CN101951232A

CN101951232A - 射频功率放大器

Info

Publication number: CN101951232A
Application number: CN2010105069787A
Authority: CN
Inventors: 张宗楠; 陈立强; 张健; 张海英
Original assignee: DEYANG ZHONGKE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: DEYANG ZHONGKE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-01-19

Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种射频功率放大器，它包括射频功率放大器基础单元(101)及变压器(102)；所述变压器(102)包括初级线圈及次级线圈，其中初级线圈及次级线圈的一端分别接地；次级线圈的另一端为输出端；所述射频功率放大器基础单元(101)的输出端与变压器(102)初级线圈的另一端连接；所述变压器(102)采用单端输入单端输出结构；所述射频功率放大器基础单元(101)的输出端通过耦合电容(C)与变压器(102)初级线圈的另一端连接。本发明集成度高，片外匹配调试简单，可解决在高功率输出情况下，阻抗变换比对阻抗变换网络的功率传输效率以及有用带宽影响等问题。

Description

射频功率放大器

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种射频功率放大器。

背景技术

随着现代无线通讯向高速大容量方向的演进，用户对宽带通讯的要求不断提高，下一代的技术对射频和微波功率放大器的性能也越来越苛刻。

对于手机中的功率放大器芯片应用来说，其最高供电电压不超过4.2V，其典型的电源电压为3.3V，而在此状况下若要有3W的功率输出，在不考虑膝点电压的情况下，其所需的最优化阻抗为1.7Ω左右，而功率放大器最终输出的阻抗要求为50Ω，因此在功放晶体管的输出到功率放大器最终的输出端之间需要一个阻抗变换网络来完成最优化阻抗到50Ω输出阻抗之间的变换。对于阻抗变换网络来说，由于实际元件中的损耗，在实际应用中最重要的性能就包括功率传输效率和有用带宽。

定义阻抗变换网络的输出阻抗和输入阻抗之比为阻抗变换比。在大功率输出情况下，所需要的最优化阻抗非常小，导致阻抗变换比非常高，对于上述3W的功率输出的情况，阻抗变换比接近30。

目前使用的主要阻抗变换网络为LC网络，主要在片外实现。但其功率传输效率及带宽要受匹配网络两端的阻抗传输比的影响。以一阶LC网络为例，如图2所示，定义网络的阻抗变换比为：

则经过简单的串并转换，可以推导出该网络的功率传输效率为：

η = \frac{Q_{L}^{2} + 1}{Q_{L}^{2} + \frac{m + \sqrt{m^{2} + 4 Q_{L}^{2} (m - 1)}}{2}}

因此，在2GHz频率处，在电感Q_L＝10的情况下有功率传输效率与阻抗传输比率的关系如图3所示。可以看出来，阻抗变换比越大，也就是功率放大器的最优化输出阻抗越小，其功率传输效率就越低。

当考虑LC网络的带宽与阻抗传输比的关系时，可以假设一个无损的低通网络，如图4所示.对其进行扫频分析，可以发现当阻抗变换比率增大，即输入阻抗变小时，匹配网络的1dB带宽也就随之减小，如图5所示。

因此，一阶LC阻抗变换网络的功率传输效率以及有用带宽都会随着阻抗变换比的增大而降低，也就是说，在输出大功率的情况下，一阶LC阻抗变换网络的功率传输效率以及有用带宽会非常低。使用二阶LC网络会减缓上述问题，但是会大大增加片外调试的复杂度。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种集成度高，片外匹配调试简单，可解决在高功率输出情况下，阻抗变换比对阻抗变换网络的功率传输效率以及有用带宽影响等问题的射频功率放大器。

为达到上述目的，本发明是这样实现的：

一种射频功率放大器，它包括射频功率放大器基础单元及变压器；所述变压器包括初级线圈及次级线圈，其中初级线圈及次级线圈的一端分别接地；次级线圈的另一端为输出端；所述射频功率放大器基础单元的输出端与变压器初级线圈的另一端连接。

作为一种优选方案，本发明所述变压器可采用单端输入单端输出结构。

作为另一种优选方案，本发明所述射频功率放大器基础单元的输出端通过耦合电容与变压器初级线圈的另一端连接。

进一步地，本发明所述变压器与射频功率放大器基础单元可集成在同一块芯片。

另外，本发明所述变压器与射频功率放大器基础单元还可采用分离芯片结构。

更进一步地，本发明所述耦合电容可采用一个或两个以上可变电容。

通过本发明的上述技术方案，可以解决现有技术中的射频功率放大器带宽及功率传输效率受阻抗传输比的影响等问题。这种功率放大器的输出网络的带宽及功率传输效率只与变压器本身的特性如耦合因子、品质因子相关，而不会受到网络两端的阻抗变换比的影响。同时初级线圈和次级线圈物理上的隔离可以形成一个DC隔离，同时为射频功率放大器的输出端提供一个ESD防护。该变压器可以使用与功率放大器晶体管相同的工艺，在同一块芯片上实现，实现集成化；也可以为了进一步降低成本，使用价格低廉的无源被动元件工艺在另外一块芯片上实现，同时可以提高变压器的Q值。

