CN216356649U - 射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种射频功率放大器，包括：4G放大器单元，5G放大器单元，偏置电路，其被配置为分别为所述4G放大器单元和所述5G放大器单元提供配置电流，匹配网络，其被配置为根据射频功率放大器的操作模式来提供可调谐阻抗，以及4G/5G控制电路，其被配置为控制所述匹配网络和所述偏置电路来使得所述4G放大器单元和所述5G放大器单元工作在4G频段或5G频段。

Description

射频功率放大器

技术领域

本实用新型涉及射频功率放大器，并且具体地，涉及集成4G/5G双模式射频功率放大器。

背景技术

射频功率放大器芯片(Power Amplifier，PA)是手机智能终端中重要的元件，其主要功能是将数据信号加载到特定载波频点，然后将信号放大到一定的功率，满足远端的基站的接收要求，以保持数据传输的稳定。

随着5G通信技术在我国的逐步发展，5G网络部署有两种实施策略，独立组网(SA)和非独立组网(NSA)，5G的组网方式也将遵循4G核心网到5G核心网络的过渡。在5G部署初期，为了节省成本，快速开展业务，大多数的运营商选择非独立组网(NSA)模式。在原有4G核心网络设施的基础上，将5G微小基站部署在用户高密度地区，以满足部分用户对5G网络的应用需求。在这种网络环境中，要求终端可以同时进行4G和5G网络的双向连接，具有随时切换网络的功能。

在核心网络升级到5G网络以后，初期5G核心网络难以实现连续覆盖，会存在大量的5G与4G系统间的切换情况。由于5G基站的小区覆盖及其成熟度问题，需要覆盖能力强的4G基站配合部署，用户终端在接入5G核心网络后，可能随时切换回到4G网络。这也同样要求终端发射的上线链路，可以随时做到4G和5G信号模式的切换。

此外，在未来5G核心网络全部成熟以后，由于5G网络使用频率高，覆盖效果差，穿透能力差。在特殊区域仍存在覆盖能力不足的问题。当终端用户和5G基站连接中断的情况下，通讯连接也需要再次切回到4G网络模式下。这同样要求终端不仅可以发射5G上行信号，同时也能发射4G上行信号，满足随时的双网络连接能力。

在当前的5G手机或者其他5G应用终端中，射频发射链路一般包含有4G射频功率放大器，进行4G信号发射；同时，外挂一个或者多个5G射频功率放大器，进行5G信号发射。当需要同时进行4G和5G网络切换时，还需要在外加开关芯片进行模式切换。随着5G手机等终端的内部集成度越来越高，这种分立的4G和5G芯片组合方式不能灵活地进行布局布线调整。所以，可以在单颗芯片上集成的4G/5G双模式的射频功率放大器显得更为实用可行。

实用新型内容

本实用新型的一方面提供一种在一颗芯片中集成4G和5G双模式功能的射频功率放大器，通过4G/5G控制电路实现对4G和5G信号发射的模式切换。该方案具有易集成的特点，降低多芯片PCB板级布局布线的难度，同时降低了终端中射频模块的芯片数量和整体成本。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，包括：4G放大器单元，5G放大器单元，偏置电路，其被配置为分别为所述4G放大器单元和所述5G放大器单元提供配置电流，匹配网络，其被配置为根据射频功率放大器的操作模式来提供可调谐阻抗，以及4G/5G控制电路，其被配置为控制所述匹配网络和所述偏置电路来使得所述4G放大器单元和所述5G放大器单元工作在4G频段或5G频段。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G频段包括B1、B2、B3、B4、B5、B7、B8、B12、B20、B34、B38、B39、B40、B41，其中，所述5G频段包括N1、N2、N3、N4、N5、N7、N8、N12、N20、N34、N38、N39、N40、N41、N77、N78、N79。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G放大器单元和所述5G放大器单元使用相同的射频信号输入端口以及射频信号输出端口。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述匹配网络包括输入匹配网络、级间匹配网络以及输出匹配网络。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述匹配网络包括由可调节电容器和第一开关组成的第一可调节部分用于对匹配网络的等效电容值进行调整。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述匹配网络包括由可调节电感器和第二开关组成的第二可调节部分用于对匹配网络的等效电感值进行调整。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述偏置电路由4G偏置电路和5G偏置电路组成，其中，通过所述4G/5G控制电路控制所述4G偏置电路和5G偏置电路的导通和关断，以在4G偏置电路工作时向4G放大器单元提供第一偏置电流，并且在5G偏置电路工作时向5G放大器单元提供第二偏置电流。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G/5G控制电路被配置为当需要发射超过第一阈值的4G功率时，同时开启所述4G放大器单元和所述5G放大器单元，对4G信号进行放大。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G/5G控制电路被配置为当需要发射小于第二阈值的5G功率时，单独开启所述4G放大器单元来对5G信号进行放大。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G/5G控制电路被配置为当需要发射超过第三阈值的发射功率时，调整所述匹配网络的阻抗值靠近最大发射功率区域。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G/5G控制电路被配置为当需要功耗被控制在第一范围时，调整所述匹配网络的阻抗值靠近最大发射效率区域。

