CN116317989A - 具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器，描述了实现放大器模块的装置和***。放大器模块可以包括衬底。驱动器放大器裸片、拆分器网络、输出放大器裸片、偏置控制器和组合器网络可以被耦合到衬底。驱动器放大器裸片可以被配置为接收输入射频(RF)信号。拆分器网络可以被配置为将从驱动器放大器裸片输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号。输出放大器裸片可以被配置为接收第一RF信号和第二RF信号。偏置控制器可以被配置为对驱动器放大器裸片和输出放大器裸片进行偏置。组合器网络可以被配置为：将输出放大器裸片的第一输出和第二输出组合以生成输出RF信号，以及终止输出放大器裸片的输出阻抗的至少一个谐波。

Description

具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器
技术领域
本公开总体涉及用于无线功率放大的装置和***。具体地，本公开涉及集成有偏置控制和谐波终止的多芯片射频(RF)功率放大器模块。
背景技术
无线通信***可以采用功率放大器来增加射频(RF)信号的功率。在无线通信***中，在传输信道的最终放大器级中的功率放大器可以促进将信号放大到天线以用于空中辐射。高增益、高线性度、稳定性和高功率附加效率水平是这种无线通信***中理想放大器的特性。通常，当功率放大器接近饱和功率发射时，功率放大器可以以最大功率效率操作。然而，功率效率可能随着输出功率减小而降级。因此，对于当前和下一代无线***来说，可能需要一种高效率的功率放大器架构。
然而，各种架构在半导体封装设计方面面临挑战。例如，一些放大器半导体封装设计可能需要不同的分立组件集合(诸如器件、导体和集成电路)来实现每个放大路径。这些不同的分立组件集合可以被维持在彼此分开的特定距离处，以限制由于不同放大路径之间的信号耦合而可能出现的潜在性能降级。因此，设计相对较小尺寸的功率放大器，同时维持不同放大路径之间的距离可以是一个挑战。
发明内容
在一个实施例中，总体描述了一种实现放大器模块的装置。装置可以包括被配置为接收输入射频(RF)信号的驱动器放大器级。装置还可以包括拆分器网络，拆分器网络被配置为将从驱动器放大器级输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号。装置还可以包括输出放大器级，输出放大器级被配置为接收来自拆分器网络的第一RF信号和第二RF信号。装置还可以包括功率管理集成电路(PMIC)，功率管理集成电路(PMIC)被配置为向驱动器放大器级和输出放大器级提供偏置电压。装置还可以包括组合器网络，组合器网络被配置为将放大器级的第一输出和第二输出组合以生成输出RF信号。组合器网络还可以被配置为终止输出放大器级的输出阻抗的至少一个谐波。
在另一个实施例中，总体描述了放大器模块。放大器模块可以包括具有安装表面的衬底。放大器模块还可以包括被耦合到衬底的驱动器放大器裸片，驱动器放大器裸片被配置为接收输入射频(RF)信号。放大器模块还可以包括被耦合到衬底的拆分器网络，拆分器网络被配置为将从驱动器放大器级输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号。放大器模块还可以包括被耦合到衬底的输出放大器裸片，输出放大器裸片被配置为接收来自拆分器网络的第一RF信号和第二RF信号。放大器模块还可以包括被耦合到衬底的功率管理集成电路(PMIC)，PMIC被配置为向驱动器放大器级和输出放大器级提供偏置电压。放大器模块还可以包括被耦合到衬底的组合器网络，组合器网络被配置为将放大器级的第一输出和第二输出组合以生成输出RF信号。组合器网络还可以被配置为终止输出放大器级的输出阻抗的至少一个谐波。
