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应用于5G通信系统的射频功率放大器及射频前端架构的制作方法

专利查询8月前  29

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应用于5g通信系统的射频功率放大器及射频前端架构
技术领域
1.本实用新型涉及功率放大器技术领域,尤其涉及一种应用于5g通信系统的射频功率放大器及射频前端架构。


背景技术:

2.在5g通信的收发机中,功率放大器(pa)对整个收发机的性能影响非常大,其作用是将输出信号进行放大,由天线将被放大的信号发出。功率放大器的输出功率直接决定了信号发射到空间的强度,即无线通信的有效覆盖面积,高输出功率是射频功率放大器设计的基本要求,而5g通信系统需射频功率放大器有更大的输出功率。提高射频功率放大器的输出功率可通过提高其输出电流摆幅或者输出电压摆幅进行,而提高输出电流摆幅可通过增大单个晶体管面积或将多个晶体管并联来实现,然而这会使得晶体管的输入和输出阻抗减小,增加了匹配的难度。


技术实现要素:

3.本实用新型实施例提供一种应用于5g通信系统的射频功率放大器及射频前端架构,能够降低匹配难度,提高射频功率放大器的输出功率。
4.为了解决上述技术问题,第一方面,本实用新型实施例提供一种应用于5g 通信系统的射频功率放大器,包括输入变压器匹配网络、第一级双路放大电路、级间lc匹配网络、第二级双路放大电路以及输出变压器匹配网络;
5.其中,所述输入变压器匹配网络包括一个第一变压器t1,所述级间lc匹配网络包括两个π型匹配单元和两个隔直电容c,所述输出变压器匹配网络包括一个第二变压器t2;
6.所述第一变压器t1的两个输入端分别连接射频输入信号rfin和地端,所述第一变压器t1的两个输出端分别连接所述第一级双路放大电路的两个输入端,以将单端的所述射频输入信号rfin变为一对差分信号,所述第一级双路放大电路的两个输出端分别连接所述两个π型匹配单元的输入端,所述两个π型匹配单元的输出端分别与所述两个隔直电容c的一端连接,所述两个隔直电容c1的另一端分别连接所述第二级双路放大电路的两个输入端,所述第二级双路放大电路的两个输出端分别连接所述第二变压器t2的两个输入端,所述第二变压器t2的一个输出端用于输出射频信号rfout,所述第二变压器t2的另一个输出端接地。
7.更进一步地,所述输入变压器匹配网络还包括第一电容c1、第二电容c2、两个第三电容c3以及第一电感l1;
8.所述第一电容c1的一端和所述第二电容c2的一端分别与所述第一变压器 t1的两个输入端连接,所述第一电容c1的另一端和所述第二电容c1的另一端均接地,所述第一变压器t1中与地端连接的输入端通过第一电感l1接地,所述第一变压器t1的两个输出端分别通过所述两个第三电容c3与所述第一级双路放大电路的两个输入端连接。
9.更进一步地,所述π型匹配单元包括第二电感l2、第三电感l3以及第四电容c4,所
述第二电感l2的一端和所述第四电容c4的一端连接且连接节点为所述π型匹配单元的输入端,所述第二电感l2的另一端接地,所述第四电容c4的另一端和所述第三电感l3的一端连接且连接节点为所述π型匹配单元的输出端,所述第三电感l3的另一端接地。
10.更进一步地,在所述隔直电容c和所述第二级双路放大电路的输入端之间还串联有电阻r0。
11.更进一步地,所述输出变压器匹配网络还包括两个第五电容c5,所述两个第五电容的一端分别与所述第二变压器t2的两个输入端连接,所述两个第五电容的另一端接地。
12.更进一步地,所述第一级双路放大电路包括两个第一晶体管q1,所述第二级双路放大电路包括两个第二晶体管q2;
13.所述两个第一晶体管q1的基极分别为所述第一级双路放大电路的两个输入端,所述两个第一晶体管q1的集电极分别为所述第一级双路放大电路的两个输出端,所述两个第一晶体管q1的发射极接地;所述两个第二晶体管q2的基极分别为所述第二级双路放大电路的两个输入端,所述两个第二晶体管q2 的集电极分别为所述第二级双路放大电路的两个输出端,所述两个第二晶体管 q2的发射极接地。
