TW201404034A

TW201404034A - 功率放大裝置及其耦合器

Info

Publication number: TW201404034A
Application number: TW101124414A
Authority: TW
Inventors: Shi-Dong Zhou; guan-xian Zhang
Original assignee: Senao Networks Inc
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-16
Also published as: TWI484750B

Abstract

一種功率放大裝置，包含第一及第二耦合器，及第一及第二放大器。該第一耦合器用以接收一輸入信號，並將其分流成一第一信號及一第二信號。該第一及第二放大器分別將該第一及第二信號放大，以產生第一及第二放大信號。該第二耦合器分別接收該第一及第二放大信號，並將其合成為一輸出信號。該第一及第二耦合器各自包括一具有第一至第四傳輸段的第一傳輸線、一具有第五至第八傳輸段的第二傳輸線、一電連接於第一及第五傳輸段的第一電容、一電連接於第三及第七傳輸段的第二電容，並且，該第一信號的相位領先該第二信號180度。

Description

功率放大裝置及其耦合器

本發明是有關於一種裝置及其元件，特別是指一種功率放大裝置及其耦合器。

現有的功率放大裝置主要是應用於無線通訊產品中，由於輕薄短小是無線通訊產品的趨勢，尤其是手機，而功率放大裝置一直是無線通訊的關鍵元件，主要是負責放大傳輸信號的功率，其輸出功率的大小決定輸出距離的遠近，效率決定消耗功率多寡及使用的時間，因此，如何提高功率轉換及降低硬體面積等，是目前發展的方向。

因此，本發明之一目的，即在提供一種高增益的功率放大裝置。

於是，本發明功率放大裝置，包含一第一耦合器、一第一放大器、一第二放大器及一第二耦合器。

該第一耦合器用以接收一輸入信號，並將該輸入信號分流成一第一信號及一第二信號。

該第一放大器電連接該第一耦合器以接收該第一信號，並將該第一信號放大以產生一第一放大信號。

該第二放大器電連接於該第一耦合器以接收該第二信號，並將該第二信號放大以產生一第二放大信號。

該第二耦合器電連接該第一及第二放大器以分別接收該第一及第二放大信號，並將該第一及第二放大信號合成為一輸出信號。

該第一及第二耦合器各自包括一第一傳輸線、一第二傳輸線、一第一電容、一第二電容及一標準負載。

該第一傳輸線具有一第一至第四傳輸段，每一傳輸段具有一第一端及一第二端，該第二傳輸段的第一端電連接該第一傳輸段的第二端，該第三傳輸段的第一端電連接該第二傳輸段的第二端，該第四傳輸段的第一端電連接該第三傳輸段的第二端，且該第一耦合器的第一傳輸段的第一端作為一第一傳輸埠以接收該輸入信號，該第二耦合器的第一傳輸段的第一端作為另一第一傳輸埠以輸出該輸出信號，該等第四傳輸段的第二端各自作為一第二傳輸埠。

該第二傳輸線具有一第五至第八傳輸段，每一傳輸段具有一第一端及一第二端，該第六傳輸段的第一端電連接該第五傳輸段的第二端，該第七傳輸段的第一端電連接該第六傳輸段的第二端，該第八傳輸段的第一端電連接該第七傳輸段的第二端，且該第一耦合器的第五傳輸段的第一端作為一第三傳輸埠以輸出該第一信號，該第一耦合器的第八傳輸段的第二端作為一第四傳輸埠以輸出該第二信號，該第二耦合器的第五傳輸段的第一端作為另一第三傳輸埠以接收該第二放大信號，該第二耦合器的第八傳輸段的第二端作為另一第四傳輸埠以接收該第一放大信號。

該第一電容具有電連接於第一及第五傳輸段的該等第二端的兩端。該第二電容具有電連接於第三及第七傳輸段的該等第二端的兩端。

該標準負載包括一電連接該第二傳輸埠的第一端，及一接地的第二端。

而本發明之另一目的，即在提供一種耦合器。

本發明耦合器包括一第一傳輸線、一第二傳輸線、一第一電容、一第二電容及一標準負載。

該第一傳輸線具有一第一至第四傳輸段，每一傳輸段具有一第一端及一第二端，該第二傳輸段的第一端電連接該第一傳輸段的第二端，該第三傳輸段的第一端電連接該第二傳輸段的第二端，該第四傳輸段的第一端電連接該第三傳輸段的第二端，且該第一傳輸段的第一端作為一第一傳輸埠，該第四線傳輸段的第二端作為一第二傳輸埠。