通过本发明的上述技术方案，提供一种射频功率放大器结构，可以解决高功率输出情况下阻抗变换比对阻抗变换网络的功率传输效率以及有用带宽的影响，解决现有射频功率放大器片外匹配调试复杂等问题，实现芯片的集成化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明实施例的射频功率放大器的总体结构框图；

图2为一阶LC网络；

图3为一阶LC网络的功率传输效率与阻抗传输比的关系；

图4为一阶低通网络；

图5为一阶低通网络的1dB带宽与阻抗传输比的关系；

图6为本发明实施例中的实际变压器的模型

图7为本发明实施例中的实际变压器的等效T模型；

图8为本发明实施例中的使用变压器做为阻抗变换网络的1dB带宽。

具体实施方式

在本发明实施例中，提供了一种射频功率放大器的实现方案，在该实现方案中，变压器来完成射频功率放大器单元的输出匹配，实现射频功率的放大。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所提供的射频功率放大器主要用于无线通信***中的前端发射机中，将经过上变频后的信号放大，传送给天线发射出去。

如图1所示，本发明实施例的射频功率放大器包括射频功率放大器单元101和变压器线圈102两部分。射频功率放大器单元变压器采用单端输入单端输出的形式。变压器102包括初级线圈和次级线圈，初级线圈和次级线圈各有一侧接地，完成对单端信号的转换。射频功率放大器单元101通过耦合电容C与变压器102的初级线圈另一端连接，次级线圈的另一端作为整个射频功率放大器的输出。

相对于理想变压器来说，实际中的变压器要受诸多非理想因素的影响，如线圈间磁通量的泄露，线圈指条上的阻性损耗，线圈间的电容以及趋肤效应等。考虑到泄露电感、磁化电感以及寄生电阻，实际变压器的模型可以描述为图6所示。不考虑其隔离特性，并在次级线圈端接上负载以及匹配电容，则图6中的模型可以等效为图7中的T模型。由此，可以得出整个变压器的功率传输效率为：

η =

\frac{R_{eq}}{(R_{eq} + R_{2} / α^{2}) + R_{1} \frac{{(R_{2} / α^{2} + R_{eq})}^{2} + {(kω L_{1} + ω (1 - k) L_{2} / α^{2} - 1 / (ω C_{eq}))}^{2}}{{(kω L_{1})}^{2}}}

调节和次级线圈连接的电容(包括寄生电容)，使其与次级线圈中的电感谐振就可以得到最大的功率传输效率，为

η = \frac{R_{eq}}{R_{eq} + \frac{{ωL}_{1}}{Q_{2}} + \frac{ω L_{1}}{Q_{1}} {(\frac{1}{{kQ}_{2}} + \frac{R_{eq}}{kω L_{1}})}^{2}}

其中Q₁、Q₂分别为初级线圈和次级线圈的品质因子，k为变压器的磁场耦合系数。

因此，可以看出来，不同于一阶LC网络中的功率传输效率受阻抗传输比的限制，变压器的功率传输效率只和本身的特性如品质因子、耦合系数有关，不会受到网络两端的阻抗变换比的影响。

而此时，考虑其变压器的带宽，仅考虑泄露电感，假设变压器的互感电感为5nH，耦合系数为0.8，调节输出的匹配电容，使其得到最大的功率传输效率，考察其频率特性，如图8所示，可以看出来，整个变压器的1dB带宽为2GHz以上。

同时初级线圈和次级线圈物理上的隔离可以形成一个DC隔离，同时为射频功率放大器的输出端提供一个ESD防护。该变压器可以使用与功率放大器单元相同的工艺，如GaAs HBT工艺，和功率放大器单元在同一块芯片上实现，实现集成化；也可以为了进一步降低成本，使用价格低廉的无源被动元件工艺在另外一块芯片上实现，同时可以提高变压器的Q值。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各单元、结构或组成部分可以用成一体地元件或构件实现，也可以分别由单个的元件或构件实现。本发明对此不作限制。线圈的个数可以根据需要而定，射频功率放大单元还可以有其他的结构，可变电容可以有一个或两个，在此不限于上述，只要能完成本发明的目的即可。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种射频功率放大器，其特征在于，包括射频功率放大器基础单元(101)及变压器(102)；所述变压器(102)包括初级线圈及次级线圈，其中初级线圈及次级线圈的一端分别接地；次级线圈的另一端为输出端；所述射频功率放大器基础单元(101)的输出端与变压器(102)初级线圈的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大器，其特征在于：所述变压器(102)采用单端输入单端输出结构。

3.根据权利要求2所述的射频功率放大器，其特征在于：所述射频功率放大器基础单元(101)的输出端通过耦合电容(C)与变压器(102)初级线圈的另一端连接。

4.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：所述变压器(102)与射频功率放大器基础单元(101)集成在同一块芯片。

5.根据权利要求3所述的射频功率放大器，其特征在于：所述变压器(102)与射频功率放大器基础单元(101)采用分离芯片结构。

6.根据权利要求4或5所述的射频功率放大器，其特征在于：所述耦合电容(C)采用一个或两个以上可变电容。