在另一个实施例中，总体描述了实现放大器模块的***。***可以包括天线以及被耦合到天线的发射器。发射器可以包括放大器模块。放大器模块可以包括被配置为接收输入射频(RF)信号的驱动器放大器级。放大器模块还可以包括拆分器网络，拆分器网络被配置为将从驱动器放大器级输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号。放大器模块还可以包括输出放大器级，输出放大器级被配置为接收来自拆分器网络的第一RF信号和第二RF信号。放大器模块还可以包括偏置控制器，偏置控制器可以是功率管理集成电路(PMIC)，偏置控制器被配置为向驱动器放大器级和输出放大器级提供偏置电压。放大器模块还可以包括组合器网络，组合器网络被配置为将放大器级的第一输出和第二输出组合以生成输出RF信号。组合器网络还可以被配置为终止输出放大器级的输出阻抗的至少一个谐波。
前述概述仅是说明性的并且不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，另外的方面、实施例和特征将变得明显。在附图中，相同的附图标记指示相同或功能相似的元件。
附图说明
图1是示出了在一个实施例中的可以实现具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器的示例装置的图。
图2是示出了在一个实施例中的图1中所示的示例装置的附加细节的图。
图3是示出了在一个实施例中的图1中所示的示例装置的附加细节的图。
图4是示出了在一个实施例中的图1中所示的示例装置的实现的示例结果的图。
图5是示出了在一个实施例中的可以实现图1中所示的示例装置的封装设备的布局的图。
图6是示出了在一个实施例中的可以实现具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器的示例通信***的图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如特定结构、组件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本申请的各种实施例的理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本申请的各种实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的结构或处理步骤以避免混淆本申请。
为了设计具有较小尺寸的功率放大器，考虑了氮化镓(GaN)设备。GaN设备可以提供优于其他材料的设备的各种优势，诸如提供紧凑尺寸、更高功率密度、更高效率、更低开关损耗和更好的热管理。GaN设备属于被称为宽带隙半导体的半导体家族。宽带隙半导体可以被称为带隙明显大于常用材料(例如，诸如硅(Si)或砷化镓(GaAs))的带隙的材料。宽带隙通常是指带隙大于例如1电子伏特(eV)或2电子伏特(eV)的材料，并且GaN具有3.2电子伏特(eV)(几乎是硅的带隙的3倍)的带隙。较宽的带隙允许GaN设备需要更多的能量来将价电子激发到半导体的导带中，这提供了在较高温度下允许更大击穿电压和更大热稳定性的优势。此外，GaN的较高击穿电压允许GaN设备支持高电压和高功率应用而不会被损坏，这允许GaN设备被用在功率应用中，同时维持相对较小的占地面积。因此，基于GaN设备的功率放大器可以具有更靠近的放大路径，从而产生更小的功率放大器。对于射频应用，GaN具有可以明显高于例如硅的电子迁移率。因此，电子在GaN晶体中可以比在硅中移动快30％以上。因此，GaN的电子迁移率允许GaN在特定应用(诸如RF应用)中处理更高的切换频率。
图1是示出在一个实施例中的可以实现具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器的示例装置100的图。装置100可以是具有集成在一个半导体封装中的多个组件(例如，芯片、裸片、电路元件等)的功率放大器模块。装置100可以包括偏置控制器102、驱动器放大器级110、拆分器网络104、输出放大器级120和组合器网络130。偏置控制器102可以是功率管理集成电路(PMIC)。在一个实施例中，驱动器放大器级110和输出放大器级120可以是2路多尔蒂(Doherty)放大器。在一个或多个实施例中，输出放大器级120可以是N路Doherty放大器。装置100可以被配置为：接收输入RF信号RF_in，并且放大RF_in以生成输出RF信号RF_out。在一个实施例中，驱动器放大器级110和输出放大器级120可以包括氮化镓(GaN)晶体管，诸如氮化镓金属半导体场效应晶体管(GaN MESFET)、GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)、GaN异质结构场效应晶体管(HFET)、硅横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、硅互补金属氧化物半导体(CMOS)、砷化镓(GaAs)器件、硅锗(SiGe)等。
