CN111934629B - 一种宽带高线性度功率放大器 - Google Patents

一种宽带高线性度功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带高线性度功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、第一级驱动放大器100、第一级间匹配网络、第二级驱动放大器200、第二级间匹配网络、输出级功率放大器300和输出匹配网络，所述的第一级驱动放大器100、第二级驱动放大器200和输出级功率放大器300均包括左右对称设置的差分电容中和放大器和二次谐波短路电路。通过上述方式，本发明能够提升功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调量，增强了功率放大器传输高功率宽带高阶调制信号的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了功率放大器的可靠性，整体提升功率放大器在高频的工作能力。

Description

一种宽带高线性度功率放大器
技术领域
本发明涉及电子电路设计技术领域，特别是涉及一种宽带高线性度功率放大器。
背景技术
近年来，新一代通信技术取得了快速发展，基于sub-6GHz频段的通信已经不能满足日益增长的带宽需求，因而基于6GHz以上的高频通信，如毫米波 5G通信、宽带卫星通信等成为备受关注的发展方向。高频通信使用的小尺寸器件使得大规模相控阵技术成为可能，该技术可以有效地弥补高频通信的高损耗、提升高频通信的覆盖能力，因而被广泛地使用于高频通信***。通过多天线阵列和波束赋形技术，大规模相控阵***可以实现更高的输出功率以克服传播损耗；同时，可以根据用户的实时需求，调整波束的指向，提供灵活的信号覆盖。大规模相控阵***配合宽带高阶调制信号(例如，64-QAM、256-QAM) 可以实现超高速、低时延的无线通信。然而，相对于恒包络信号(例如，QPSK)，宽带高阶调制信号对***的幅度线性度和相位线性度有更高的要求；同时，宽带高阶调制信号极高的峰均比也对大规模相控阵***的线性度提出了挑战。
功率放大器位于大规模相控阵***每个阵元的天线端，是整个***非线性特性的主要来源，也是整个***传输宽带高阶调制信号的瓶颈。现有的功率放大器一般采用AB类偏置的差分电容中和放大器结构。相较于A类功率放大器，AB类功率放大器提供了较高的效率以及接近饱和输出功率的1dB压缩点；而差分电容中和放大器在高频(例如，毫米波频段)提供了较高的增益和良好的稳定性，因此，AB类偏置的差分电容中和放大器被广泛用于传输恒包络信号。然而，AB类偏置下的差分电容中和放大器会产生大量的二次谐波，使功率放大器的幅度线性度、相位线性度和三阶互调量恶化，严重影响宽带高阶调制信号的传输。于是，AB类偏置差分电容中和放大器仍需改进，使其适用于传输宽带高阶调制信号的大规模相控阵***。本发明在AB类偏置差分中电容和放大器的基础上引入二次谐波短路电路，抑制AB类偏置下差分电容中和放大器产生的大量二次谐波，提升功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调量，使功率放大器适用于传输宽带高阶调制信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带高线性度功率放大器，能够提升功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调量，增强了功率放大器传输高功率宽带高阶调制信号的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了功率放大器的可靠性，整体提升功率放大器在高频的工作能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于包括依次连接的输入匹配网络、第一级驱动放大器、第一级间匹配网络、第二级驱动放大器、第二级间匹配网络、输出级功率放大器和输出匹配网络，所述的第一级驱动放大器、第二级驱动放大器和输出级功率放大器均包括左右对称设置的差分电容中和放大器和二次谐波短路电路。
进一步的是，所述输入匹配网络、第一级间匹配网络、第二级间匹配网络和输出匹配网络分别以输入匹配变压器、第一级间匹配变压器、第二级间匹配变压器和输出匹配变压器为基础实现；所述变压器均为片上集成变压器，由不同金属层构成的电感性线圈交叠实现。
进一步的是，所述输入匹配变压器、第一级间匹配变压器和第二级间匹配变压器以弱耦合变压器形式实现，输出匹配变压器以强耦合变压器形式实现，其中：第一级间匹配变压器、第二级间匹配变压器和输出匹配变压器分别为第一驱动级放大器、第二驱动级放大器和输出级功率放大器提供直流电源。
进一步的是，所述第一级驱动放大器、第二级驱动放大器和输出级功率放大器具有相同的结构。