該第二傳輸線具有一第五至第八傳輸段，每一傳輸段具有一第一端及一第二端，該第六傳輸段的第一端電連接該第五傳輸段的第二端，該第七傳輸段的第一端電連接該第六傳輸段的第二端，該第八傳輸段的第一端電連接該第七傳輸段的第二端，且該第五傳輸段的第一端作為一第三傳輸埠，該第八傳輸段的第二端作為一第四傳輸埠。

該第一電容具有電連接於第一及第五傳輸段的該等第二端的兩端。

該第二電容具有電連接於第三及第七傳輸段的該等第二端的兩端。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之兩個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明功率放大裝置之第一較佳實施例操作於一頻帶，並包含一第一耦合器2、一第一運算放大器3、一第二運算放大器4及一第二耦合器5。

該第一耦合器2用以接收一輸入信號，並將該輸入信號分流成一第一信號及一第二信號，且該第一信號的相位實質地以180度領先該第二信號的相位，該第一信號的振幅實質地等於該第二信號的振幅。

該第一耦合器2包括一第一傳輸線21、一第二傳輸線22、一第一傳輸埠23、一第二傳輸埠24、一第三傳輸埠25、一第四傳輸埠26、一第一電容27、一第二電容28及一標準負載29。

該第一傳輸線21具有一第一至第四傳輸段211、212、213、214，每一傳輸段211、212、213、214具有一第一端及一第二端。該第二傳輸段212的第一端電連接該第一傳輸段211的第二端，該第三傳輸段213的第一端電連接該第二傳輸段212的第二端，該第四傳輸段214的第一端電連接該第三傳輸段213的第二端，且該第一傳輸段211的第一端作為該第一傳輸埠23以接收該輸入信號，該第四傳輸段214的第二端作為該第二傳輸埠24。

該第二傳輸線22具有一第五至第八傳輸段221、222、223、224，每一傳輸段221、222、223、224具有一第一端及一第二端。該第六傳輸段222的第一端電連接該第五傳輸段221的第二端，該第七傳輸段223的第一端電連接該第六傳輸段222的第二端，該第八傳輸段224的第一端電連接該第七傳輸段223的第二端，且該第五傳輸段221的第一端作為該第三傳輸埠25以輸出該第一信號，該第八傳輸段224的第二端作為該第四傳輸埠26以輸出該第二信號。

該第一電容27具有電連接於第一及第五傳輸段211、221的該等第二端的兩端。

該第二電容28具有電連接於第三及第七傳輸段213、223的該等第二端的兩端。

本較佳實施例的該第一及第二電容27、28的容值實質地相同，於2.4 GHz時均為1.2 pF。

該標準負載29包括一電連接該第二傳輸埠24的第一端，及一接地的第二端。

該第一放大器3電連接該第一耦合器2以接收該第一信號，並將該第一信號放大以產生一第一放大信號。

該第二放大器4電連接於該第一耦合器2以接收該第二信號，並將該第二信號放大以產生一第二放大信號。

於本較佳實施例中，該第一及第二運算放大器3、4各自包括一非反相輸入端(non-inverting input)、一接地的反向輸入端(inverting input)及一輸出端，且該第一運算放大器3的非反相輸入端接收該第一信號，該第一運算放大器3的輸出端輸出該第一放大信號；該第二運算放大器4的非反相輸入端接收該第二信號，該第二運算放大器4的輸出端輸出該第二放大信號。

該第二耦合器5電連接該第一及第二放大器3、4以分別接收該第一及第二放大信號，並將該第一及第二放大信號合成為一輸出信號。

該第二耦合器5包括一第一傳輸線51、一第二傳輸線52、一第一傳輸埠53、一第二傳輸埠54、一第三傳輸埠55、一第四傳輸埠56、一第一電容57、一第二電容58及一標準負載59。

該第一傳輸線51具有一第一至第四傳輸段511、512、513、514，每一傳輸段511、512、513、514具有一第一端及一第二端。該第二傳輸段512的第一端電連接該第一傳輸段511的第二端，該第三傳輸段513的第一端電連接該第二傳輸段512的第二端，該第四傳輸段514的第一端電連接該第三傳輸段513的第二端，且該第一傳輸段511的第一端作為該第一傳輸埠53以輸出該輸出信號，該第四傳輸段514的第二端作為該第二傳輸埠54。