驱动器放大器级110可以包括放大器112和放大器114。放大器112可以是驱动器放大器级110的峰化放大器或辅助放大器，并且放大器114可以是驱动器放大器级110的载波或主放大器。在一个实施例中，放大器112、114可以是对称(例如，相同、具有相同尺寸和/或具有相同功率能力)的射频(RF)放大器。输入射频(RF)信号RF_in可以由装置100接收，并且被分配给驱动器放大器级110中的放大器112、114。驱动器放大器级110的放大器112、114可以接收RF_in，并且对RF_in施加增益，以将RF_in放大到中间RF信号RF_int。包括阻抗逆变器116的匹配网络可以被连接在放大器112、114的输出端子之间。阻抗逆变器116可以被配置为：执行阻抗逆变，以使驱动器放大器级110的输出阻抗与拆分器网络104的阻抗相匹配。由阻抗逆变器116执行的阻抗匹配可以将从驱动器放大器级110传输到输出放大器级120的功率最大化，和/或防止在驱动器放大器级110和输出放大器级120之间生成驻波。
拆分器网络104可以被配置为将中间RF信号RF_int拆分成第一RF信号RF_1和第二RF信号RF_2。拆分器网络104可以包括可以促进RF信号的拆分的各种表面贴装无源组件(例如，电阻器、电感器、电容器)。在一个或多个实施例中，拆分器网络104可以包括传输线，传输线可以将特定延迟应用到中间RF信号RF_int，诸如提供90度相移的四分之一波传输线。在一个实施例中，拆分器网络104可以使用基于带状线的四端口表面贴装90度混合耦合器来实现。在一个实施例中，拆分器网络104可以具有1：X的功率拆分比，使得第一RF信号RF_1与第二RF信号RF_2的电压水平的比率可以是1：X，其中X可以在1和2之间变化。
输出放大器级120可以包括放大器122和放大器124。放大器122可以是输出放大器级120的峰化放大器或辅助放大器，并且放大器124可以是输出放大器级120的载波放大器或主放大器。在一个实施例中，放大器122、124可以不对称，诸如是具有彼此不同功率能力的不同RF放大器。例如，与放大器124相比，放大器122可以具有更高的功率能力，使得放大器122可以处理具有较高电压水平的信号，并且放大器124可以处理具有较低电压水平的信号。第一RF信号RF_1和第二RF信号RF_2可以分别由输出放大器级120的放大器122、124接收。放大器122可以对RF_1施加增益以放大RF_1来产生RF信号RF_1A，其中RF_1A可以是RF_1的放大版本。放大器124可以对RF_2施加增益以放大RF_2来产生RF信号RF_2A，其中RF_2A可以是RF_2的放大版本。
偏置控制器102可以被配置为提供栅极偏置电压117、118以分别开启放大器112、114。根据输入RF信号RF_in的电压水平，放大器112、114可以同时或在不同时间被开启。偏置控制器102也可以被配置为向放大器122提供栅极偏置电压126，并且向放大器124提供栅极偏置电压128。根据中间RF信号RF_int的电压水平，放大器122、124可以同时或在不同时间被开启。偏置控制器102还可以被配置为：监测装置100的各种参数，并且基于所监测的参数来调整装置100内部的偏置电压或其他参数或控制信号。例如，偏置控制器102可以包括温度传感器108，温度传感器108被配置为感测装置100的操作温度。偏置控制器102的控制器106(例如，微控制器)可以被配置为：基于由温度传感器108感测的操作温度，调整栅极偏置电压117、118、126、128。