进一步的是，所述第一级驱动放大器的差分电容中和放大器由第一晶体管、第二晶体管、第一电容和第二电容构成，所述第一晶体管和第二晶体管的器件尺寸相同，所述第一电容和第二电容相同；所述第一晶体管的栅极串联第一电容后连接于第二晶体管的漏极上，所述第二晶体管的栅极串联第二电容后连接于第一晶体管的漏极上，所述第一晶体管和第二晶体管的栅极与漏极分别连接于差分信号通路上；所述第二级驱动放大器的差分电容中和放大器包括第三至四晶体管和第五至六电容；所述输出级功率放大器的差分电容中和放大器包括第五至六晶体管和第九至十电容。
进一步的是，所述第一级驱动放大器的二次谐波短路电路由第一电感、第二电感、第三电容和第四电容构成，第一电感和第二电感相同，第三电容和第四电容相同；第一电感一端和第一晶体管的源极相接，另一端串联第二电感后和第二晶体管的源极相接，第三电容一端和第一晶体管的漏极相接，另一端串联第四电容后和第二晶体管的漏极相接，第三电容和第四电容的相接处与第一电感和第二电感相接处相连接；所述第二级驱动放大器的二次谐波短路电路包括第七至八电容和第三至四电感；输出级功率放大器的二次谐波短路电路包括第十一至十二电容和第五至六电感。
进一步的是，所述第一级驱动放大器、第二级驱动放大器和输出级功率放大器中差分电容中和放大器的器件尺寸按比例增大，其中：第一至二晶体管、第三至四晶体管和第五至六晶体管的器件尺寸比例为2：3：4；第一至二电容、第五至六电容和第九至十电容的电容值比例为2：3：4。
进一步的是，所述第一级驱动放大器、第二级驱动放大器和输出级功率放大器中二次谐波短路电路的器件尺寸相同，所述第一至六电感的电感值相同；第三至四电容、第七至八电容和第十一至十二电容的电容值相同。
进一步的是，所述输入匹配变压器组成输入匹配网络，第一级间匹配变压器和第三至四电容组成第一级间匹配网络，第二级间匹配变压器和第七至八电容组成第二级间匹配网络，输出匹配变压器和第十一至十二电容组成输出间匹配网络。
本发明的有益效果是：本发明的一种宽带高线性度功率放大器，具有以下优点：
第一，本发明提出了一种带有二次谐波短路电路的差分电容中和放大器结构，一方面，提升了功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调量，增强了功率放大器传输高功率宽带高阶调制信号的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了功率放大器的可靠性，整体提升功率放大器在高频的工作能力；
第二，本发明通过结合差分电容中和放大器和二次谐波短路电路来抑制二次谐波对调制信号产生的影响，提升了功率放大器在高频的幅度线性度和相位线性度；
第三，将二次谐波短路电路中的电容吸收在匹配网络内，在不影响功率放大器在高频的幅度线性度和相位线性度的前提下，消除了二次谐波短路电路对基波信号的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A是本发明的一种宽带高线性度功率放大器的电路结构示意图；
图1B是本发明中的第一级驱动放大器在共模信号模式下的电路结构示意图；
图1C是本发明中的第一级驱动放大器在差模信号模式下的电路结构示意图；
图2是本发明的一种宽带高线性度功率放大器的增益和输入输出反射系数的结果；
图3是本发明的一种宽带高线性度功率放大器的输出1dB压缩点和输出 3dB压缩点的结果；
图4是本发明的一种宽带高线性度功率放大器的幅度线性度的结果；
图5是本发明的一种宽带高线性度功率放大器的相位线性度的结果；
图6是本发明的一种宽带高线性度功率放大器的三阶互调(IMD3)的结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图1至图6，本发明实施例包括：一如图1所示，本发明提供了一种宽带高线性度功率放大器，包括依次连接的输入匹配变压器400、第一级驱动放大器100、第一级间匹配变压器401、第二级驱动放大器200、第二级间匹配变压器402、输出级功率放大器300和输出匹配变压器403，所述的各级放大器均采用差分电容中和结构，并带有二次谐波短路电路。相比于现有的基于差分电容中和放大器的功率放大器，本发明提供的宽带高线性度功率放大器提升了幅度线性度和相位线性度，抑制了三阶交调量，增强了功率放大器传输宽带高阶调制信号的性能。
基于差分电容中和放大器结构，本发明提供了一种适用于提升差分功率放大器幅度线性度和相位线性度同时抑制三阶交调量的结构，图1A为一种宽带高线性度功率放大器的电路结构示意图、图1B为图1A中第一级驱动放大器在共模信号模式下的电路结构示意图、图1C为图1A中第一级驱动放大器在差模信号模式下的电路结构示意图所示。具体而言：
