配了至少两个用于数字蜂窝电话通信的频率段。举个例子,在美国,被称为美国移动电话系统或AMPS(American Mobile Phone System,美国移动电话系统)波段的第一频段分配在824-849MHz,被称为个人通信系统或PCS(Personal Communication System,个人通信系统)波段的第二频段分配在1850-1910MHz。另一方面,在欧洲,被称为全球移动通信系统或GSM(GlobalSystem for Mobile,全球移动通信系统)波段的第一频段分配在880-915MHz,被称为数字通信系统或DCS(Digital Communication System,数字通信系统)波段的第二频段分配在1710-1785MHz。因此,双波段数字蜂窝电话典型地具有两个功率放大器,每个放大器各使用两个波段中的一个。我们注意到,无论在美国还是在欧洲,高频段都大约是低频段频率的两倍。因而,无论在美国还是在欧洲,低频段的二次谐波与高频段的基频都非常接近。
根据目前存在的对包括蜂窝电话在内的大多数电子设备进行微型化的要求,将两个功率放大器物理上互相靠近放置是有压力的。当导线在运送两个相互靠近摆放的放大器的输出信号时,输出信号就会互相磁耦合。如果高频段功率放大器的输出信号频率接近低频段功率放大器输出信号频率的谐波,在低频(低波段)功率放大器的输出中所生成的低频段二次谐波的寄生信号会耦合进高频(高波段)功率放大器的输出中,这是一个问题。特别地,这些耦合进高波段放大器输出导线的寄生信号将流过高波段放大器下游的滤波器和/或双工器,抵达天线并被发送。这种高功率的寄生发送当然是不合要求的。实际上,对于蜂窝电话及其他无线设备的最大可容许寄生发射是有规定的。此外,低波段功率放大器的第四谐波将会与高波段功率放大器的二次谐波在频率上很接近,这也是一个问题。
已经有几种技术在尝试改善蜂窝电话或其它电子设备内的两个功率放大器波段的隔离。最简单的技术可能就是在两个功率放大器之间提供尽可能大的物理间隔。然而,如上面所提到的,蜂窝电话,具体地讲它们的电子部件已经变得很小,并还有着让它们更小的趋势。因此,通常地增大物理间隔不是个可接受的方案。另一种用来最大化低波段到高波段功率放大器隔离度的技术,涉及到在低波段功率放大器的输出中使用二次谐波陷波器,以消除低波段功率放大器输出中的二次谐波信号。然而,已发现即使具有二次谐波陷波器,仍旧容易有相当多的来自低波段功率放大器的二次谐波信号耦合进高波段功率放大器中。
再一个用于改善隔离度的技术,涉及到使一个功率放大器的输出导线与另一个功率放大器的输出导线相垂直。这样,低波段功率放大器输出信号的磁场线与高波段功率放大器输出线波段相正交,因此它们不容易相互耦合。然而,这种方案存在一些特殊问题。具体地讲,功率放大器典型地是安装在印刷电路板或其它衬底上,其上包括必须与功率放大器电相连的其它射频(RF射频)驱动器和功率控制电路。例如,典型情况下,功率放大器的输出必须与分离的滤波器和/或双工器或多路开关相连,然后再连接到同一个天线上。因此,经常需要使两个放大器的输入和输出导线相互平行及/或相邻以缩短及/或简化导线布线,这些导线布线必须放置在印刷电路板上以便将输出信号运送到它们最终的目的地,即同一个天线上。让两个放大器的输出导线互相正交会使导线布线的设计和配置实现起来非常复杂,并且增加了线路板的必要尺寸。
用于蜂窝电话的典型可用的双波段功率放大器电路通常可以包括LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic,低温共烧陶瓷)形式、射频薄板(FR-laminate,射频薄板)模块形式、或是一个大的塑料模块封装。目前在市场上可得到的双波段功率放大器电路典型地产生的隔离功率电平约为-25dBm至-20dBm。而获得更好的隔离是人们的期待。
据此,提供一个改善的双波段功率放大器就是一个客观实在的发明。
提供在两个功率放大器间改善了隔离的双波段功率放大器则是另一个客观实在的发明。
发明内容
