TW201445875A - 用於匹配無線頻率放大器中之阻抗的裝置 - Google Patents

用於匹配無線頻率放大器中之阻抗的裝置 Download PDF

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Abstract

用於射頻(RF)放大器的阻抗匹配網路包括以第一級至最後一級的次序彼此連接的多級。第一級產生射頻輸出信號，並且最後一級接收射頻輸入信號。每一級都包括經連接以產生輸出信號的第一電感器、經連接以自下一級接收輸入信號的第二電感器、介於第一和第二電感器以及接地之間的電容器。另外，除了第一級以外的每一級都還包括用於旁通第一與第二電感器的第一切換器、連接於第一和第二電感器與接地之間的第二切換器、以及用於控制第一與第二切換器以從一組功率位準選擇特定功率位準的控制器。

Description

用於匹配無線頻率放大器中之阻抗的裝置
本發明基本上係關於用於功率放大器的阻抗匹配網路，並且更尤指用於多功率模式射頻功率放大器的阻抗匹配網路。
在發射器中，射頻(RF)功率放大器(PA)消耗大部分能量。這對於諸如手機、以及其它無線裝置等利用電池運作的行動裝置來說，是個需要克服的問題。射頻功率放大器可影響效率、線性度、以及輸出功率等方面的效能。一般而言，功率放大器將電池功率轉換成信號射頻功率的效率，在很大程度上係決定再次充電前裝置還能使用的時間長度。
功率放大器效率取決的因素包括，但不限於，半導體技術、放大器架構、運作模式、以及阻抗匹配網路。功率放大器的效能也受製造及封裝程序所影響。功率放大器的瞬間效率與信號振幅緊密相關。已知射頻功率放大器在輸入信號具有接近裝置飽和功率的高功率模式時，運作最有效率。一般而言，功率放大器的效率係隨著 輸入信號功率位準的減少而衰減。因此，與高功率模式運作對照，習知的功率放大器運作於中功率模式時通常沒有效率，並且於低功率模式時非常沒有效率。
對於使用幅變(varying amplitude)調變射頻信號的第三代與第四代(3G與4G)行動通訊，智慧型手機沒有效率的問題更加嚴重。諸如寬頻分碼多重存取(WCDMA)、長期演進(LTE)及先進長期演進(LTE-Advanced)信號之類的頻譜效率調變信號，通常具有高峰均功率比(PAPR)。通常，那些信號的機率密度函數可指示出，最高機率係出現於平均功率位準，其相較於峰值功率位準係後移(back-off)約7至10dB。這隱含射頻功率放大器在這些情況下，大部分時間的運作都沒有效率。功率放大器的輸出功率位準，也取決於行動裝置與基地收發站(BTS)之間的距離、傳輸環境、以及阻抗失配狀況。
因此，增強在中功率模式與低功率模式時的射頻功率放大器效率相當重要。要提升具有多功率模式之功率放大器的效率，有許多習知方法。
杜赫(Doherty)放大器可改善在低功率與中功率模式時的效率，並且廣泛用於無線通訊，尤其是用在基地台。杜赫放大器使用主放大器及輔助放大器。杜赫放大器的運作原理係基於在不同功率位準由輔助放大器至主放大器的負載調變。雖然杜赫放大器能夠於高功率位準以及於平均功率位準提供較高效率，由於其尺寸大以及其固有的有限頻寬，杜赫放大器仍非常不適用於行動裝置。
另一種強化方法為波封追蹤(envelope tracking,ET)，其動態調整供應於輸入RF信號之波封的電壓。ET理論上能夠提供高效率放大而不受限於功率位準。然而，將ET應用於行動裝置的主要限制與挑戰，係來自額外的電路模組(功率調變器)、波封信號對齊的挑戰、以及成本。
如第1圖所示，根據實際功率模式選擇功率放大器之不同分支或組合的級旁路技術，也常用於行動電話。對於高功率模式，輸入射頻信號101係由PA1 110及PA2 120兩者所放大為輸出射頻信號102。對於較低的功率模式，係將PA2旁通並且僅由PA1放大射頻信號，而信號路徑則由切換器115及125選擇。然而，級旁路技術的缺點包括放大器數量所導致的複雜度。由於功率放大器的運作工作於不同的頻帶，多頻帶功率放大器模組的設計將變得更複雜。
