[發明專利]一種具有二次諧波抑制的寬帶差分射頻功率放大器

有效

• 申請號: 202110352426.3
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113037223B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 梁釗銘;章國豪;孫博
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H03F1/02
• 分類號: H03F1/02;H03F3/189
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 楊小紅

本發明涉及一種具有二次諧波抑制的寬帶差分射頻功率放大器，包括寬帶輸入巴倫、驅動放大器、T型匹配網絡、輸出放大器、抑制諧波匹配網絡和寬帶輸出巴倫。該具有二次諧波抑制的寬帶差分射頻功率放大器通過寬帶輸入巴倫將一路單端信號轉換兩路差分的輸出信號，采用驅動放大器、T型匹配網絡、輸出放大器對輸出信號提高其功放功率的輸出能力后，采用抑制諧波匹配網絡對輸出信號就進行二次諧波進行處理，更好地降低了二次諧波對該射頻功率放大器整體性能的影響，提升了效率以及線性度等性能指標；還通過在寬帶輸出巴倫對輸出信號的兩路合成一路信號輸出；該寬帶差分射頻功率放大器實現諧波抑制網絡以及寬帶巴倫的結合，提高了功放的工作帶寬。

技術領域

本發明涉及功率放大器技術領域，尤其涉及一種具有二次諧波抑制的寬帶差分射頻功率放大器。

背景技術

無線通信處于飛速發展的時代，各種消費類電子產品都加入了無線通信的功能，很多城市也都在進行無線城市的建設。在移動通信方面，由于對通訊速率的要求日益增加，通信標準也一直在改進，第五代移動通信(5G)技術也逐漸走入人們生活，能夠快速傳輸高質量的視頻、音頻、圖像等數據信息射頻收發機是現代無線通信系統中最重要的模塊之一，而功率放大器位于發射機的末端是無線收發機中的核心組成部分，其性能直接影響信號的質量、傳輸距離和系統的能耗。功率放大器的性能指標主要有輸出功率、效率、帶寬和線性等。

由于未來的通信趨勢要求更高的數據速率和更寬的覆蓋范圍，而功率放大器的輸出功率直接關系到信號的最遠傳輸距離，高功率是功率放大器設計的基本要求。當功放芯片加工工藝確定后，功放芯片設計主要是為獲得高輸出功率，常用的功放芯片設計方法是將晶體管并聯連接，增大所允許的最大輸出電流，但這樣會導致負載阻抗的減小，從而導致更高的阻抗轉換比、更高的匹配損耗，增加輸出匹配的難度并會減小功率放大器的帶寬。此外，功率放大器是無線通信系統中的主要耗能元件之一，它的效率很大程度決定著無線通信系統的整體效率。無線通信系統的工作效率低會造成大量的能量損耗，并且產生的熱量會惡化功率放大器的性能，如果是電池供電還會縮短電池的使用時間和壽命。因此，提高功率放大器的效率從單管來看，可以通過減小功率放大器的導通角，使其工作在開關模式，然而導通角過小雖然能明顯提高效率，但會降低功放的輸出功率和線性度。

由于功率放大器中最主要的晶體管，且晶體管是非線性器件，其非線性特性會影響功率放大器的輸出信號質量，因此在考慮功率放大器的輸出功率及效率的同時，需要兼顧功率放大器的線性。大信號經過晶體管放大后產生的諧波分量，則是影響功率放大器線性度的最主要的因素。現有典型的差分結構功率放大器通過將差分信號分別輸入兩個放大鏈路，使得在相同的輸出功率水平下，差分功放的負載線阻抗是傳統單端結構功率放大器的4倍，阻抗變換比的大幅減小有利于避免匹配網絡可能引入的較大插入損耗與窄小帶寬，也降低了匹配網絡的設計難度。

但是在單端PA(單端輸入單端輸出的功放結構)設計中，由于標準的硅基工藝沒有低阻抗接地，因此單端輸入單端輸出的功放結構中的鍵合線電感而導致的發射極退化非常顯著。低阻抗接地通常由幾根焊線并聯而成，然而，它通常受到頻率、焊線之間的互感系數以及可用于下焊的焊盤數量的限制。差分設計拓撲可以有效地降低由于虛地而產生的發射極退化電感。現有的差分結構功放通常采用簡單的LC巴倫或變壓器巴倫來進行單端信號和差分信號之間的轉換以及阻抗匹配，如圖1所示。而傳統的LC巴倫結構簡單，但帶寬較窄，而且難以進行靈活的設計；而變壓器巴倫通常集成在芯片內部，占用面積比較大，影響成本和設計布局的靈活性。而且，由于天線是單端的，因此需要在天線和差分單端輸入單端輸出的功放結構之間添加一個巴倫來將差分信號轉換成單端信號，對于單端輸出的差分結構放大器無法實現差分結構通過差分輸出到負載時偶次諧波(共模信號)相互抵消這一優點。

此外，現有的功放往往會結合共源共柵結構以進一步增加晶體管的耐壓能力。而差分共源共柵結構的公共節點為奇數諧波(差分信號)提供了虛擬接地，但由于共源共柵結構的共源端的公共節點處的偏置網絡以及鍵合金線的存在，使得二次諧波等偶次諧波(共模信號)并非完全向低阻抗終止，會在偏置網絡的電阻還在金線電感處產生諧波電壓，會降低線性度，影響整體性能。

發明內容