該第二傳輸線52具有一第五至第八傳輸段521、522、523、524，每一傳輸段521、522、523、524具有一第一端及一第二端。該第六傳輸段522的第一端電連接該第五傳輸段521的第二端，該第七傳輸段523的第一端電連接該第六傳輸段522的第二端，該第八傳輸段524的第一端電連接該第七傳輸段523的第二端，且該第五傳輸段521的第一端作為該第三傳輸埠55以接收該第二放大信號，該第八傳輸段524的第二端作為該第四傳輸埠56以接收該第一放大信號。

該第一電容57具有電連接於第一及第五傳輸段511、521的該等第二端的兩端。

該第二電容58具有電連接於第三及第七傳輸段513、523的該等第二端的兩端。

本較佳實施例的該第一及第二電容57、58的容值實質地相同，於2.4 GHz時均為1.2 pF。

該標準負載59包括一電連接該第二傳輸埠54的第一端，及一接地的第二端。

並且，上述該等第一至第八傳輸段211、212、213、214、221、222、223、224、511、512、513、514、521、522、523、524的每一者的一電長度實質地為一頻率(例如2.4 GHz)所對應的一個四分之一波長，且各自的一特徵阻抗也實質地相等，並為該標準負載29、59的一標準阻抗的兩倍，例如：標準阻抗是50歐姆，則特徵阻抗實質地為50歐姆的兩倍。於本較佳實施例，該等第一至第八傳輸段211、212、213、214、221、222、223、224、511、512、513、514、521、522、523、524是以微帶線的方式設計，但不以此為限，也可以採用例如同軸電纜線或其它微波元件的型式實施。

值得注意的是，即使該特徵阻抗及該標準阻抗不是精確的50及100歐姆，或特徵阻抗與標準阻抗的比值有一些正負誤差，仍有達到上述功效的可能，只是越偏離精確的阻抗值則每一傳輸埠23、24、25、26、53、54、55、56各自的一輸入阻抗也可能會對應地越加偏離50歐姆，而產生阻抗不匹配的問題；並且，該等第一至第八傳輸段211、212、213、214、221、222、223、224、511、512、513、514、521、522、523、524的每一者偏離四分之一波長時，也可能對應地使該第一及第二信號的180度相差被改變，例如只差175度，但小範圍(例如精確值的±5%)的電長度變動或多個電長度變動彼此剛好互相抵消，大體而言仍無礙該較佳實施例的運作。

該第一至第八傳輸段211、212、213、214、221、222、223、224、511、512、513、514、521、522、523、524的實體長度會隨著所在環境的一等效介電常數的增加而下降，然而對應到該個等效介電常數換算該第一至第八傳輸段211、212、213、214、221、222、223、224、511、512、513、514、521、522、523、524的實體長度l實質地為l=C/(4×f×)，該參數C為光速，參數f為該第一及第二耦合器2、5所操作的該頻率(例如2.4 GHz)，參數ε_r為等效介電常數(例如FR4玻纖板的等效介電常數ε_r約為4.4)，且由於該第一及第二電容27、28、57、58各自具有一寄生電阻(圖未示)存在，所以本較佳實施例的每一傳輸段211、212、213、214、221、222、223、224、511、512、513、514、521、522、523、524的特徵阻抗約為96.5 歐姆。

參閱圖2及圖3，分別是該第一及第二耦合器2、5以微帶線的方式設計時的示意圖。為了實際應用連接時的方便，該第一及第二耦合器2、5還各自包括四條等長的延伸線20、50，每一延伸線20、50的特徵阻抗實質地為50歐姆的該標準阻抗，且該等延伸線20、50的電長度實質地相等。

該第一耦合器2的該等延伸線20的其中三條分別從該第一傳輸埠23、該第三及第四傳輸埠25、26延伸而出，剩餘的該延伸線20的兩端分別電連接於該標準負載29與該第二傳輸埠24之間。

該第二耦合器5的該等延伸線50的其中三條分別從該第一傳輸埠53、該第三及第四傳輸埠55、56延伸而出，剩餘的該延伸線50的兩端分別電連接於該標準負載59與該第二傳輸埠54之間。