負載調變是另一種用於改良在低輸出功率位準之效率的方法。假定對於特定偏壓條件下的電晶體，功率放大器運作及其效率係顯著地受負載阻抗所影響，則負載條件可根據放大器實際運作所在於之功率模式而動態調整，以於不同功率位準得到有效率的運作。
僅需一個電晶體即可實現放大器。用於負載調變技術之可調式阻抗匹配網路可被重新配置，其可藉由選擇不同的匹配元件所達成，該匹配元件係例如電感器、電容器、以及傳輸線、或使用切換元件的組合，例如 使用砷化鎵(GaAs)假性高電子遷移率電晶體(pHEMT)切換器。
或者，阻抗匹配網路可藉由使用控制信號之變容器所調控，從而改變其電阻，其中，該控制信號舉例而言可以是施加於兩端子之間的電壓。然而，可切換式及/或可調控式元件的額外複雜度、功率損耗、可靠度，在匹配網路設計不當時，係為負載調變方法的缺點。
因此，有必要改良多功率模式功率放大器的功率放大，尤其是以電池運作的無線裝置。
本發明具體實施例的一個目的在於改良多功率模式功率放大器(PA)的功率效率，特別是在後移功率區中。在一些具體實施例的其他目的係在於使用可重新配置之匹配網路，以供多功率模式射頻功率放大器於不同功率位準取得有效率的運作。
本發明的一個具體實施例為兩段式可重新配置之阻抗匹配網路，其具有基本的匹配組件，例如電感器和電容器，其將一般為50Ω的系統特性阻抗轉換成用於兩種功率位準的兩個阻抗值供。
本發明的另一具體實施例為三段式可重新配置之阻抗匹配網路，其針對三種功率位準提供三種不同的轉換阻抗。
本發明的具體實施例提供N階段可重新配置之阻抗匹配網路的一般態樣，其能夠針對N-功率模式功 率放大器轉換N個不同阻抗值。
匹配組件的形式可以是集總電感器及電容器，但不侷限於此。任何具有特定電感及電容的組件都可當作匹配元件。例如，連結線的寄生效應可作用為電感器。傳輸線之間的氣隙或開放端傳輸線效應可經處理作為電容。還有，可使用不同製程製造組件，例如使用各種半導體製程的表面黏著技術(SMT)、MMIC(單晶微波積體電路)、以及射頻積體電路(RFIC)。
應該了解的是，有利的是，可設計可重新配置之阻抗匹配網路以最小化切換元件引起的額外損耗。切換元件數量的減少，也降低了放大器電路及控制的複雜度。可藉由在不同輸出功率位準使用本發明的可重新配置之匹配網路而使得功率放大器能夠有效率的放大。
101‧‧‧輸入射頻信號
102‧‧‧輸出射頻信號
110‧‧‧PA1
115‧‧‧切換器
120‧‧‧PA2
125‧‧‧切換器
201‧‧‧線條
202‧‧‧線條
203‧‧‧線條
300‧‧‧程序
310‧‧‧程序
320‧‧‧程序
330‧‧‧程序
400‧‧‧具體實施例
401‧‧‧第一級
402‧‧‧第二級
411‧‧‧電感器
412‧‧‧電感器
413‧‧‧電容器
421‧‧‧電感器
422‧‧‧電感器
423‧‧‧電容器
424‧‧‧旁路切換器
425‧‧‧切換器
501‧‧‧級
502‧‧‧級
503‧‧‧級
511‧‧‧電感器
512‧‧‧電感器
513‧‧‧電容器
521‧‧‧電感器
522‧‧‧電感器
523‧‧‧電容器
524‧‧‧旁路切換器
525‧‧‧接地切換器
531‧‧‧電感器
532‧‧‧電感器
533‧‧‧電容器
534‧‧‧旁路切換器
535‧‧‧接地切換器
PA1‧‧‧功率放大器1
PA2‧‧‧功率放大器2
第1圖為習知級旁路功率放大器的電路圖，係用於二級功率模式運作；第2圖為負載線的圖表，其為電流與電壓的函數，係用於本發明具體實施例所使用的三種不同功率模式；第3圖為根據本發明的具體實施例之控制程序的流程圖，其用於運作在多功率模式之可重新配置的匹配網路；第4A圖為根據本發明具體實施例之處於一個狀態的二級式可重新配置之阻抗匹配網路的電路圖；第4B圖為根據本發明具體實施例之第4A圖中所述具 體實施例而重新配置成另一狀態的電路圖；第5圖為根據本發明具體實施例之三級式可重新配置之阻抗匹配網路的電路圖，係用於三種不同功率模式運作；以及第6圖為根據本發明具體實施例之一般化N級式可重新配置之阻抗匹配網路，係用於N種不同的功率模式運作。
