CN220673742U - 一种平衡式放大器以及收发模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平衡式放大器以及收发模块，适用于射频功率放大器技术领域。相较于传统的平衡式放大器，减少了各自链路上的1/4波长传输线以及开关管Q4’，通过功放管与输出匹配网络实现平衡放大器的TX‑ANT链路功能，即在功放管工作时，开关管导通，RX端为高阻态，功放管经过输出匹配网络的1/4波长传输线，将阻抗拉至匹配点以替代传统的输出匹配网络功能，实现TX‑ANT链路导通；在功放管不工作时，功放管呈现低阻态，经过输出匹配网络，TX端呈现高阻态，此时开关管断开，基于Lange耦合器的自带传输线特性，ANT‑RX链路导通。在一定程度上减少链路损耗，提高平衡式放大器的效率和功率，利于版图布局。

Description

一种平衡式放大器以及收发模块

技术领域

本实用新型涉及射频功率放大器技术领域，特别是涉及一种平衡式放大器以及收发模块。

背景技术

平衡式结构的开关放大器存在性能优异的功率分配器和功率合成器，提供较高的功率和较宽的带宽。

现有的平衡式结构的开关放大器的TX-ANT链路中的元器件存在较多的输出损耗，图1为传统的平衡式结构放大器的结构图，如图1所示，在TX-ANT链路输出的损耗多数存在输出匹配网络、Lange耦合器、开关管Q4’以及与开关管Q4’连接的1/4波长传输线1器件上，对于效率、功率要求较高的平衡放大器来说，图1中的现有输出链路的损耗较大，导致放大器的效率和功率较低。同时，现有的输出链路的链路器件占用电路板的空间较大，使得电路板尺寸较大，不利于版图布局。

因此，寻求一种平衡式放大器是本领域技术人员亟需要解决的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种平衡式放大器以及收发模块，以解决现有的输出链路的链路器件损耗大导致放大器的效率和功率较低以及占用电路板空间较大的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种平衡式放大器，所述平衡式放大器包括两个功放管、两个输出匹配网络、Lange耦合器、第一电阻和开关管；

TX端连接两个所述功放管各自的控制端，各所述功放管的第一端连接各自的所述输出匹配网络的第一端，各所述功放管的第二端接地；各所述输出匹配网络的第二端对应连接所述Lange耦合器的直通端和耦合端，所述Lange耦合器的输入端连接ANT端，所述Lange耦合器的隔离端分别连接所述第一电阻的第一端和RX端，所述第一电阻的第二端连接所述开关管的第一端，所述开关管的第二端接地；

所述平衡式放大器用于在各所述功放管工作时，所述开关管导通以实现TX-ANT链路导通，RX端呈现高阻态；在各所述功放管不工作时，所述开关管关断以实现ANT-RX链路导通，TX端呈现高阻态。

优选地，还包括两个输入匹配网络、第二电阻和第一耦合器；

TX端连接所述第一耦合器的输入端，所述第二电阻的第一端连接所述第一耦合器的隔离端，所述第二电阻的第二端接地；

所述第一耦合器的直通端和耦合端分别对应连接各自的所述输入匹配网络的第一端，各所述输入匹配网络的第二端对应连接两个所述功放管的控制端。

优选地，两个所述输出匹配网络均为1/4波长传输线。

优选地，所述第一耦合器和所述Lange耦合器的频率范围相同。

优选地，所述第一耦合器为Lange耦合器。

优选地，还包括两个滤波电路；

两个所述滤波电路的第一端对应连接两个所述功放管各自的第一端，两个所述滤波电路的第二端对应连接两个所述功放管的第一端连接的所述输出匹配网络各自的第二端，且接地。

优选地，两个所述滤波电路均包括第一电感和第一电容；

两个所述滤波电路各自的所述第一电感的第一端各连接所述功放管的第一端，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接；所述第一电容的第二端对应连接两个所述功放管的第一端连接的所述输出匹配网络的第二端，且所述第一电容的第二端接地。