本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述4G/5G控制电路被配置为在4G模式下，调整所述匹配网络和所述偏置电路，以使得所述4G放大器单元在不同的4G频段上进行切换；以及在5G模式下，调整所述匹配网络和所述偏置电路，以使得所述5G放大器单元在不同的5G频段上进行切换。

附图说明

图1是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的示意图；

图2是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的电路图；

图3是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的功率级放大器的电路图；

图4是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的驱动级和功率级偏置电路的电路图；以及

图5是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的调谐匹配网络的电路图。

具体实施方式

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。

在常规5G手机模块或者5G其他应用模块，既要支持4G信号模式也要支持5G信号模式。当需要发射4G上行信号时，由4G射频芯片独立发射上行信号；当需要发射5G上行信号时，由外挂的5G射频芯片发射上行信号。一个5G手机模块或者5G其他应用模块的射频上行发射链路通常由多个4G和5G射频芯片组合而成，这既增加了整体模块的成本，又增加了整个模块设计的复杂度，同时还需要多个DC-DC电源芯片来供电，同时也增加了额外的功耗。

图1是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的示意图。

在图1中，为了方便起见，以两级射频功率放大器为例进行说明，但是本领域技术人员应该清楚，本实用新型同样也适用于更多级的功率放大器结构。在单个射频功率放大器中，驱动级放大器和功率级放大器集成4G功率单元和5G功率单元，通过偏置电路(包括驱动级偏置电路和功率级偏置电路)分别提供4G控制信号和5G控制信号；驱动级放大器前的输入调谐匹配网络和驱动级放大器后的级间调谐匹配网络及功率级放大器的输出调谐匹配网络为射频功率放大器提供可以阻抗匹配功能，匹配网络的阻抗值可以由4G/5G切换控制电路进行调节。针对4G和5G模式下的不同工作电压，由DC-DC电源电路进行电压切换；4G模式下提供低电源电压，5G模式下提供高电源电压。整个射频功率放大器在一颗基板上封装，实现单颗集成4G/5G双模式的射频功率放大器。

图2是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的电路图。

参考图2，根据本实用新型实施例的射频功率放大器主要由四部组成，分别为4G/5G控制电路、驱动级和功率级偏置电路、集成4G/5G双模式的驱动级放大器和功率级放大器以及可调谐匹配网络。4G/5G控制电路通过偏置电路及可调谐匹配网络的控制，来实现对4G工作模式和5G工作模式的功能切换，以及对于4G和5G中的操作子频段的切换。

图3是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的功率级放大器的电路图。

参考图3，4G功率级放大器单元由多个功率子单元并联结构组成，这里对应的编号为P11～P1N，N的数量根据设计指标来调整；每一个子单元的构成由一个砷化镓HBT晶体管作为主体，其基极串联一个射频电阻器和一个隔直电容器。偏置电阻器的一端被连接在射频电阻器和隔直电容器之间，并且其另一端连接到偏置电路，以负责传导偏置电流。在4G功率级放大器单元中的每一个子单元结构相同，每个子单元之间为并联关系。