在一个实施例中，装置100可以是集成在RF通信设备中的功率放大器模块，RF通信设备诸如是无线电发射器、无线电收发器、波束形成器电路和/或需要RF信号放大的其他类型的RF通信设备。装置100的输出端子可以被连接到可以发射表示输出RF信号RF_out的无线电波的负载或设备，诸如天线或相控阵列中的一个或多个天线。组合器网络130可以包括被连接在放大器122、124的输出端子之间的阻抗逆变器132。阻抗逆变器132可以被配置为：执行阻抗逆变，以使输出放大器级120的输出阻抗与从装置100汲取功率的负载或负载的输入阻抗相匹配。具体地，阻抗逆变器132可以提供二次谐波终止以优化放大器124的操作。由阻抗逆变器132执行的阻抗匹配可以将从输出放大器级120传输到负载的功率最大化，和/或防止在输出放大器级120和负载之间生成驻波。
组合器网络130可以被设计成满足带宽、效率、负载调制的标准，并且执行二次谐波和三次谐波终止。偏置控制器102、驱动器放大器级110、拆分器网络104、输出放大器级120和组合器网络130可以被集成在具有相对紧凑尺寸的单个多芯片模块内。例如，装置100可以装配在具有大约12毫米(mm)×8mm尺寸的衬底或晶片上。与其他类型的放大器相比，在输出放大器级120中的集成Doherty放大器的实现可以减少占用的板空间的量，同时适应相对较宽的RF带宽。例如，Doherty放大器的实现允许组合器网络130使用被连接在放大器122、124的输出之间的90度阻抗逆变器(例如，阻抗逆变器132)，并且可以不需要在峰化放大器(例如，放大器122)的输出上的关态延迟线。此外，阻抗逆变器132可以通过集总等效元件电路(例如，使用电阻器、电感器、电容器)而不是微带线来实现或实施，以节省板空间。
与其他类型的放大器(诸如AB类放大器)相比，在驱动器放大器级110中的集成Doherty放大器的实现还可以减少所占用的板空间的量。此外，在驱动器放大器级110中的对称Doherty放大器(例如，相同的放大器112、114)的实现可以跨较宽的带宽信号提供最佳线性度，因为驱动器放大器级可以在大约10分贝到12分贝(dB)的回退功率下操作。在一个实施例中，驱动器放大器级110的阻抗逆变器116也可以通过集总等效电路元件(例如，电阻器、电感器、电容器)而不是微带线来实现或实施，以节省板空间。此外，阻抗逆变器116连同驱动器放大器级110中的对称Doherty放大器的实现，可以提供由放大器112、114输出的RF信号的50欧姆直接组合，使得在驱动器放大器级110的输出之前不需要输出变压器。
在驱动器放大器级110和输出放大器级120中的GaN晶体管的利用连同阻抗逆变器132的集总等效的实现，允许驱动器放大器级110和输出放大器级120装配在衬底的可以相对较小的区域上。驱动器放大器级110和输出放大器级120占用的电路板空间的减少允许偏置控制器102被集成在相同模块(例如，装置100)中。偏置控制器102与驱动器放大器级110和输出放大器级120在相同模块中的集成，可以允许对驱动器放大器级110和输出放大器级120进行相对更有效和更快的偏置控制，从而改进功率放大器芯片或模块(例如，装置100)的整体性能。
图2是示出在一个实施例中的图1中所示的示例装置的附加细节的图。在图2中所示的示例中，驱动器放大器级110可以包括晶体管202和晶体管204。晶体管202、204可以是GaN晶体管。晶体管202可以是放大器112的部分，并且晶体管204可以是放大器114(见图1)的部分。晶体管202、204可以彼此相同(例如，具有相同尺寸)。由偏置控制器102(见图1)提供的栅极偏置电压117、118可以分别接通晶体管202和晶体管204。阻抗逆变器116可以被连接在晶体管202、204之间，或放大器112、114的输出端子之间。阻抗逆变器116可以被实现为诸如芯片电容器和芯片电感器的集总组件，或者处于诸如微带线的分布式传输线的形式，或者处于使用集总和微带线两者的混合形式。在图2中所示的示例中，阻抗逆变器116可以被实现为传输线的集总等效物(包括电容器C1和电感器L1、L2、L3、L4的电路元件的布置，如图2中所示)。阻抗逆变器116中的组件的尺寸可以是基于阻抗逆变器116中的电路元件执行的电压和电流水平以及可用的电路板空间。在一个实施例中，如果驱动器放大器级在大约3.5吉赫兹(GHz)下操作，则L1和L2的样本值可以为大约1.9纳亨(nH)。