优选地，所述功放管和所述开关管均为MOS管。

为解决上述技术问题，本实用新型还提供一种收发模块，包括上述所述的平衡式放大器。

本实用新型所提供的一种平衡式放大器，该平衡式放大器相较于传统的平衡式放大器，减少了各自链路上的1/4波长传输线以及开关管Q4’，通过功放管与输出匹配网络实现传统的平衡放大器的TX-ANT链路功能，即在功放管工作时，开关管导通，RX端为高阻态，功放管经过输出匹配网络的1/4波长传输线，将阻抗拉至匹配点以替代传统的输出匹配网络功能，实现TX-ANT链路导通，ANT-RX链路断开；在功放管不工作时，功放管呈现低阻态，经过输出匹配网络，TX端呈现高阻态，此时开关管断开，基于Lange耦合器的自带传输线特性实现ANT-RX链路导通，TX-ANT链路断开。本实用新型的平衡式结构放大器减少了各自链路上的传输线器件以及开关管Q4’，在一定程度上减少链路损耗，提高平衡式放大器的效率和功率；同时，减少电路板尺寸，节省电路板空间，利于版图布局。

另外，本实用新型还提供了一种收发模块，具有如上述平衡式放大器相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为传统的平衡式结构放大器的结构图；

图2为本实用新型提供的一种平衡式放大器的结构图；

图3为本实用新型实施例所提供的另一种平衡式放大器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护范围。

本实用新型的核心是提供一种平衡式放大器以及收发模块，以解决现有的输出链路的链路器件损耗大导致放大器的效率和功率较低以及占用电路板空间较大的技术问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

需要说明的是，图1中的平衡式结构开关放大器，TX端经过第一个Lange耦合器分为两个信号，这两个信号的相位差为90°的偏移，分别经过输入匹配网络、功放管、输出匹配网络，再经过第二个Lange耦合器合成，通过Q4’和1/4波长传输线1实现开关功能，即TX-ANT链路的导通。功放管Q1’和Q2’为平衡式放大器末级两路射频管，主要提供功率的输出。开关管Q3’和Q4’，其控制链路TX-ANT、ANT-RX的导通。在开关管Q4’导通、开关管Q3’断开时，Q4’导通后将该节点短路接地，此时经过1/4波长传输线，TX端呈高阻态，TX-ANT链路关断，RX端呈现低阻态，实现ANT-RX链路的导通。在开关管Q4’断开、开关管Q3’导通时，TX端呈现低阻态，RX端呈现高阻态，此时TX-ANT链路导通，ANT-RX链路断开。

由于输入匹配对应的损耗不影响输出功率和效率，在后续的输出匹配网络、开关管Q4’以及两个开关管Q3’和Q4’上的1/4波长传输线1存在输出损耗的问题，导致输出效率和功率降低。同时，在平衡式结构开关放大器上，由于存在输入输出分支线耦合器的存在，其电路板尺寸一般较大，加之上述提到存在输出损耗的器件，更加占据了电路板的空间。为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种平衡式放大器。

图2为本实用新型提供的一种平衡式放大器的结构图，如图2所示，平衡式放大器包括两个功放管、两个输出匹配网络2、Lange耦合器3、第一电阻R1和开关管Q3；

TX端连接两个功放管Q1和Q2各自的控制端，各功放管的第一端连接各自的输出匹配网络2的第一端，各功放管的第二端接地；各输出匹配网络2的第二端对应连接Lange耦合器3的直通端和耦合端，Lange耦合器3的输入端连接ANT端，Lange耦合器3的隔离端分别连接第一电阻R1的第一端和RX端，第一电阻R1的第二端连接开关管Q3的第一端，开关管Q3的第二端接地；

平衡式放大器用于在各功放管工作时，开关管Q3导通以实现TX-ANT链路导通，RX端呈现高阻态；在各功放管不工作时，开关管Q3关断以实现ANT-RX链路导通，TX端呈现高阻态。

具体地，两个功放管包括Q1和Q2，TX端连接功放管Q1和功放管Q2各自的控制端，功放管Q1和功放管Q2的第一端分别连接各自的输出匹配网络的第一端，功放管Q1和功放管Q2各自的第二端接地。图2中的Lange耦合器3的端口1为耦合端，端口2为直通端，端口3为输入端，端口4为隔离端。