第一级驱动放大器100、第二级驱动放大器200和输出级驱动放大器300 具有相同的结构。以第一级驱动放大器100为例，该结构由差分电容中和放大器和二次谐波短路电路构成。其中，差分电容中和放大器由晶体管101、晶体管102、电容103和电容104构成，晶体管101的器件尺寸和晶体管102相同，电容103和第二电容104相同。当功率放大器工作时，电容103和电容104 能够提升功率放大器的增益和稳定性。二次谐波短路电路由电感105、电感106、电容107和电容108构成，电感105和电感106相同，电容107和第四电容108相同。当功率放大器工作时，对于共模信号和偶次谐波来说，电路结构如图1B所示；晶体管101和晶体管102并联，栅极、源极和漏极依次相互连接，电容103和电容104并联之后两端分别与晶体管101和晶体管102的栅极和漏极相连；电感105、电感106、电容107和电容108构成谐振于二次谐波频率处的串联谐振电路，使功率放大器的二次谐波负载接近短路，从而抑制二次谐波，改善功率放大器的幅度线性度、相位线性度和三阶交调量；对于差模基波信号和奇次谐波来说，电路结构如图1C所示；晶体管101、晶体管102、电容103和电容104构成差分电容中和放大器；电感105和电感106被虚地短接到地，不会对差模基波信号和奇次谐波产生影响，而电容107和电容108 串联之后并联在晶体管101和晶体管102的漏极上，将被吸收在匹配网络中。第二级驱动放大器200、输出级驱动放大器300和第一级驱动放大器的区别仅在于晶体管尺寸和电容的具体数值，晶体管101、晶体管201和晶体管301的器件尺寸比例为2：3：4；晶体管101和102、晶体管201和202、晶体管301 和302的尺寸分别相同；电容103、电容203和电容303的电容值比例为2：3： 4；电容103和104、电容203和204、电容303和304的电容值分别相同。
输入匹配变压器400、第一级间匹配变压器401和第二级间匹配变压器402 以弱耦合变压器形式实现，输出匹配变压器403以强耦合变压器形式实现。其中，第一级间匹配变压器401、第二级间匹配变压器402和输出匹配变压器403 分别为第一驱动级放大器100、第二驱动级放大器200和输出级功率放大器300 提供直流电源。同时，输入匹配变压器400组成输入匹配网络，第一级间匹配变压器401、电容107和电容108组成第一级间匹配网络，第二级间匹配变压器402、电容207和电容208组成第二级间匹配网络，输出匹配变压器403、电容307和电容308组成输出间匹配网络。
图2是宽带高线性度功率放大器的增益和输入输出反射系数的结果。在 21–28GHz的频率范围内，功率放大器均能够实现最大22.5dB的小信号增益，并且带内增益抖动小于1dB，意味着本发明实现了宽带且平坦的信号放大功能。同时，该功率放大器实现了良好的匹配，在24–28GHz，输入反射系数小于-10dB、输出反射系数小于-5dB。
图3是宽带高线性度功率放大器的输出1dB压缩点和输出3dB压缩点的结果。在24–27GHz的频率范围内，该功率放大器的输出1dB压缩点大于15dBm、输出3dB压缩点大于15.5dBm，意味着本发明实现了宽带大功率输出。
图4是宽带高线性度功率放大器的幅度线性度的结果。在到达1dB压缩点之前，增益上翘小于1dB，意味着本发明实现了较好的幅度线性度。
图5是宽带高线性度功率放大器的相位线性度的结果。在到达1dB压缩点之前，相位偏移小于6°，意味着本发明实现了较好的相位线性度。
图6是宽带高线性度功率放大器的三阶互调(IMD3)的结果。在较宽的输出功率范围内，在上下边带同时实现了低于-30dBc的三阶互调量。
本发明 的一种宽带高线性度功率放大器，具有以下优点:
第一，本发明提出了一种带有二次谐波短路电路的差分电容中和放大器结构，一方面，提升了功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调量，增强了功率放大器传输高功率宽带高阶调制信号的能力，另一方面，抑制了共模干扰信号带来的影响，增强了功率放大器的可靠性，整体提升功率放大器在高频的工作能力；
第二，本发明通过结合差分电容中和放大器和二次谐波短路电路来抑制二次谐波对调制信号产生的影响，提升了功率放大器在高频的幅度线性度和相位线性度；
第三，将二次谐波短路电路中的电容吸收在匹配网络内，在不影响功率放大器在高频的幅度线性度和相位线性度的前提下，消除了二次谐波短路电路对基波信号的影响。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于包括依次连接的输入匹配网络、第一级驱动放大器(100)、第一级间匹配网络、第二级驱动放大器(200)、第二级间匹配网络、输出级功率放大器(300)和输出匹配网络，所述的第一级驱动放大器(100)、第二级驱动放大器(200)和输出级功率放大器(300)均包括左右对称设置的差分电容中和放大器(110、210、310)和二次谐波短路电路(120、220、320)；