供电电压VDD可以被施加到阻抗逆变器116以驱动阻抗逆变器116执行阻抗逆变。在一个或多个实施例中，供电电压VDD可以在20V到55V的范围内。由阻抗逆变器116执行的阻抗逆变可以使驱动器放大器级110的输出阻抗与输出放大器级120的输入阻抗相匹配。由阻抗逆变器116执行的阻抗匹配可以将从驱动器放大器级110传输到输出放大器级120的功率最大化。响应于驱动器放大器级110是Doherty放大器，驱动器放大器级110可以在回退功率水平下递送相对较高的效率。此外，阻抗逆变器116还可以提供附加的特征，诸如提供漏极偏置馈电以将VDD提供给晶体管202和204。此外，阻抗逆变器116可以在晶体管202、204的电流生成器处呈现二次谐波和三次谐波的最佳谐波终止，以实现高效率和更高的功率密度。
图3是示出在一个实施例中的图1中所示的示例装置的附加细节的图。在图3中所示的示例中，输出放大器级120可以包括晶体管302和晶体管304。晶体管302、304可以是GaN晶体管。晶体管302可以是放大器122的部分，并且晶体管304可以是放大器124(见图1)的部分。在一个或多个实施例中，晶体管302具有等于或大于晶体管304的尺寸的尺寸。由偏置控制器102(见图1)提供的栅极偏置电压128可以接通晶体管302，并且由偏置控制器102(见图1)提供的栅极偏置电压128可以接通晶体管304。阻抗逆变器132可以被连接在晶体管302、304之间，或被连接在放大器122、124的输出端子之间。阻抗逆变器132可以被实现为诸如芯片电容器和芯片电感器的集总组件，或者处于诸如微带线的分布式传输线的形式，或者处于使用集总和微带线两者的混合形式。在图3中所示的示例中，阻抗逆变器132可以被实现为传输线的集总等效物(包括电容器C2和电感器L5、L6、L7、L8的电路元件的布置，如图3中所示)。阻抗逆变器132中的组件的尺寸可以是基于阻抗逆变器132中的电路元件执行的电压和电流水平，以及可用的电路板空间。在一个实施例中，如果最后一级在大约3.5吉赫兹(GHz)下操作，则L6和L7可以是0.35nH，C2可以是0.3皮法(pF)，L5可以是0.85nH，L8可以是0.5nH。在一个实施例中，当电感器L5和L8具有较高的电感时，电感器L5和L8可以用作扼流圈。当电感器L5和L8具有相对较低的电感时，RF信号(例如，RF_1、RF_2)可以被引导到电容器C3、C4，并且VDD可以看不到任何RF信号。由阻抗逆变器132执行的阻抗逆变可以使输出放大器级120的输出阻抗与从装置100汲取功率的负载或负载的输入阻抗相匹配。具体地，阻抗逆变器132可以匹配输出放大器级和连接到装置100的负载之间的二次谐波和三次谐波的阻抗120。由阻抗逆变器132执行的阻抗匹配可以将从输出放大器级120传输到负载的功率最大化。此外，阻抗逆变器132可以提供附加的特征，诸如提供漏极偏置馈电以向晶体管302和304提供VDD。此外，阻抗逆变器132可以在晶体管302、304的电流生成器处呈现二次谐波和三次谐波的最佳谐波终止，以实现高效率和更高功率密度。
图4是示出在一个实施例中的图1中所示的示例装置100的实现的示例结果的图。图4中示出了针对装置100的最佳基波阻抗缩放的史密斯图400。在史密斯图400上，输入RF信号RF_in的基频的阻抗在史密斯图400上的点404处被示出。在一方面，有源晶体管(例如晶体管302、304)的非线性可以生成更高阶频率下的谐波。可以通过设计阻抗逆变器132以适应生成的谐波来控制生成的谐波，以使装置100的性能可以被增强。例如，史密斯图400中的点406和点408描绘了在电流生成器基准平面处呈现给晶体管304(例如，载波晶体管)的二次谐波和三次谐波阻抗。点404、点406、点408可以分别表示基频、二次谐波和三次谐波的目标匹配阻抗。点404、点406、点408可以用于设计阻抗逆变器116和/或阻抗逆变器132，以实现晶体管304上的电压摆动以达到供电电压VDD的大约三倍(例如，如果VDD为50V，则为150V)，并且允许输出近似为方波。例如，阻抗逆变器132可以通过将点406、408固定在电容性区域中来进行设计。与仅基于基频的匹配阻抗设计的放大器模块(例如，输出具有正弦波电压波形和/或半正弦电流波形的模块)相比，倍增的电压摆动(例如，三倍)和方波近似的组合可以导致更高的功率和更高的效率。