本发明是有着小的底座(footprint)及优秀的波段间隔离的双波段功率放大器。本发明有几个方面一起作用使低波段与高波段间的隔离最大化。首要的和主要的方面是在低波段功率放大器输出端的双频率(二次和四次谐波)陷波器,该陷波器包括在功率放大器芯片上最好是与电感相连的第一串联电容,此电感最好是由预定长度的传输线构成,该陷波器还包括连接在传输线电感中间点和接地之间的第二电容。此LC电路在低波段功率放大器的二次和四次谐波处构成了双谐振的二次和四次谐波陷波器,该陷波器在功率放大器的输出端提供了非常低的阻抗。相比于传统的二次谐波陷波器,此种类型的谐波陷波器充分增加了波段间隔离。
通过进一步在两个功率放大器输出导线之间构成接地环路可以额外地增加波段间隔离。接地回路是使用环形线焊(looping wirebond)构成的,即从一个接地位置到另一个位于高波段和低波段功率放大器的平行输出线焊之间进行跨接。通过使低波段功率放大器输出线焊周围生成的磁场主要在接地环路中建立循环电流,而不是耦合进高波段功率放大器的输出线焊,接地环路进一步隔离了高波段放大器和低波段放大器。
本发明发现在CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址)和GSM系统蜂窝电话中的特殊效用。
附图说明
图1是可以应用本发明的双波段功率放大器的印刷电路板的平面图;
图2是图1所示印刷电路板局部的特写平面图;
图3是图1所示印刷电路板局部的另一个平面图,用于图解出放大器输出导线间的磁耦合;
图4是依据本发明的一个实施例的二次谐波陷波器电路图;
图5是图1所示印刷电路板局部的平面图,用于展示依据本发明的接地环路;
图6是依据本发明的另一个实施例的二次和四次谐波陷波器电路图;
图7是图5所示二次和四次谐波陷波器的更详细的电路图。
具体实施方式
图1是具有双波段功率放大器电路的印刷电路板(PCB)10的平面图。它包括装载塑料模块封装(此领域技术人员都熟悉)的集成电路(IC)芯片,该塑料模型封装包含着可以应用本发明的双波段功率放大器结构。放大器分别在分离的芯片14a、14b上,且两个芯片都安装在单个的引线框16中。然而,这仅仅是范例,两个放大器可以都在单个芯片上构成。此外,当此示范实施例的双波段功率放大器体现在FR-4基PCB上时,这仅仅是范例,本发明本质上是不依赖于使用特殊衬底的。现在市场上可得到的多数双波段或多波段功率放大器电路都是LTCC的单封装单元、FR4/laminate或大塑料封装。
再者,仅作为例子,可以采用低波段功率放大器14a放大AMPS频率段信号,采用高波段功率放大器14b放大PCS频率段信号。
传统上,引线框包括安装有芯片14a、14b的中央接地面22,以及多个从那里延伸的引线指26。将芯片上的电信号,如放大器的输出传送到芯片顶部表面上的焊盘25。焊盘通过传统的焊线24与适当的引线指相连。引线指26的末端与印刷电路板10的导线相连,运送信号到/从其它印刷电路板上的电路及/或PCB 10上的边缘连接器或其它连接器,以连接PCB的外部电路。
在本发明的一个优选实施例中,IC 12只有4到5个平方毫米。据此,两个功率放大器物理上非常靠近。在此具体的实施例中,如PCB局部特写的图2所示,既然输出信号的总电流很高而不能经由单一焊线有效进行传送,因此每个放大器的输出信号被分开送到多个焊盘、焊线及引线指中。特别地,在芯片14a和14b上,输出信号被传送到14a、14b每个芯片的6个连体焊盘(在图2中分别标为25a’和25b’,以区别于其它焊盘25)。焊盘25a’和25b’经由6个焊线(在图2中标为24a’,24b’,以区别于其它焊线24)线焊到引线框16上的3个引线指上(在图2中标为26a’,26b’,以区别于其它引线指26)。由此,对于每个放大器14a、14b,都有6个平行及相邻的焊线24a’、24b’,用于将输出信号运送到3个引线指26a’、26b’。每个放大器14a、14b的三个输出引线指26a’、26b’与PCB 10上的电接触点相连并分别在用于将输出信号运送到如滤波器和双工器(未示出)这样的调节电路的大走线33a、33b上再次交汇。在调节电路之后,信号经由PCB、边缘连接器及/或其它导线上的更多走线送至天线(这些均未在图中示出)。