参考图3，5G功率级放大器单元由多个功率子单元并联结构组成，这里对应的编号为P21～P2M，M的数量根据设计指标来调整；每一个子单元的构成由一个砷化镓HBT晶体管作为主体，其基极串联一个射频电阻器和一个隔直电容器，偏置电阻器的一端被连接在射频电阻器和隔直电容器之间，并且其另一端连接到偏置电路，以负责传导偏置电流。在5G功率级放大器单元中的每一个子单元结构相同，每个子单元之间为并联关系。

参考图3，4G功率级放大器单元和5G功率级放大器单元共用VCC2来提供电源电压，并且，其共用RFin分别进行4G和5G信号输入，并且其公用RFout进行信号输出。

本领域技术人员应该清楚，4G驱动级放大器单元和5G驱动级放大器单元可以采用与图3中相同的结构，在此不再赘述。

当射频功率放大器处于4G工作模式时，射频信号RF1_4G进入输入调谐匹配网络，输入调谐匹配网络处于4G模式中。通过控制电路的控制命令，偏置电路通过Bias1_4G给驱动级放大器来提供偏置电流，使得4G驱动级放大器单元将信号放大为RF2_4G，并且将放大的信号RF2_4G输入到级间调谐匹配网络；此时，级间调谐匹配网络也处于4G模式中，偏置电路通过Bias2_4G给功率级放大器来提供偏置电流，使得4G功率级放大器单元将信号放大为RF3_4G，并且将放大的信号RF3_4G输入到输出调谐匹配网络。此时，4G信号被射频功率放大器放大，电路处于4G工作模式。

当射频功率放大器处于5G工作模式时，射频信号RF1_5G进入输入调谐匹配网络，输入调谐匹配网络处于5G模式中。通过控制电路的控制命令，偏置电路通过Bias1_5G给驱动级放大器来提供偏置电流，使得5G驱动级放大器单元将信号放大为RF2_5G，并且将放大的信号RF2_5G输入到级间调谐匹配网络；此时，级间调谐匹配网络也处于5G模式中，偏置电路通过Bias2_5G给功率级放大器来提供偏置电流，使得5G功率级放大器单元将信号放大为RF3_5G，并且将放大的信号RF3_5G输入到输出调谐匹配网络。此时，5G信号被射频功率放大器放大，电路处于5G工作模式。

此外，针对不同的应用场景对射频功率放大器的发射功率需求不一样，本实用新型实施例的4G放大器单元和5G放大器单元也可以同时开启工作，或者相互交替互换工作。例如，当应用场景需要发射更高的4G功率时，也可以开启5G放大器单元，两者一起进行4G信号放大。此外，例如，当应用场景需要发射功率较小的5G信号时，考虑到功耗问题，也可以单独开启4G放大器单元来发射功率较小的5G信号。

图4是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的射频功率放大器的驱动级和功率级偏置电路的电路图。

参考图4，驱动级和功率级偏置电路由4G偏置电路和5G偏置电路两部分组成，分别为4G模式和5G模式提供偏置电流。

参考图4，Vref1和Vref2由外部控制器提供参考电压，R_bias1和R_bias2为偏置电阻器，D11和D12是两个串联的砷化镓晶体管HBT，D21和D22是两个串联的砷化镓晶体管HBT，其中，D11的基极和集电极连接在一起，并且连接到晶体管D13的基极；D12的基极和集电极连接在一起，并且连接到D11的发射极；此外，电容器C1连D11的集电极以及接地节点之间。D21的基极和集电极连接在一起，并且连接到晶体管D23的基极；D22的基极和集电极连接在一起，并且连接到D21的发射极；此外，电容器C2连D21的集电极以及接地节点之间。Vc_4G通过4G/5G控制电路进行控制，并且其连接到D13和D23的集电极，以通过串联的D13和镇流电阻器Res_ballast11来生成用于4G的驱动级的偏置电流，并且通过串联的D23和镇流电阻器Res_ballast21来生成用于4G的功率级的偏置电流。Vc_5G通过4G/5G控制电路进行控制，并且其连接到D14和D24的集电极，以通过串联的D14和镇流电阻器Res_ballast12来生成用于5G的驱动级的偏置电流，并且通过串联的D24和镇流电阻器Res_ballast22来生成用于5G的功率级的偏置电流。通过分离地提供用于4G和5G的偏置电流，增加了电路的稳定性。此外，4G偏置电路的供电能力范围小,但是精度高；5G偏置电路的供电能力范围大,但是精度低。两者同时开启，可以兼容精度和动态范围，因此，该结构为偏置电流提供高精度和高动态范围。从效率和输出功率角度来看，4G偏置电路可以为4G功率核心单元供电，在5G工作模式时，也可以开启4G功率核心单元，发射中小功率的5G信号，相当于提高了5G在中低工作模式时工作效率。

