CN109714011A - 一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于第五代通信毫米波频段的28GHz的射频功率放大电路，该电路包含输入匹配电路，级间缓冲电路，末级功率输出级，级间匹配电路与输出谐波抑制匹配网络。输入匹配采用T型匹配结构，输入级采用共源放大器结构，静态偏置在A类工作状态，中间缓冲级与末级功率推动级静态偏置在B类工作状态提高效率，输出匹配网络采用谐波抑制网络结构。谐波抑制网络采用串联谐振结构使二次，三次，五次谐波对地短路，增加了效率，射频信号输出的线性度更高。射频输入信号经过前三级的PA进行功率放大，经过二次谐波抑制网络，宽带匹配网络，三次谐波抑制网络，五次谐波抑制网络，最后通过耦合电容到负载。

Description

一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器

技术领域

本发明涉及射频功率放大器领域，尤其涉及第五代移动通信中高频段28GHz基于GaAs工艺的射频功率放大器。

背景技术

当前的无线通信技术已经进入后4G时代，4G技术应用范围泛广，技术成熟。但随着社会的飞速发展，人们的需求进一步提高，对网络速度与网络质量也进一步提出新的要求。2017年末3GPP确立了第一个第五代通信标准，进一步激发有研发实力的国家加大资本投入第五代通信***的研发。在28GHz毫米波频段电路的设计面临诸多问题，如功率放大器的线性度，效率，功率器件的散热，电路的稳定性，电路的带宽等。高频段的功率放大器设计尤为关键，直接关乎到第五代移动通信的成败。当前中国的第五代移动研究正在加速阶段，各种通信电路架构被相继提出，主要研究讨论集中在第五带通信的低频部分，对6GHz 以下的频段研究的比较多，对毫米波高频28GHz频段研究的比较少，基于此本文提出一种可应用于第五代通信毫米波频段28GHz的射频功率放大器架构，来解决高频毫米波频段射频功率放大器效率，线性度，谐波抑制等一些列问题。

发明内容

本发明提出一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器的电路结构，目的在于能应用于第五代移动通信毫米波28GHz频段的射频功率放大器。该结构匹配电路简单，效率高，能较好的抑制高次谐波。该结构放大器包括输入匹配电路，输入级放大器,第一级与第二级级间匹配电路,第二级缓冲放大器,第二级与第三级间匹配电路,末级功率推动级放大器,输出谐波抑制匹配电路。所述输入级增益放大电路、中间级缓冲放大器、后级功率放大电路均由GaAs复合半导体工艺制作；述输入级增益放大电路、中间级缓冲放大器、后级功率放大电路分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路，第三级功率偏置级电路。GaAs拥有一些较Si还要好的电子特性，使得GaAs可以用在高于250GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会产生较少的噪音。也因为GaAs有较高的崩溃压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。GaAs工艺在射频器件方面比Si基材料要好的多。。由于本发明中的晶体管采用的是具有宽带隙结结构GaAs晶体管，大大提高了载流子注入效率，从而使漏极效率、功率附加效率和整体转换效率均得到了提高，使得本发明满足所需的增益和输出功率。输入级匹配电路以及级间匹配电路采用T型匹配结构。输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络采用相同的结构，其不仅可提高一致性，且可保证电路的稳定性。具体的，所述输入匹配网络包括并联在输入端的第一电感和串联第一电容。输入匹配网络采用集总原件匹配网络，电容起隔直作用，使偏置电流不受来自输入端的影响，很好地提高了前级增益放大电路的线性度。输入匹配网络、级间匹配网络和阻抗变换网络采用相同的电路结构，级间匹配网络和阻抗变换网络采用上述电路结构，即在前级增益放大电路、后级功率放大电路之间采用级间共轭匹配的方式进行连接，使前级增益放大电路放大后的信号可顺利的流入后级功率放大电路。输出匹配网络采用谐波抑制匹配结构，包括二次，三次，五次谐波抑制网络，能较好的抑制功率放大器产生的非线性产物。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明功放架构图。

图2为本发明的输出匹配电路图。

图3为本发明的输出匹配实施电路图。

具体实施方式

如图1所示的毫米波频段的射频功率放大器，可应用于全集成射频电路、通信SOC等领域，包括输入匹配网络、前级增益放大电路、级间匹配网络、后级功率放大电路和阻抗变换网络，谐波抑制网络其依次相连；