由阻抗逆变器132执行的阻抗匹配可以调整输出放大器级120的输出阻抗以终止特定谐波。例如，为了终止二次谐波，输出放大器级120的输出阻抗可以由阻抗逆变器132调整，以实现由史密斯图400上的点406表示的阻抗。为了终止三次谐波，输出放大器级120的输出阻抗可以由阻抗逆变器132调整，以实现由史密斯图400上的点408表示的阻抗。在一个方面，基于GaN晶体管的利用，装置100可以终止二次谐波和三次谐波以实现相对明显的电压摆动(例如，漏极电压的三倍以上)。
图5是示出在一个实施例中的可以实现图1中所示的示例装置100的封装设备的布局的图。装置100(见图1)的布局500在图5中被示出。参考图1，驱动器放大器级110、拆分器网络104、输出放大器级120、组合器网络130和偏置控制器102可以被耦合到衬底502，或被安装在衬底502之上。衬底502可以是例如多层的层压板，包括用于安装各种电路组件、器件、芯片和/或裸片的安装表面。在一个实施例中，驱动器放大器级110和输出放大器级可以是在操作期间可以产生热量的单片集成电路(IC)。衬底502还可以包括连接到驱动器放大器级110和输出放大器级120的导电和导热沟槽或嵌条，以提供散热器和接地基准通路。在一个或多个实施例中，一个或多个导电着陆垫可以被安装在衬底502上。一个或多个导电着陆垫可以用作装置100的输入节点和输出节点，以接收RF_in和输出RF_out。导电垫中的一些导电垫可以用作输入节点，以用于从电源接收功率。
在一个实施例中，驱动器放大器级110和输出放大器级120可以被实现为衬底502上的个体裸片。阻抗逆变器116可以被实现为驱动器放大器级110中的集总元件电路。阻抗逆变器132可以被实现为输出放大器级120中的集总元件电路。在图5中所示的示例中，晶体管202、204(见图2)可以彼此相同，并且晶体管302在尺寸上可以大于晶体管304。偏置控制器102可以被定位成临近驱动器放大器级110和输出放大器级120。驱动器放大器级110、输出放大器级120和偏置控制器102可以被耦合到分开的电接地，以改进隔离或抑制噪声泄漏。
在一个方面，与GaN晶体管相比，硅晶体管可以具有更多的寄生效应。因此，使用硅晶体管的高频RF应用的匹配网络和阻抗转换器可能需要更多组件，并且这些匹配网络的尺寸可以随着附加组件而增加。在另一方面，与硅晶体管相比，GaN晶体管具有较少寄生和高功率密度。这些差异允许在RF应用中实现GaN晶体管，并且与实现硅晶体管的应用相比，可以利用相对较少的组件来实现对应的匹配网络和阻抗逆变器。
图6是示出在一个实施例中的可以实现具有偏置控制和谐波终止的集成功率放大器的示例***600的图。***600可以是在无线电发射器或收发器中实现的通信***。***600可以包括具有装置100的发射器或传输通道610、接收器或接收器通道620以及一个或多个天线608。发射器610可以被配置为向装置100提供输入RF信号RF_in。在一个实施例中，发射器601还可以包括前端电路，该前端电路包括控制组件，诸如增益控制电路和相位控制电路，增益控制电路和相位控制电路可以在被装置100放大之前调整输入RF信号RF_in的增益和相位。装置100可以将输出RF信号RF_out发送到天线608。在一个实施例中，RF_out可以作为反馈信号604被反馈到例如发射器610或其他控制器。在一个实施例中，***600可以与数字预失真***连接在一个环路中，数字预失真***可以使用反馈信号604来监测RF_out，并且维持和稳定天线608的性能。在一个实施例中，循环器606可以被连接在装置100的输出和天线608之间。循环器606可以通过响应于***600的发射模式或接收器模式被激活而重定向流入或流出天线608的电流，来防止对天线608的损坏。在一个示例中，当***600在传输模式下操作时，循环器606可以被切换以将装置100的输出连接到天线608。当***600在接收模式下操作时，循环器606可以被切换以将天线608连接到接收器620。在接收模式中，天线608可以接收被标记为RX_in的RF信号，并且接收器620可以被配置为处理RX_in以确定RX_in的相位、接收角度、振幅等，以生成被标记为RX_out的接收RF信号。***600还可以包括解码器和组合器，解码器和组合器可以促进对可以由RF信号RX_out携带的消息进行解码。