两个输出匹配网络2的第二端分别对应连接Lange耦合器3的直通端和耦合端，输入端连接ANT端，Lange耦合器3的隔离端分别连接第一电阻R1的第一端和RX端，第一电阻R1的第二端连接开关管Q3的第一端，开关管Q3的第二端接地。输出匹配网络的功能是将负载阻抗转换为放大器所需要的最佳阻抗，需要匹配到最佳阻抗。对于输出匹配网路的具体类型不做限定，可以根据实际情况设定即可。本实施例中的输出匹配网络结合功放管Q1，将其阻抗拉至匹配点。

为了提高优化RX端的隔离度，耦合器是射频电路中的采样器件(电路)，当定向耦合器存在时，尤其是高耦合度的定向耦合器往往就是大小信号分离/聚集的节点，此时隔离度指标就非常重要。

在功放管Q1和Q2工作时，开关管Q3导通接地，此时TX-ANT链路导通，功放管Q1和Q2经过输出匹配网络的1/4波长传输线，将阻抗拉至匹配点以替代传统的输出匹配网络功能，此时，RX端呈现高阻态。ANT-RX链路断开，开关管Q3配合第一电阻R1实现Lange耦合器的正常功能，通常情况下，RX不工作时呈现为一个小电容，对于发射链路(TX-ANT链路)性能无影响。在功放管Q1和Q2不工作即关闭的情况下，开关管Q3关断，开关管Q1和Q2为低阻态，TX端通过输出匹配网络呈现高阻态，且这里基于Lange耦合器自带传输线的特性隔离TX端，此时TX-ANT链路断开，ANT-RX链路上去掉传统结构(图1所示)中RX链路的1/4波长传输线，利用Lange自带的1/4波长传输线实现其功能，相较于传统结构(图1所示)减少了RX部分的1/4波长传输线，使得版图面积更小，且TX部分的隔离度较传统结构更好。

本实用新型实施例所提供的一种平衡式放大器，该平衡式放大器相较于传统的平衡式放大器，减少了各自链路上的1/4波长传输线以及开关管Q4’，通过功放管与输出匹配网络实现传统的平衡放大器的TX-ANT链路功能，即在功放管工作时，开关管导通，RX端为高阻态，功放管经过输出匹配网络的1/4波长传输线，将阻抗拉至匹配点以替代传统的平衡放大器中输出匹配网络功能，实现TX-ANT链路导通，ANT-RX链路断开；在功放管不工作时，功放管呈现低阻态，经过输出匹配网络，TX端口呈现高阻态，此时开关管断开，基于Lange耦合器的自带传输线特性实现ANT-RX链路导通，TX-ANT链路断开。本实用新型的平衡式结构放大器减少了各自链路上的传输线器件以及开关管Q4’，在一定程度上减少链路损耗，提高平衡式放大器的效率和功率；同时，减少电路板尺寸，节省电路板空间，利于版图布局。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，两个输出匹配网络均为1/4波长传输线。

具体地，在TX-ANT链路上起放大器作用的功放管Q1和Q2的输出匹配网络直接利用1/4波长传输线将阻抗拉至匹配点，用射频的功放管Q1和Q2替代传统平衡式放大器的开关管Q4’的功能，功放管Q1和Q2正常工作时，其TX-ANT链路导通，信号经过功放管Q1和Q2放大后，从TX端流向ANT端口，开关管Q3管芯导通，此时从ANT端到RX端口看到的阻抗是高阻抗；在功放管Q1和Q2不工作即关闭时，此时功放管Q1和Q2的输出口是低阻态，TX端口经过1/4波长传输线呈现高阻态，且通过Lange耦合器隔离，此时TX-ANT链路断开，开关管Q3关断，ANT-RX链路导通。

本实用新型实施例提供的两个输出匹配网络均为1/4波长传输线，减少TX-ANT链路的损耗，通过与功放管Q1和Q2之间的配合，功放管经过输出匹配网络的1/4波长传输线，将阻抗拉至匹配点以替代传统的平衡放大器中输出匹配网络功能，从而改善功放管Q1和Q2的效率和功率。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，如图2所示，平衡式放大器还包括两个输入匹配网络5、第二电阻R2和第一耦合器4；