所述第一级增益放大电路、中间级缓冲电路，后级功率放大电路分别连接有第一偏置电路、第二偏置电路、第三偏置电路。各级偏置电路包含栅极偏置电路bias与漏级偏置电路,漏级偏置电路通过choke高频扼流电感连接Vcc。

如图1所示，输入匹配网络包括电感La、电容Ca。RFin信号输入匹配网络，与电感La并联，接着与Ca串联，Ca的右端连接输入增益级M1晶体管。电容起到阻碍直流共模信号与交流匹配的作用，把M1的输入阻抗匹配的功率源提供的50欧姆阻抗处，使的功率传输效率最大。第一级运放与第二级运放间的级间匹配网络包括电感Lb、电容Cb。第一级的输出信号输入级间匹配网络，与电感Lb并联，接着与Cb串联，Cb的右端连接输入增益级M2晶体管。电容起到阻碍直流共模信号与交流匹配的作用，把M2的输入阻抗匹配第第一级的共轭输出阻抗出，使的功率传输效率最大。第二级与第三级的级间匹配网络包括电感 Lc、电容Ca。第二级信号输入级间匹配网络，与电感Lc并联，接着与Cc串联，Cc的右端连接输入增益级M3晶体管。电容起到阻碍直流共模信号与交流匹配的作用，把M3的输入阻抗匹配到到第二级的输出阻抗处，使的功率传输效率最大。本方案通过简单的三级共源结构，能达到比较高的增益、效率和输出功率，电路结构简单，实用性强，芯片面积小、成本低，易于集成。第一级偏置在A类工作状态，第二级工作在浅B类工作状态，第三级工作在深B类工作状态。最重要的是输出谐波抑制网络，能较好的滤除干扰的高次谐波成分。图2是本发明提出的一种带有高次谐波抑制的宽带匹配电路结构的结构框图。该电路功能块主要包含射频功率放放大级PA，射频扼流电感La，二次谐波抑制网络，宽带匹配网络，三次谐波抑制网络，五次谐波抑制网络。二次，三次，五次谐波抑制网络由N(N大于2)阶电感，电容构成的串联谐振电路组成。射频输入信号是，从信号输入口进入PA进行功率放大，经过二次谐波抑制网络，宽带匹配网络，三次谐波抑制网络，五次谐波抑制网络到信号输出，最后经过耦合电容到天线负载。本发明的谐波抑制网络，及谐波宽带匹配电路，采用的是集总参数原件，可以全集成在一块硅芯片上。避免使用分离原件板级电路的不稳定，提高了电路的可靠性。在谐波抑制网络中2次谐波可采用N阶2次谐波陷波器，3次谐波抑制网络可采用N阶3次谐波陷波器，5次谐波抑制网络可采用N阶5次谐波陷波器。二次谐波抑制网络的实现过程如图3要达到满足要求的二次谐波抑制，至少需要3阶抑制网络。本发明提供的一种采用3阶陷波器，对二次谐波陷波。射频信号由PA输出端口输出，在图3 中的301后一级，宽带匹配网络的前一级302就是二次谐波抑制网络。

在302中包含303,304,305,306N阶二次谐波抑制网络。其中303电感L1，与电容C1构成串联谐振电路，谐振二次谐波，此串联谐振电路对二次谐波短路，其它次谐波开路。谐振频率为2倍基频其中f₀，串联谐振对二次谐波短路，使二谐波对地看到的阻抗为零。303,304,305,306组成N阶谐振电路，谐振在相同的二次谐波频率点上。PA输出一端分别与303,304,305,306,宽带匹配网络连接。在303中先与L1连接，L1另一端在与C1连接，C1另一端与参考地连接。