如上所述，针对不同的应用场景对射频功率放大器的发射功率需求不一样，本实用新型实施例的4G偏置电路单元和5G偏置电路单元也可以同时开启工作，或者相互交替互换工作。例如，当应用场景需要发射更高功率的4G信号(例如，超过第一阈值)时，也可以开启5G偏置电路单元，两者一起进行4G信号放大。此外，例如，当应用场景需要发射功率较小的5G信号(例如，小于第二阈值)时，考虑到功耗问题，也可以单独开启4G偏置电路单元来发射功率较小的5G信号。

图5是示出了根据本实用新型实施例4G/5G双模式的调谐匹配网络的电路图。

根据本实用新型的实施例，在输入、级间和输出的前中后三个地方，均有可调谐匹配网络，分别为输入调谐匹配网络、级间调谐匹配网络和输出调谐匹配网络。可调谐是指可以进行阻抗匹配调节，以使得输入输出阻抗匹配。参考图5，这里以输出调谐匹配网络为例进行说明。本领域技术人员应该清楚，输入调谐匹配网络以及级间调谐匹配网络也可以采用相同的结构，其并没有超出实用新型的范围。

参考图5，输出调谐匹配网络由C1电容器、C2电容器以及L1电感器和L2电感器组成。C1电容器和L1电感器是串联关系，C1电容器和L1电感器也可以由多组相同的结构组成；C2电容器和L2电感器是串联关系，C2电容器和L2电感器也可以由多组相同的结构组成。C1电容器和L1电感器及C2电容器和L2电感器的左右位置可以互换。C1电容器的可调节部分是由开关S1和C1_tune电容器组成，通过开关S1对C1电容器和C1_tune的总等效电容值进行调整；C2电容器的可调节部分是由开关S2和C2_tune电容器组成，通过开关S2对C2电容器和C2_tune的总等效电容值进行调整。L1电感器的可调节部分是由开关S3和L1_tune电感器组成，通过开关S3对L1电感器和L1_tune的总等效电感值进行调整；L2电感器的可调节部分是由开关S4和L2_tune电感器组成，通过开关S4对L2电感器和L2_tune的总等效电感值进行调整。

一般来说，当射频功率放大器在4G工作模式或5G工作模式中时，对射频功率放大器的阻抗匹配网络要求会发生变化。例如，5G工作模式下的发射功率要更高一些(例如，超过第三阈值)，这样需要输出匹配网络的阻抗值更靠近最大发射功率区域。通过4G/5G控制电路，对开关S1、S2、S3和S4进行分别打开或者关闭，使得输出调谐匹配网络的阻抗值靠近最大发射功率区域。此外，例如，在4G或者5G某些工作模式下，仅需要发射功率适中就能满足接收需求，要更多的需要考虑功耗问题(例如，需要将功耗控制在第一范围内)，这样需要输出调谐匹配网络的阻抗值更靠近最大发射效率区域。通过4G/5G控制切换电路，对开关S1、S2、S3和S4进行分别打开或者关闭，使得输出匹配网络的阻抗值靠近最大发射效率区域。

本领域技术人员应该理解，对于输入调谐匹配网络和级间调谐匹配网络也是相同原理，通过4G/5G控制电路，分别对其内部的开关进行调整，使得在4G工作模式下具有最佳的匹配网络结构；同时在5G工作模式下，也具有最佳的匹配网络结构。