本文中使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，并且不旨在作为本发明的限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中被使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或添加。
所附权利要求中的所有部件或步骤加功能元件(如果有)的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与其他要求保护的元件(如特别要求保护的)组合执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是出于说明和描述的目的而被呈现，但不旨在穷举或限制于所公开形式的发明。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。实施例被选择和描述，以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适于预期的特定用途的各种修改。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
驱动器放大器级，被配置为接收输入射频(RF)信号；
拆分器网络，被配置为将从所述驱动器放大器级输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号；
输出放大器级，被配置为接收来自所述拆分器网络的所述第一RF信号和所述第二RF信号；
偏置控制器，被配置为向所述驱动器放大器级和所述输出放大器级提供偏置电压；以及
组合器网络，被配置为：
将所述输出放大器级的第一输出和第二输出组合，以生成输出RF信号；以及
终止所述输出放大器级的输出阻抗的至少一个谐波。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述驱动器放大器级包括一对具有相同尺寸的晶体管；并且
所述输出放大器级包括一对具有不同尺寸的晶体管。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动器放大器级和所述输出放大器级包括氮化镓(GaN)晶体管。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述输出放大器级包括载波放大器和峰化放大器；并且
所述组合器网络包括连接在所述载波放大器的输出与所述输出放大器级的所述输出之间的阻抗逆变器，所述阻抗逆变器被配置为执行阻抗逆变以终止所述输出放大器级的输出阻抗的所述至少一个谐波。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个谐波包括二次谐波和三次谐波。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动器放大器级包括载波放大器、峰化放大器以及连接在所述载波放大器的输出与所述驱动器级的所述输出之间的阻抗逆变器，所述阻抗逆变器被配置为执行阻抗逆变以使所述驱动器放大器级的输出阻抗与所述输出放大器级的输入阻抗相匹配。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动器放大器级和所述输出放大器级是多尔蒂Doherty放大器。
8.一种放大器模块，包括：
具有安装表面的衬底；
驱动器放大器裸片，被耦合到所述衬底，所述驱动器放大器裸片被配置为接收输入射频(RF)信号；
拆分器网络，被耦合到所述衬底，所述拆分器网络被配置为将从所述驱动器放大器裸片输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号；