同理在304,305,306中，PA的输出端口分别与L2,L3...Ln一端连接，L2,L3...Ln的另一端在分别与C2,C3...Cn连接，最后电容另一端在与参考地相连接。这样就实现了对二次谐波的抑制。本发明应用了三阶谐波抑制网络，包含303，304,305.集总参数电容，电感选用高质量的表贴原件，这样谐波网络具有较高的Q(品质因数)，降低了谐波网络的能量损耗。 306款为在理想情况的n阶，实际电路证明只用3阶电路就非常接近理想情况，因此本发明电路搭建也只搭建到了第三阶，三个串联谐振相互并联，可以单点窄带谐振，在不同带宽下也可以选取参数值设置在有一定带宽下谐振。三次，五次谐波抑制网络的实现过程如图3要达到满足要求的三次谐波抑制，至少需要3阶抑制网络。本发明提供的一种采用3阶陷波器，对三次谐波陷波。射频信号由宽带匹配网络输出端口输出，在图3中的宽带匹配网络的后一级，402就是三次谐波抑制网络。在402中包含403,404,405,3阶三次谐波抑制网络。其中 403由电感L4，与电容C4构成串联谐振电路，谐振三次谐波，此串联谐振电路对三次谐波对短路，其它次谐波开路。谐振频率为3倍基频其中f₀为基波频率，串联谐振对三次谐波短路，使三次谐波对地看到的阻抗为零。403,404,405,组成3阶谐振电路，谐振在相同的三次谐波频率点上。宽带匹配网络的输出端分别与403,404,405,401连接。在403中先与L4连接，L4另一端在与C4连接，C4另一端与参考地连接。同理在 404,405,406中，宽带匹配网络的输出一端分别与L5,L6一端连接，L5,L6的另一端在分别与 C5,C6连接，最后电容C5,C6另一端在与参考地相连接。这样就实现了对三次谐波的抑制。

要达到满足要求的五次谐波抑制，至少需要3阶抑制网络。本发明提供的一种采用3 阶陷波器，对五次谐波陷波。射频信号由三阶谐波抑制网络输出端口输出，在图3中的三阶谐波抑制网络的后一级，经401电感La到达五次谐波抑制网络，502就是五次谐波抑制网络。在502中包含503,504,505,3阶五次谐波抑制网络。其中503由电感L7，与电容C7构成串联谐振电路，谐振五次谐波，此串联谐振电路对五次谐波对短路，其它次谐波开路。谐振频率为5倍基频其中f₀为基波频率，串联谐振对五次谐波短路，使五次谐波对地看到的阻抗为零。503,504,505,组成3阶谐振电路，谐振在相同的三次谐波频率点上。401网络的输出一端分别与503,504,505,501连接。在503中先与L7连接， L7另一端在与C7连接，C4另一端与参考地连接。同理在504,505中，401网络的输出一端分别与L8,L9一端连接，L8,L9的另一端在分别与C8,C9连接，最后电容C8,C9另一端在与参考地相连接。这样就实现了对五次谐波的抑制。信号在经过五次谐波抑制网络处理后由一个大电容耦合输出给负载天线。经过上述处理的信号，可以获得高线性度与高效率。二次谐波抑制网络、三次谐波抑制网络和五次谐波抑制网络并联个数灵活可变以实现不同的带宽需求。

Claims (10)

1.一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器，其特征在于，包含输入匹配网络,第一级增益级晶体管M1，级间匹配网络，第二级缓冲级晶体管M2，二三级级间匹配网络，第三级功率级晶体管M3与输出谐波抑制匹配级。

2.根据权利要求1所述的一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络与级间匹配网络采用T型匹配结构。

3.根据权利要求1所述的输入匹配网络与级间匹配网络采用T型匹配结构，其特征在于，所述电容与晶体管串联，电感并联接入地端。

4.根据权利要求1所述的一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器中增益级晶体管M1，其特征在于，所述M1跨导足够大，噪声小，晶体管本征增益大。

5.根据权利要求1所述的一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器中缓冲级晶体管M2，其特征在于，所述M2与第一级输出级间匹配网络串联，与第三级匹配输入匹配网络串联。

6.根据权利要求1所述的一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器中输出级晶体管M2，其特征在于，所述M3具有大的有源区面积，大的跨导参数。

7.根据权利要求1所诉的一种应用在第五代移动通信28GHz的GaAs射频功率放大器中输出谐波抑制网络，其特征在于，所述谐波抑制网络串联二次谐波抑制网络，串联三次谐波抑制网络，串联五次谐波抑制网络。

8.根据权利要求7所述的输出谐波抑制网络中二次谐波抑制网络，其特征在于，所述二次谐波抑制网络并联三阶LC串联谐振电路，先串联电感，在串联电容，电容一端接地结束。

9.根据权利要求7所述的输出谐波抑制网络中三次谐波抑制网络，其特征在于，所述三次谐波抑制网络并联三阶LC串联谐振电路，先串联电感，在串联电容，电容一端接地结束。

10.根据权利要求7所述的输出谐波抑制网络中五次谐波抑制网络，其特征在于，所述五次谐波抑制网络并联三阶LC串联谐振电路，先串联电感，在串联电容，电容一端接地结束。