14.更进一步地,所述第一晶体管q1和所述第二晶体管q2的基极还连接有偏置电路;
15.所述偏置电路包括第三晶体管q3、第四晶体管q4、第五晶体管q5、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3以及第六电容c6;
16.所述第三晶体管q3的基极和集电极、所述第四晶体管q4的基极、所述第一电阻r1的一端以及所述第六电容c6的一端相连接;所述第一电阻r1的另一端连接供电电压vreg,所述第三晶体管q3的发射极、所述第五晶体管q5 的集电极和基极相连接,所述第五晶体管q5的发射极与第二电阻r2的一端连接,所述第二电阻r2的另一端接地,所述第六电容c6的另一端接地,所述第四晶体管q4的集电极连接供电电压vbat,所述第四晶体管q4的发射极与第三电阻r3的一端连接,所述第三电阻r3的另一端与对应的第一晶体管q1或第二晶体管q2的基极连接。
17.第二方面,本实用新型实施例提供一种应用于5g通信系统的射频前端架构,包括上述任一项所述的射频功率放大器。
18.有益效果:本实用新型的射频功率放大器中,包括输入变压器匹配网络、第一级双路放大电路、级间lc匹配网络、第二级双路放大电路以及输出变压器匹配网络;其中,所述输入变压器匹配网络包括一个第一变压器t1,所述级间lc匹配网络包括两个π型匹配单元和两个隔直电容c,所述输出变压器匹配网络包括一个第二变压器t2;所述第一变压器t1的两个输入端分别连接射频输入信号rfin和地端,所述第一变压器t1的两个输出端分别连接所述第一级双路放大电路的两个输入端,以将单端的所述射频输入信号rfin变为一对差分信号,所述第一级双路放大电路的两个输出端分别连接所述两个π型匹配单元的输入端,所述两个π型匹配单元的输出端分别与所述两个隔直电容c的一端连接,所述两个隔直电容c1的另一端分别连接所述第二级双路放大电路的两个输入端,所述第二级双路放大电路的两个输出端分别连接所述第二变压器 t2的两个输入端,所述第二变压器t2的一个输出端用于输出射频信号rfout,所述第二变压器t2的另一个输出端接地,通过上述方式,可以避免多个晶体管并联导致的输入输出阻抗减小而造成匹配困难问题,可以降低各级匹配网络的匹配难度,有利于提高输出功率。
附图说明
19.下面结合附图,通过对本实用新型的具体实施方式详细描述,将使本实用新型的技术方案及其有益效果显而易见。
20.图1是本实用新型实施例提供的应用于5g通信系统的射频功率放大器的电路图;
21.图2是本实用新型实施例提供的偏置电路的电路图。
具体实施方式
22.请参照图式,其中相同的组件符号代表相同的组件,本实用新型的原理是以实施在一适当的运算环境中来举例说明。以下的说明是基于所例示的本实用新型具体实施例,其不应被视为限制本实用新型未在此详述的其它具体实施例。
23.本实用新型的射频功率放大器100可适用于5g通信中工作于n77(3.3~4.2 ghz)频段的功率放大器。参阅图1,本实用新型实施例提供的应用于5g通信系统的射频功率放大器100中,包括依次串联连接的输入变压器匹配网络11、第一级双路放大电路12、级间lc匹配网络13、第二级双路放大电路14以及输出变压器匹配网络15。
24.其中,所述输入变压器匹配网络11包括一个第一变压器t1,所述第一级双路放大电路12包括两个输入端和两个输出端,一个输入端和对应的一个输出端形成一路放大电路,所述级间lc匹配网络13包括两个π型匹配单元131和两个隔直电容c,所述第二级双路放大电路14包括两个输入端和两个输出端,一个输入端和对应的一个输出端形成一路放大电路,所述输出匹配网络15包括一个第二变压器t2。