虽然根据本实用新型的上述实例强调主张的是射频功率放大器的匹配网络要具有4G和5G双模式切换的调谐功能，调谐的目的是为了在两种工作模式下都可以具有最佳的匹配网络结构。但是本领域技术人员同样应该理解，通过对于调谐匹配网络的调谐，例如，通过调整匹配网络中的C1、C2、L1、L2的电容电感值和S1、S2、S3、S4开关状态，其产生的等效阻抗可以支持射频功率放大器在4G频段或5G频段(一个或者多个4G频段，一个或者多个5G频段)中工作，其中，4G频段包括B1、B2、B3、B4、B5、B7、B8、B12、B20、B34、B38、B39、B40、B41等，其中，5G频段包括N1、N2、N3、N4、N5、N7、N8、N12、N20、N34、N38、N39、N40、N41、N77、N78、N79等。根据本实用新型的实施例，通过4G/5G控制电路对于偏置电路以及匹配网络的调整，可以使得射频功率放大器在4G频段或5G频段中切换，例如，可以使得射频功率放大器在不同的5G频段中工作、在不同的4G频段中工作、或者在不同的4G和5G频段之间切换。例如，根据本实用新型的实施例，通过4G/5G控制电路对于偏置电路以及匹配网络的调整，可以1)在4G模式下，使得4G放大器单元在不同的4G频段上进行切换；2)在5G模式下，5G放大器单元在不同的5G频段上进行切换；3)在4G模式下，当需要大功率传输时，使得5G放大器单元在切换到4G频段上进行操作；4)在5G模式下，当需要发射功率较小的5G信号时，使得4G放大器单元在切换到5G频段上进行操作。

通过在同一芯片上集成4G/5G功率放大器单元，根据本实用新型的实施例降低了整体模块的芯片数量和整体成本，并且易于集成和大规模量产实施。

尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。

本实用新型中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (12)

1.一种射频功率放大器，其特征在于，包括：

4G放大器单元，

5G放大器单元，

偏置电路，其被配置为分别为所述4G放大器单元和所述5G放大器单元提供配置电流，

匹配网络，其被配置为根据射频功率放大器的操作模式来提供可调谐阻抗，以及

4G/5G控制电路，其被配置为控制所述匹配网络和所述偏置电路来使得所述4G放大器单元和所述5G放大器单元工作在4G频段或5G频段。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G频段包括B1、B2、B3、B4、B5、B7、B8、B12、B20、B34、B38、B39、B40、B41，所述5G频段包括N1、N2、N3、N4、N5、N7、N8、N12、N20、N34、N38、N39、N40、N41、N77、N78、N79。

3.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G放大器单元和所述5G放大器单元使用相同的射频信号输入端口以及射频信号输出端口。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述匹配网络包括输入匹配网络、级间匹配网络以及输出匹配网络。

5.根据权利要求4所述的射频功率放大器，其特征在于，所述匹配网络包括由可调节电容器和第一开关组成的第一可调节部分用于对匹配网络的等效电容值进行调整。

6.根据权利要求4所述的射频功率放大器，其特征在于，所述匹配网络包括由可调节电感器和第二开关组成的第二可调节部分用于对匹配网络的等效电感值进行调整。

7.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述偏置电路由4G偏置电路和5G偏置电路组成，

通过所述4G/5G控制电路控制所述4G偏置电路和5G偏置电路的导通和关断，以在4G偏置电路工作时向4G放大器单元提供第一偏置电流，并且在5G偏置电路工作时向5G放大器单元提供第二偏置电流。

8.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G/5G控制电路被配置为当需要发射超过第一阈值的4G功率时，同时开启所述4G放大器单元和所述5G放大器单元，对4G信号进行放大。

9.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G/5G控制电路被配置为当需要发射小于第二阈值的5G功率时，单独开启所述4G放大器单元来对5G信号进行放大。

10.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G/5G控制电路被配置为当需要发射超过第三阈值的发射功率时，调整所述匹配网络的阻抗值靠近最大发射功率区域。

11.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G/5G控制电路被配置为当需要功耗被控制在第一范围时，调整所述匹配网络的阻抗值靠近最大发射效率区域。

12.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于，所述4G/5G控制电路被配置为在4G模式下，调整所述匹配网络和所述偏置电路，以使得所述4G放大器单元在不同的4G频段上进行切换；以及在5G模式下，调整所述匹配网络和所述偏置电路，以使得所述5G放大器单元在不同的5G频段上进行切换。

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