該第一及第二耦合器2、5各自的第一及第二傳輸線21、22、51、52所間隔的一間隙L約為1.1毫米。

參閱圖4及圖5，分別顯示該功率放大裝置的一第一電流路徑91及一第二電連路徑92。圖4顯示該輸入信號的一部分從該輸入端6沿著該第一電流路徑91到達該輸出端7，圖5顯示該輸入信號的其餘部分從該輸入端6沿著該第二電流路徑92到達該輸出端7，且該第一及第二電流路徑91、92的長度實質地相等，所以該第一及第二放大信號經過該第二耦合器5到達該輸出端7處為同相位而疊加；此外，該輸入端6沿著該第一及第二路徑91、92分別到達該第一及第二放大器3、4的非反相輸入端的兩長度實質地相差兩個四分之一波長，所以該第一信號是領先該第二信號180度，如此的設計的目的在於若該第一及第二放大器3、4各自受到相同的一雜訊干擾，則該第一放大器3的輸出端會輸出該第一放大信號加上該雜訊，該第二放大器4的輸出端會輸出該第二放大信號加上該雜訊，但該兩個雜訊經過該第二耦合器5到達該輸出端7處因具有180度的相差而相消，但本來就具有180度相差的該第一及第二放大信號到達該輸出端7處則剛好同相而疊加。

參閱表1，是該第一較佳實施例的輸入信號及輸出信號的對照表。表1顯示該較佳實施例的功率放大裝置的飽和點的增益為23.2 dB(23.2 dB=32.2 dBm-9 dBm)。

參閱圖6，本發明功率放大裝置之第二較佳實施例與該第一較佳實施例近似，差異在於第二較佳實施例的該第一及第二耦合器2、5還分別包括兩個第三電容30、60。該第一耦合器2的第三電容30具有電連接於該第二及第六傳輸段212、222的該等第二端的兩端。該第二耦合器5的第三電容60具有電連接於該第二及第六傳輸段512、522的該等第二端的兩端。該等第三電容30、60的容值實質地相同，於2.4 GHz時均為1.2 pF。

綜上所述，該較佳實施例的功率放大裝置具有以下優點：

1.具有23.2dB的良好增益，原因在於該輸入信號大部分的能量都經由該第一及第二電容27、28到達該第三及第四傳輸埠25、26，僅有較少的能量被該標準負載29損耗掉；同理，該第一及第二放大信號大部分的能量也經由該第一及第二電容57、58到達該輸出端7，僅有少部分的能量被該標準負載59損耗掉，故該功率放大裝置具有符合現今業界應用的良好增益。

2.面積小，該較佳實施例的該第一耦合器2的第一及第二傳輸線21、22距離的一間隙L為1毫米，無需間隔四分之一波長，而雖然該第一及第二傳輸線21、22各為一個波長，但整體而言該第一耦合器2所需的面積仍遠小於習知面積為四分之一波長的平方的支路耦合器(branch line coupler)；同樣地，該第二耦合器5所需的面積也小於習知的支路耦合器。

故上述該等功率放大裝置的較佳實施例具有良好的增益並保持小面積，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧第一耦合器

20‧‧‧延伸線

21‧‧‧第一傳輸線

211‧‧‧第一傳輸段

212‧‧‧第二傳輸段

213‧‧‧第三傳輸段

214‧‧‧第四傳輸段

22‧‧‧第二傳輸線

221‧‧‧第五傳輸段

222‧‧‧第六傳輸段

223‧‧‧第七傳輸段

224‧‧‧第八傳輸段

23‧‧‧第一傳輸埠

24‧‧‧第二傳輸埠

25‧‧‧第三傳輸埠

26‧‧‧第四傳輸埠

27‧‧‧第一電容

28‧‧‧第二電容

29‧‧‧標準負載

30‧‧‧第三電容

3‧‧‧第一運算放大器

4‧‧‧第二運算放大器

5‧‧‧第二耦合器

50‧‧‧延伸線

51‧‧‧第一傳輸線

511‧‧‧第一傳輸段

512‧‧‧第二傳輸段

513‧‧‧第三傳輸段

514‧‧‧第四傳輸段

52‧‧‧第二傳輸線

521‧‧‧第五傳輸段

522‧‧‧第六傳輸段

523‧‧‧第七傳輸段

524‧‧‧第八傳輸段

53‧‧‧第一傳輸埠

54‧‧‧第二傳輸埠

55‧‧‧第三傳輸埠

56‧‧‧第四傳輸埠

57‧‧‧第一電容

58‧‧‧第二電容

59‧‧‧標準負載

60‧‧‧第三電容

6‧‧‧輸入端

7‧‧‧輸出端

91‧‧‧第一電流路徑

92‧‧‧第二電流路徑

L‧‧‧間隙

圖1是本發明功率放大裝置之第一較佳實施例的示意圖；圖2是該第一較佳實施例的一第一耦合器的示意圖；圖3是該第一較佳實施例的一第二耦合器的示意圖；圖4是該第一較佳實施例的一第一電流路徑的示意圖；圖5是該第一較佳實施例的一第二電流路徑的示意圖；及圖6是本發明功率放大裝置之第二較佳實施例的示意圖。