25.所述第一变压器t1的两个输入端分别连接射频输入信号rfin和地端,所述第一变压器t1的两个输出端分别连接所述第一级双路放大电路12的两个输入端,以将单端的所述射频输入信号rfin变为一对差分信号,所述第一级双路放大电路12的两个输出端分别连接所述两个π型匹配单元131的输入端,所述两个π型匹配单元131的输出端分别与所述两个隔直电容c的一端连接,所述两个隔直电容c1的另一端分别连接所述第二级双路放大电路14的两个输入端,所述第二级双路放大电路14的两个输出端分别连接所述第二变压器t2的两个输入端,所述第二变压器t2的一个输出端用于输出射频信号rfout,所述第二变压器t2的另一个输出端接地。
26.因此,本实施例中,通过第一变压器t1实现单端信号到差分信号的转变,再通过第二变压器t2实现两路差分信号的合成,由此,通过在输入端和输出端均采用变压器匹配结构,避免了多个晶体管并联导致的输入输出阻抗减小而导致的难匹配问题,又通过功率合成技术即差分结构提高了电压输出摆幅,进而提高了射频功率放大器的输出功率。
27.可选地,所述第一级双路放大电路12和第二级双路放大电路14均采用 hbt晶体管实现,其中,第一级双路放大电路12包括两个第一晶体管q1,所述第二级双路放大电路14包括两个第二晶体管q2。所述两个第一晶体管q1 的基极分别为所述第一级双路放大电路12的两个输入端,所述两个第一晶体管 q1的集电极分别为所述第一级双路放大电路12的两个输出端,所述两个第一晶体管q1的发射极接地;所述两个第二晶体管q2的基极分别为所述第二级双路放大电路14的两个输入端,所述两个第二晶体管q2的集电极分别为所述第二级双路放大电路14的两个输出端,所述两个第二晶体管q2的发射极接地。当然,在其他实施方式中,第一级双路放大电路和第二级双路放大电路也可以采用coms管或者其他功率管实
现。
28.所述第一变压器t1用以将单端的所述射频输入信号rfin变为一对差分信号分别输出给两个第一晶体管q1进行放大,其中该一对差分信号大小相同相位相差180
°
。该对差分信号经过级间lc匹配网络13后传输至两个第二晶体管q2,经两个第二晶体管q2的放大后传输至第二变压器t2。所述第二变压器 t2的一个输出端输出射频输出信号rfout,所述第二变压器t2的另一个输出端接地,因此,第二变压器t2为差分信号转为单端信号的变压器,两个相差 180
°
的差分信号,经过该第二变压器t2将再次产生180
°
的相位差,此时的相位差为360
°
即0
°
,由此将两路差分信号转为一路单端信号,完成功率合成,以此获得高输出功率。
29.需要说明的是,本实用新型实施例中,第一级双路放大电路12采用两个第一晶体管q1分别实现两路放大电路,在其他实时方式中,第一级双路放大电路12的每一路放大电路可以采用多个并联的第一晶体管q1实现,每一路中多个并联的第一晶体管q1的基极并联在一起,集电极并联在一起,发射极接地。同理地,图1所示的实施例中,第二级双路放大电路14也采用两个第二晶体管 q2分别实现两路放大电路,在其他实时方式中,第二级双路放大电路14的每一路放大电路也可以采用多个并联的第二晶体管q2实现,每一路放大电路中的多个并联的第二晶体管q2的基极并联在一起,集电极并联在一起,发射极均接地。
30.继续参阅图1,本实用新型实施例中,所述输入变压器匹配网络11还包括第一电容c1、第二电容c2、两个第三电容c3以及第一电感l1。所述第一电容c1的一端和所述第二电容c2的一端分别与所述第一变压器t1的两个输入端连接,所述第一电容c1的另一端和所述第二电容c1的另一端均接地,所述第一变压器t1中与地端连接的输入端通过第一电感l1接地,所述第一变压器 t1的两个输出端分别通过所述两个第三电容c3与两个所述第一晶体管q1的基极连接,即在第一变压器t1的输入端和第一晶体管q1的基极之间串联有第三电容c3。通过第三电容c3,可调节第二级放大电路增益的趋势。