本發明的具體實施例提供用於N種不同功率模式的N級式可重新配置之阻抗匹配網路。
第2圖表示負載線，其為電流與電壓的函數，係用於本發明具體實施例所使用之三種不同功率模式。對於中功率模式與低功率模式，負載阻抗係調整至較高的阻抗。阻抗係與虛線的斜率反方向。此阻抗僅為電阻，為了簡潔起見，係以線條201、202、以及203表示，其分別對應於電晶體於低、中及高功率模式時所需的最佳負載電阻。
因此，對於具有高效率的不同功率模式，功率放大器(PA)運作於近飽和區。相較於級旁路，負載調變的優點在於電路較簡單，並且具有的主動裝置較少。
負載線係簡化為純電阻，其斜率k=1/Ropt(最佳電阻)為假設所有諧波都短路的條件下，用於將裝置終止於基本頻率的所需阻抗值，以及為了簡單起見，用於基本頻率終止的純電阻。不同的輸出功率模式位準需要相對應不同之Ropt值。因此，藉由以阻抗匹配網路提供相 對應的阻抗值，裝置得以飽和，同時能夠有效率地傳遞所需的輸出功率。
例如，三條負載線201、202以及203係顯示分別供裝置傳遞低功率、中功率、以及高功率之阻抗值。應該注意的是，本發明可配合任何數量的功率模式使用。
第3圖表示用於調整可重新配置之阻抗匹配網路的程序，係用於如行動電話之類的無線電收發機中的多功率模式功率放大器。在通常的情況下，射頻積體電路(RFIC)或基頻積體電路(BBIC)選擇310供功率放大器用之功率模式(高、中、或低)。最佳阻抗可使用查詢表(LUT)及/或表示瞬間放射的輸出功率之回授信號而決定320。接著，匹配網路之可重新配置之阻抗的狀態係由切換器及/或匹配元件而予以調整。可在如本領域已知之具有記憶體和輸入/輸出介面的處理器、或微處理器300中，進行此程序。
第4A圖表示本發明的一個具體實施例400，亦即用於阻抗匹配，具有第一級401與第二級402的多級式可重新配置之阻抗匹配網路。在圖式中，阻抗係表示為ZN。
第一級401包括串接之電感器(L)411和412、以及介於電感器之間並且連接至接地的電容器(C)413。射頻輸出通常為50Ω的傳輸線。第一電感器412係連接至第二級的輸出，其包括電感器421和422以及電容器423，此時係藉由切換器425連接至接地。電感器422 接收射頻輸入。用於電感器421和422的還有旁路切換器424。
第一級401將系統阻抗(通常為50Ω)轉換成阻抗Z1。Z1例如可以是低功率模式時所需的最佳阻抗。切換器424為開通(ON)，並且切換器425為關斷(OFF)。若射頻輸入信號流經切換器424，則第二級402係旁通。在這種情況下，第二級402並未進行阻抗匹配，並且此組態係對應於低功率模式。第4A圖還表示用於控制切換器424與425的手段，為了簡潔，其係在其它圖示中省略。
在第4B圖的組態中，切換器424為關斷，並且切換器425為開通。這對應於具有較低阻抗的高功率模式。因此，第4A及4B圖中的組態對應於二級式功率匹配網路，其運作於有效率的低功率模式功率放大器或有效率的高功率模式功率放大器中。作為本具體實施例的優點，高功率模式中串聯切換器的開通可將切換器帶來的插入損耗最小化。交換器425不需用於擋住高電壓，這使本具體實施例適用於高功率應用。
第5圖表示另一具體實施例。第一級類似於第4A圖中的第一級，其具有電感器511和512以及電容器513。每一個後續步驟都類似於第4A圖中的第二級，係具有電感器521與522、531與532、以及電容器523與533、以及旁路切換器524與534、以及接地切換器525與535。
可看出的是，其為基於具體實施例400的進一步發展。另一匹配級503係一起加入至501及502。 級501與502可視為進行類似剛才所述之阻抗匹配級401與402的功能才。此組態支援三種功率位準，其係藉由適當地選擇切換器的開通關斷位置而實現。