TX端连接第一耦合器4的输入端，第二电阻R2的第一端连接第一耦合器4的隔离端，第二电阻R2的第二端接地；

第一耦合器4的直通端和耦合端分别对应连接各自的输入匹配网络5的第一端，各输入匹配网络5的第二端对应连接两个功放管的控制端。

具体地，输入匹配网络和输出匹配网络的数量相同，TX端连接第一耦合器的输入端，第二电阻的第一端连接第一耦合器的隔离端，以作为吸收电阻，第二电阻的第二端接地。

第一耦合器的直通端和耦合端分别对应连接各自的输入匹配网络的第一端，各输入匹配网络的第二端对应连接功放管Q1、功放管Q2的控制端。

图2中的第一耦合器4的端口1为输入端，端口2为隔离端，端口3为直通端，端口4为耦合端。在理想情况下，当信号功率从输入端口输入时，输出功率只应出现在直通端和耦合端，而隔离端是完全隔离的，没有功率输出。但是在实际情况下，总有一些功率会泄漏到隔离端。设输入端的输入功率为P1，直通端、耦合端和隔离端的输出功率分别为P2，P3和P4，则定向耦合器的特性可以由耦合度，插入损耗，隔离度和方向性等四项指标来表征，单位均为dB。

可以看出，任何功率放大器的匹配网络都不可能实现阻抗的绝对匹配，必然会由于阻抗的不连续性产生信号的反射，但是因为有分支线耦合器的存在，信号在传输到失配分界面的时候会有90度的相位差，经过反射后，再次叠加90度的相位差，从而会在输入输出端口由于反相而产生信号的相互抵消。

第一耦合器与Lange耦合器背靠背连接形成双定向耦合器，以便最大程度减少耦合端口和隔离端口之间的泄露。对于第一电阻R1与第二电阻R2的作用均是吸收电阻，在本实施例中对应的阻值可以相同，也可以不同，在此不做限定，可以根据实际情况进行设定。输入匹配网络用于信号源与谐振功率放大器之间，输出匹配网络用于输出级与负载(天线)之间。

作为一种实施例，第一耦合器和Lange耦合器的频率范围相同。

具体地，第一耦合器与Lange耦合器在本实施例中是将TX-ANT链路上的信号进行导通，对TX端的输入信号做出响应形成两个相位差90度的传输信号，再经过Lange耦合器进行合并输出匹配网络的两个输出信号，以提供TX-ANT链路的输出信号，因此，第一耦合器和Lange耦合器的频率范围相同。

作为一种实施例，第一耦合器为Lange耦合器。

可以理解的是，第一耦合器与Lange耦合器背靠背连接形成双定向耦合器，因此，在第一耦合器输出的两个相位差90度的输出信号，故第一耦合器实则为正交耦合器，较为典型的耦合器为Lange耦合器，另外，第一耦合器除Lange耦合器之外，还可以是其他正交耦合器，在此不做限定，可以根据实际情况设定即可。

本实用新型实施例提供的平衡式放大器的整个结构，简化电路结构，减少TX链路和RX链路上的损耗，以此优化TX功率和效率以及RX端的隔离度。相较于传统的平衡式放大器减少了两个1/4波长传输线以及一个开关管Q4’，输出匹配网络通过特定阻抗的1/4波长传输线方式实现，使得版图布局易于实现。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，平衡式放大器还包括两个滤波电路，两个滤波电路的第一端对应连接两个功放管各自的第一端，两个滤波电路的第二端对应连接两个功放管的第一端连接的输出匹配网络各自的第二端，且接地。

图3为本实用新型实施例所提供的另一种平衡式放大器的结构图，如图3所示，两个滤波电路6分别并联在两个输出匹配网络2的两端，即一个滤波电路的第一端连接功放管Q1的第一端，该滤波电路的第二端连接功放管Q1连接的输出匹配网络2的第二端；另一个滤波电路的第一端连接功放管Q2的第一端，该滤波电路的第二端连接功放管Q2连接的输出匹配网络2的第二端。

作为一种实施例，两个滤波电路6均包括第一电感和第一电容；

两个滤波电路各自的第一电感的第一端各连接功放管的第一端，第一电感的第二端与第一电容的第一端连接；第一电容的第二端连接两个功放管的第一端连接的输出匹配网络的第二端，且接地。

如图3所示，一个滤波电路6的第一电感L1的第一端连接功放管Q1的第一端，第一电感L1的第二端与第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端连接功放管Q1连接的输出匹配网络2的第二端，且第一电容的第二端接地。