31.所述π型匹配单元131包括第二电感l2、第三电感l3以及第四电容c4,所述第二电感l2的一端和所述第四电容c4的一端连接且连接节点为所述π型匹配单元131的输入端,所述第二电感l2的另一端接地,所述第四电容c4的另一端和所述第三电感l3的一端连接且连接节点为所述π型匹配单元131的输出端,所述第三电感l3的另一端接地。所述隔直电容c的一端所述π型匹配单元131的输出端连接,所述隔直电容c的另一端通过电阻r0与所述第二晶体管q2的基极连接,即在所述隔直电容c和所述第二级双路放大电路的输入端之间还串联有电阻r0。通过在第二晶体管q2的基极串联有电阻r0,有利于提高第二级双路放大电路的稳定性和优化输入回波损耗s11。
32.所述输出变压器匹配网络15还包括两个第五电容c5,所述两个第五电容的一端分别与所述第二变压器t2的两个输入端连接,所述两个第五电容的另一端接地。
33.本实用新型的实施例中,每个所述第一晶体管q1和第二晶体管q2的基极还连接有偏置电路,如图1所示,第一晶体管q1的基极连接有第一偏置电路 161,第二晶体管q2的基极连接有第二偏置电路162,其中第一偏置电路161 和第二偏置电路162的结构可以相同也可以不相同,只要能提供合适的偏置电压即可。本实施例中,以第一偏置电路161和第二偏置电路162的结构相同为例,参阅图2,偏置电路的结构具体包括第三晶体管q3、第四晶体管q4、第五晶体管q5、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3以及第六电容c6。
34.所述第三晶体管q3的基极和集电极、所述第四晶体管q4的基极、所述第一电阻r1的一端以及所述第六电容c6的一端相连接;所述第一电阻r1的另一端连接供电电压vreg,所述第三晶体管q3的发射极、所述第五晶体管q5 的集电极和基极相连接,所述第五晶体管q5的发射极与第二电阻r2的一端连接,所述第二电阻r2的另一端接地,所述第六电容c6的另一端接地,所述第四晶体管q4的集电极连接供电电压vbat,所述第四晶体管q4的发射极与第三电阻r3的一端连接,所述第三电阻r3的另一端与对应的第一晶体管q1或第二晶体管q2的基极连接。
35.其中,第一电阻r1和第二电阻r2为分压电阻,第三电阻r3为热效应抑制电阻,i1、i2为电流,第六电容c6为滤波电容。第三晶体管q3和第五晶体管q5构成钳位电压,使得电流i2为稳定电流,调节第一电阻r1和第二电阻 r2的大小可调节i2的大小。第三晶体管q3和第四晶体管q4组成电流镜,由于第四晶体管q4的放大功能,第四晶体管q4的发射极电流被镜像放大,因i2为稳定电流,故i1=βi2。当输入功率增大,功率放大器处于大功率工作状态时,第一晶体管q1或第二晶体管q2的直流电流增加,因晶体管自热效应和二极管整流特性,第一晶体管q1或第二晶体管q2的基极电位会下降,射频线路上信号泄漏进偏置电路。由于第六电容c6的存在,信号依次经过第四晶体管q4的发射极和基极、第六电容c6到地。因此第四晶体管q4的基极电位保持不变,从而功率放大器100的线性度得到有效提高。第四晶体管q4的基极和发射极由于整流作用,该基极和发射极之间的电压降低,而由于第四晶体管q4的基极电位保持不变,因此对第一晶体管q1或第二晶体管q2的基极电压降低进行有效补偿,使得第一晶体管q1或第二晶体管q2在高输入、输出功率状态下,保持静态工作点不变,因此增益压缩得到有效抑制。
36.通过本实施例的射频功率放大器,可以优化级间匹配和整体匹配的插入回波损耗,提高射频功率放大器的输出功率,并且使得射频功率放大器的相邻频道泄漏比较好,在输出功率为28.5dbm处,相邻频道泄漏比小于-36.2dbc。
37.本实用新型实施例还提供一种射频前端架构,包括上述任一实施例所述的射频功率放大器。
38.以上对本实用新型实施例所提供的一种应用于5g通信系统的射频功率放大器及射频前端架构进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想;同时,对于本领域的技术人员,依据本实用新型的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

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