第6圖表示根據本發明的具體實施例之用於N級式匹配可重新配置之匹配網路的一般化態樣。第一級類似於第4A圖的第一級，並且後續級類似於第4A圖的第二級。由於轉換的阻抗ZN<ZN-1<…<Z2<Z1<Z0=50Ω(為了簡潔起見，無電抗部分)，可能的N-功率模式位準因而提高。
應該明確指出的是，L、C元件的形式可為，但不侷限於離散型L、C晶片，並且還以是傳輸線、連結線、間隙。基本上，任何類型具有電感行為的元件都可用於實現網路中的L功能；類似地，任何類型具有電容行為的元件都可用於實現網路中的C功能。
如本文所述，級係以第一級至最後一級的次序予以設置，其中第一級最接近輸出信號，而最後一級則最接近輸入信號。
另外，請注意，在第2圖中，為了簡化，用於不同功率位準的最佳阻抗係表示成相對應的最佳電阻。在實際應用中，因為裝置及封裝的寄生效應，匹配在正常的情況下係意指匹配至複雜的阻抗Z，而非純電阻R。然而，藉由為電感器L及電容器C選擇適當值，可實現R1與R2、以及Z1與Z2。例如，首先系統阻抗為50Ω，R1=16Ω、以及R2=4Ω，藉由針對低功率及高功率模式， 在第一級中選擇L1、L2、C1，並且在第二級中選擇L3、L4、以及C2，R1以及R2係匹配於第一與第二級中。在期望得到最佳複雜阻抗時，藉由選擇不同的L與C值，也可獲得Z1與Z2，兩者都具有電抗部分。
對於大部分用於設計行動電話用之功率放大器的電晶體而言，最佳電阻小於50Ω(Rn<R n-1<,….R1<Z0=50Ω)。然而，在這種情況下，當Rn>Rn-1,…,>Z0=50Ω時，例如，也可實現用於高模式100Ω、以及低模式200Ω的最佳電阻。在這種情況下，不需要第二電感器412與422，並且將切換器並聯可進行如上所述之工作，以令第二級開通或關斷。
基本上，為了要匹配至大於系統阻抗(Ropt>Z0=50Ω)的最佳電阻，藉由省略第二串聯電感器，如先前所述(分別移除412與422)，匹配級係簡化成串聯L與並聯C，亦即低通結構。還有，最佳阻抗與最佳電阻之間的差異不會造成問題，因為電抗部分可藉由選擇合適的L與C值予以匹配。這可由瞭解阻抗匹配技術的有經驗人士予以設計。
總而言之，藉由適當地選擇任何等於或大於零的L、C值，可在不同的功率模式將系統阻抗匹配至最佳阻抗。
400‧‧‧具體實施例
401‧‧‧第一級
402‧‧‧第二級
411‧‧‧電感器
412‧‧‧電感器
413‧‧‧電容器
421‧‧‧電感器
422‧‧‧電感器
423‧‧‧電容器
424‧‧‧旁路切換器
425‧‧‧切換器

Claims (3)

  1. 一種用於匹配射頻(RF)放大器中之阻抗的設備，其包含：複數個級，其中，該複數個級係以第一級至最後一級之次序彼此串聯，該第一級產生射頻輸出信號，該最後一級接收射頻輸入信號，其中，各級更包含：第一電感器，係經連接以產生輸出信號；第二電感器，係經連接以從下一級接收輸入信號；電容器，係連接於該第一和第二電感器與接地之間，其中，除了該第一級以外的每一級都更包含：第一切換器，係用於旁通該第一和第二電感器；第二切換器，係連接於該第一和第二電感器與該接地之間；以及用於控制該第一和第二切換器之手段，用以選擇一組功率位準中的特定功率位準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的設備，其中，該設備係安裝於無線通訊裝置中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的設備，其中，該無線通訊裝置為行動電話通訊網路。
TW103110062A 2013-03-25 2014-03-18 用於匹配無線頻率放大器中之阻抗的裝置 TW201445875A (zh)

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