所述第一级驱动放大器(100)、第二级驱动放大器(200)和输出级功率放大器(300)具有相同的结构；
所述第一级驱动放大器(100)的二次谐波短路电路(120)由第一电感(105)、第二电感(106)、第三电容(107)和第四电容(108)构成，第一电感(105)和第二电感(106)相同，第三电容(107)和第四电容(108)相同；第一电感(105)一端和第一晶体管(101)的源极相接，另一端串联第二电感(106)后和第二晶体管(102)的源极相接，第三电容(107)一端和第一晶体管(101)的漏极相接，另一端串联第四电容(108)后和第二晶体管(102)的漏极相接，第三电容(107)和第四电容(108)的相接处与第一电感(105)和第二电感(106)相接处相连接；所述第二级驱动放大器(200)的二次谐波短路电路(220)包括第七至八电容(207、208)和第三至四电感(205、206)；输出级功率放大器(300)的二次谐波短路电路(320)包括第十一至十二电容(307、308)和第五至六电感(305、306)。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于：所述输入匹配网络、第一级间匹配网络、第二级间匹配网络和输出匹配网络分别以输入匹配变压器(400)、第一级间匹配变压器(401)、第二级间匹配变压器(402)和输出匹配变压器(403)为基础实现；所述变压器(400、401、402、403)均为片上集成变压器，由不同金属层构成的电感性线圈交叠实现。
3.根据权利要求2所述的一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于：所述输入匹配变压器(400)、第一级间匹配变压器(401)和第二级间匹配变压器(402)以弱耦合变压器形式实现，输出匹配变压器(403)以强耦合变压器形式实现，其中：第一级间匹配变压器(401)、第二级间匹配变压器(402)和输出匹配变压器(403)分别为第一驱动级放大器(100)、第二驱动级放大器(200)和输出级功率放大器(300)提供直流电源。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于：所述第一级驱动放大器(100)的差分电容中和放大器(110)由第一晶体管(101)、第二晶体管(102)、第一电容(103)和第二电容(104)构成，所述第一晶体管(101)和第二晶体管(102)的器件尺寸相同，所述第一电容(103)和第二电容(104)相同；所述第一晶体管的栅极串联第一电容(103)后连接于第二晶体管(102)的漏极上，所述第二晶体管的栅极串联第二电容(104)后连接于第一晶体管(101)的漏极上，所述第一晶体管(101)和第二晶体管(102)的栅极与漏极分别连接于差分信号通路上；所述第二级驱动放大器(200)的差分电容中和放大器(210)包括第三至四晶体管(201、202)和第五至六电容(203、204)；所述输出级功率放大器(300)的差分电容中和放大器(310)包括第五至六晶体管(301、302)和第九至十电容(303、304)。
5.根据权利要求1所述的一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于：所述第一级驱动放大器(100)、第二级驱动放大器(200)和输出级功率放大器(300)中差分电容中和放大器(110、210、310)的器件尺寸按比例增大，其中：第一至二晶体管(101、102)、第三至四晶体管(201、202)和第五至六晶体管(301、302)的器件尺寸比例为2：3：4；第一至二电容(103、104)、第五至六电容(203、204)和第九至十电容(303、304)的电容值比例为2：3：4。
6.根据权利要求1所述的一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于：所述第一级驱动放大器(100)、第二级驱动放大器(200)和输出级功率放大器(300)中二次谐波短路电路(120、220、320)的器件尺寸相同，所述第一至六电感(105、106、205、206、305、306)的电感值相同；第三至四电容(107、108)、第七至八电容(207、208)和第十一至十二电容(307、308)的电容值相同。
7.根据权利要求3所述的一种宽带高线性度功率放大器，其特征在于：所述输入匹配变压器(400)组成输入匹配网络，第一级间匹配变压器(401)和第三至四电容(107、108)组成第一级间匹配网络，第二级间匹配变压器(402)和第七至八电容(207、208)组成第二级间匹配网络，输出匹配变压器(403)和第十一至十二电容(307、308)组成输出匹配网络。
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