输出放大器裸片，被耦合到所述衬底，所述输出放大器裸片被配置为接收来自所述拆分器网络的所述第一RF信号和所述第二RF信号；
偏置控制器，被耦合到所述衬底，所述偏置控制器被配置为向所述驱动器放大器裸片和所述输出放大器裸片提供偏置电压；以及
组合器网络，被耦合到所述衬底，所述组合器网络被配置为：
将所述输出放大器裸片的第一输出和第二输出组合，以生成输出RF信号；以及
终止所述输出放大器裸片的输出阻抗的至少一个谐波。
9.根据权利要求8所述的放大器模块，其中：
所述驱动器放大器裸片包括一对具有相同尺寸的晶体管；并且
所述输出放大器裸片包括一对具有不同尺寸的晶体管。
10.根据权利要求8所述的放大器模块，其中所述驱动器放大器裸片和所述输出放大器裸片包括氮化镓(GaN)晶体管。
11.根据权利要求8所述的放大器模块，其中：
所述输出放大器裸片包括载波放大器和峰化放大器；并且
所述组合器网络包括连接在所述载波放大器的输出与所述输出放大器裸片的所述输出之间的阻抗逆变器，所述阻抗逆变器被配置为执行阻抗逆变以终止所述输出放大器裸片的输出阻抗的所述至少一个谐波。
12.根据权利要求8所述的放大器模块，其中所述至少一个谐波包括二次谐波和三次谐波。
13.根据权利要求8所述的放大器模块，其中所述驱动器放大器裸片包括载波放大器、峰化放大器以及连接在所述载波放大器的输出与所述驱动器放大器裸片的所述输出之间的阻抗逆变器，所述阻抗逆变器被配置为执行阻抗逆变以使所述驱动器放大器裸片的输出阻抗与所述输出放大器裸片的输入阻抗相匹配。
14.根据权利要求8所述的放大器模块，其中所述驱动器放大器裸片和所述输出放大器裸片是多尔蒂Doherty放大器。
15.一种***，包括：
天线；
发射器，被耦合到所述天线，其中所述发射器包括放大器模块，并且其中所述放大器模块包括：
驱动器放大器级，被配置为接收输入射频(RF)信号；
拆分器网络，被配置为将从所述驱动器放大器级输出的中间RF信号拆分成第一RF信号和第二RF信号；
输出放大器级，被配置为接收来自所述拆分器网络的所述第一RF信号和所述第二RF信号；
偏置控制器，被配置为向所述驱动器放大器级和所述输出放大器级提供偏置电压；以及
组合器网络，被配置为：
将所述输出放大器级的第一输出和第二输出组合，以生成输出RF信号；以及
终止所述输出放大器级的输出阻抗的至少一个谐波。
16.根据权利要求15所述的***，其中所述驱动器放大器级和所述输出放大器级包括氮化镓(GaN)晶体管。
17.根据权利要求15所述的***，其中：
所述输出放大器级包括载波放大器和峰化放大器；并且
所述组合器网络包括连接在所述载波放大器的输出与所述输出放大器级的所述输出之间的阻抗逆变器，所述阻抗逆变器被配置为执行阻抗逆变以终止所述输出放大器级的输出阻抗的所述至少一个谐波。
18.根据权利要求15所述的***，其中所述至少一个谐波包括所述输出RF信号的二次谐波和三次谐波。
19.根据权利要求15所述的***，其中所述驱动器级包括载波放大器、峰化放大器以及连接在所述载波放大器的输出与所述驱动器级的所述输出之间的阻抗逆变器，所述阻抗逆变器被配置为执行阻抗逆变以使所述驱动器放大器级的输出阻抗与所述输出放大器级的输入阻抗相匹配。
20.根据权利要求15所述的***，其中所述驱动器放大器级和所述输出放大器级是多尔蒂Doherty放大器。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US11114988B2 (en) * 2019-05-24 2021-09-07 Cree, Inc. Doherty amplifier circuit with integrated harmonic termination

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116915196A (zh) * 2023-09-11 2023-10-20 合肥芯谷微电子股份有限公司 一种功率放大器
CN116915196B (zh) * 2023-09-11 2023-12-08 合肥芯谷微电子股份有限公司 一种功率放大器

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