在图2中可以看到,用于放大器14a输出的6个焊线24a’与用于放大器14b输出的6个焊线24b’相平行和靠近。如果不排除的话(ifnot exclusively),我们确定在焊线中会出现从低波段放大器输出信号到高波段放大器输出导线的不希望的磁耦合。如图3说明,以箭头28b所表示的循环磁场是在低波段功率放大器14b的焊线内和周围形成的。相类似的以箭头28a所表示的循环磁场是在高波段功率放大器14a的焊线内和周围形成的。如箭头30所示,包含了正在由低波段放大器14b进行放大的主信号的二次和四次谐波(其它的也同样)的时变磁场可以耦合到高波段功率放大器14a的焊线24a’中,这就导致了前述的那些有害效果。
根据本发明的一个方面,在低波段功率放大器14b的输出端连接谐波陷波器至少可将低波段放大器二次谐波频率的信号短路掉,从而有助于将它们隔离在高波段功率放大器14a之外。
图4是根据本发明在两个放大器之间改善隔离的示例性二次谐波陷波器的示意电路图。可以在图2中看到与图4中示意的电路部件相对应的实际物理部件,并用名称标号来对其进行指明。所述陷波器包括构成于低波段功率放大器芯片14b上的、用于将输出信号运离芯片的输出焊盘25b’和焊线24b’之前的与低波段放大器14b的输出信号直接电相连的电容器31。低波段功率放大器14b的输出信号通过电容器31,经由到另一个引线指26b”的焊盘(未标注)和焊线24b”,与构成于PCB10上的调谐窄感应传输线35相连接。传输线35应该具有高Q,并在长度上精确调谐,以与单片电容31在低波段功率放大器的二次谐波频率上进行谐振。选取特定的电容和电感值进行谐振并使如低波段放大器14b频段的二次谐波确定的频率信号落入陷波器。
传输线35的远端与PCB接地面相连。
在此具体的实施例中,低波段放大器14b的基频约为900MHz,所需的陷波频率是二次谐波频率,约为1.8MHz,电容器31约为2pF,传输线35约为200mils长,8mils宽,提供约3.9nH的电感。
谐波陷波器将低波段放大器14b的大部分二次谐波频率信号短路到地。然而,还有一些二次谐波信号会存在于低波段放大器14b的焊线24b’上,并经由前述的焊线磁耦合流到高波段放大器的输出端。
因此,根据本发明的第二方面,在两个放大器14a、14b的输出导线之间放置接地环路。图5是印刷电路板局部的平面图,用于说明依据本发明的接地环路的一个具体实施例。具体地讲,将PCB接地引线指26’”放置在用于运送高波段放大器14a的输出的3个引线指26a’和运送低波段放大器14b的输出信号的3个引线指26b’之间。引线框指26’”经由大环形焊线24’”与两个功率放大器14a、14b之间的引线框16的接地面22上的一点电相连。引线指26’”的末梢端与PCB10的地相连。
低波段功率放大器的输出焊线周围生成的强磁场会在两个功率放大器之间的接地环路内构成循环电流,这样就减少了那些强磁场对到高波段功率放大器14a较远的输出焊线24a’的耦合。
我们同样确定,两个功率放大器的隔离可以通过设计谐波陷波器使低波段放大器的二次和四次谐波都陷波来得到进一步改善。图6是说明谐波陷阱电路的第二实施例的示意电路图,该陷波电路是设计为使低波段放大器约为1.8GHz的和3.6GHz的二次和四次谐波都落入陷波器。依据图6中电路图的谐波陷波的情况也展示在图2的平面图中。
在本实施例中,在PCB 10上放置了电容器39,其将传输线35长度上的中间点35a和地41电相连。应该选取传输线长度中间的确切点和电容器的确切电容值,以提供使要求的频率落入陷波器所需的精确的LC电路特性。在此描述的具体实施例,其低波段放大器的基频约为900MHz,所要求的四次谐波陷波频率约为3.6GHz,第二电容器39的值约为1pF,传输线为8mils宽,约200mils长,第二电容器39约附在(tap)该长度的中部。
图7是说明图6中双谐振二次及四次谐波陷波器的一个特定细节电路模块的更详细电路图,该模块展示了如封装材料和体积的固有寄生电抗(见电容43和电感45)等细节。
拥有上述的本发明的几个具体实施例,本领域的技术人员将可以很容易地做出不同的选择、修改和改善。尽管未在此处特别陈述,对本发明做出的这些不同的选择、修改和改善应是本描述的一部分,并且应在本发明的精神和范围之内。据此,前面的描述只是通过例子而并没有限定。本发明只是在后续的权利要求书及其相关上进行了定义限定。