为了更好理解图3中的滤波器内电感和电容的关系，在连接功放管Q2的滤波电路中的第一电感用L2表示，第一电容用C2表示，即另一个滤波电路的第一电感L2的第一端连接功放管Q2的第一端，第一电感L2的第二端与第一电容C2的第一端连接，第一电容C2的第二端连接功放管Q2连接的输出匹配网络2的第二端，且第一电容C2的第二端接地。

其中，两个滤波电路的第一电感基于射频匹配的考虑，可以参与匹配也可以不参与匹配，根据实际情况进行设定即可。对于两个滤波电路的第一电容主要起滤波作用，以避免射频输出信号的干扰。

在上述实施例的基础上，作为一种实施例，功放管和开关管均为MOS管。

功放管和开关管对应功能进行设定，其两种管的类型相同，可以是三极管，也可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOS)管，三极管操作简单，价格低廉，经常用于数字电路开关控制，MOS管自身的输入电阻很高，同时栅-源极间电容又十分小，所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电，因而基本应用在高频高速电路、大电流场所以及对基极或漏极控制电流比较敏感的中央。本实施例中采用MOS管，MOS管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以把很多MOS管集成在一块硅片上，因此MOS管常应用于大范围集成电路。况且MOS管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被普遍应用于各种电子设备中。

在上述实施例中，对于一种平衡式放大器进行了详细描述，本实用新型还提供一种收发模块对应的实施例。本实施例所提供的收发模块包括如上述实施例的平衡式放大器，能带来与上述实施例相同的技术效果。

由于收发模块部分的实施例与平衡式放大器部分的实施例相互对应，因此收发模块置部分的实施例请参见平衡式放大器部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

以上对本实用新型所提供的平衡式放大器以及收发模块进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，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。

Claims (9)

1.一种平衡式放大器，其特征在于，所述平衡式放大器包括两个功放管、两个输出匹配网络、Lange耦合器、第一电阻和开关管；

TX端连接两个所述功放管各自的控制端，各所述功放管的第一端连接各自的所述输出匹配网络的第一端，各所述功放管的第二端接地；各所述输出匹配网络的第二端对应连接所述Lange耦合器的直通端和耦合端，所述Lange耦合器的输入端连接ANT端，所述Lange耦合器的隔离端分别连接所述第一电阻的第一端和RX端，所述第一电阻的第二端连接所述开关管的第一端，所述开关管的第二端接地；

所述平衡式放大器用于在各所述功放管工作时，所述开关管导通以实现TX-ANT链路导通，RX端呈现高阻态；在各所述功放管不工作时，所述开关管关断以实现ANT-RX链路导通，TX端呈现高阻态。

2.根据权利要求1所述的平衡式放大器，其特征在于，还包括两个输入匹配网络、第二电阻和第一耦合器；

TX端连接所述第一耦合器的输入端，所述第二电阻的第一端连接所述第一耦合器的隔离端，所述第二电阻的第二端接地；

所述第一耦合器的直通端和耦合端分别对应连接各自的所述输入匹配网络的第一端，各所述输入匹配网络的第二端对应连接两个所述功放管的控制端。

3.根据权利要求1所述的平衡式放大器，其特征在于，两个所述输出匹配网络均为1/4波长传输线。

4.根据权利要求2所述的平衡式放大器，其特征在于，所述第一耦合器和所述Lange耦合器的频率范围相同。

5.根据权利要求4所述的平衡式放大器，其特征在于，所述第一耦合器为Lange耦合器。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的平衡式放大器，其特征在于，还包括两个滤波电路；

两个所述滤波电路的第一端对应连接两个所述功放管各自的第一端，两个所述滤波电路的第二端对应连接两个所述功放管的第一端连接的所述输出匹配网络各自的第二端，且接地。

7.根据权利要求6所述的平衡式放大器，其特征在于，两个所述滤波电路均包括第一电感和第一电容；

两个所述滤波电路各自的所述第一电感的第一端各连接所述功放管的第一端，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接；所述第一电容的第二端对应连接两个所述功放管的第一端连接的所述输出匹配网络的第二端，且所述第一电容的第二端接地。

8.根据权利要求1所述的平衡式放大器，其特征在于，所述功放管和所述开关管均为MOS管。

9.一种收发模块，其特征在于，包括上述权利要求1至8任意一项所述的平衡式放大器。