超頻寬放大器及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超頻寬放大器及其設(shè)計(jì)方法，所述超頻寬放大器包括功率放大單元、連接于所述功率放大單元的輸出端或輸入端的阻抗匹配電路，所述阻抗匹配電路包括初級(jí)線圈、與初級(jí)線圈互感耦合的次級(jí)線圈、與初級(jí)線圈并聯(lián)的初級(jí)調(diào)諧電容和與次級(jí)線圈并聯(lián)的次級(jí)調(diào)諧電容。通過(guò)配置初級(jí)線圈的自感系數(shù)、次級(jí)線圈的自感系數(shù)、初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的互感系數(shù)、初級(jí)調(diào)諧電容的電容值、次級(jí)調(diào)諧電容的電容值，使得所述阻抗匹配電路具有第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)，所述阻抗匹配電路在第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)之間的整個(gè)頻帶的插損均小于3dB，從而利用同一個(gè)阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)超頻寬的阻抗匹配。
【專利說(shuō)明】超頻寬放大器及其設(shè)計(jì)方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及一種放大器，特別是涉及一種超頻寬放大器及其設(shè)計(jì)方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]目前無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)從二十世紀(jì)80年代早期的IG模擬系統(tǒng)發(fā)展到二十世紀(jì)90年代的2G數(shù)字系統(tǒng)，再發(fā)展到現(xiàn)在的3G\4G系統(tǒng)，將來(lái)可能發(fā)展到5G系統(tǒng)。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是給世界各地用戶提供無(wú)縫寬帶連接。
[0003]無(wú)線移動(dòng)通信可以多個(gè)頻帶上進(jìn)行，比如，2G GSM (Global System of Mobilecommunication)標(biāo)準(zhǔn)支持 900MHz (GSM900)、1800MHz (GSM1800)及 1900MHz (GSM-1900)等幾個(gè)頻帶，WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)標(biāo)準(zhǔn)多達(dá) 8 個(gè)頻帶。LTE (LongTerm Evolution)標(biāo)準(zhǔn)定義的頻段超過(guò)40個(gè)。不同的頻帶將會(huì)顯著影響到硬件的設(shè)計(jì),尤其是功率放大器的設(shè)計(jì)。
[0004]通常來(lái)說(shuō)，功率放大器是窄帶裝置，需要為每個(gè)頻帶設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的功率放大器。目前多模式/多頻帶蜂窩電話都包括有多個(gè)功率放大器以支持多個(gè)頻帶。圖1示出了傳統(tǒng)多模式/多頻帶功率放大器10的示例方框圖，其可以支持η個(gè)頻帶，分別為H、f2和fn。所述功率放大器10包括有為頻帶fl設(shè)計(jì)的輸入阻抗匹配電路1、功率放大單元I和輸出阻抗匹配單元1、為頻帶f2設(shè)計(jì)的輸入阻抗匹配電路2、功率放大單元2和輸出阻抗匹配單元
2、為頻帶fn設(shè)計(jì)的輸入阻抗匹配電路η、功率放大單元η和輸出阻抗匹配單元η，其中η大于等于2。可見，現(xiàn)有多 模式/多頻帶功率放大器10為每個(gè)頻帶設(shè)計(jì)了單獨(dú)的功率放大單元和單獨(dú)的輸入/輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。然而，這種設(shè)計(jì)會(huì)增加芯片面積和成本。
[0005]在射頻和微波電路設(shè)計(jì)中，常常采用線圈互感耦合的變壓器進(jìn)行輸入輸出匹配或者是級(jí)間匹配，一方面變壓器可以靈活配置為差分-差分電路，也可以配置為單端-單端電路，或者單端-差分、差分-單端的轉(zhuǎn)化電路；另一方面可以有效的提供ESD(靜電釋放保護(hù))保護(hù)；就實(shí)際電路來(lái)說(shuō)，還存在如下的優(yōu)點(diǎn):1.級(jí)間耦合有DC耦合作用，不必使用AC耦合電容；2.可以靈活地給電路提供饋電；3.靈活的阻抗匹配設(shè)計(jì)；4.電路設(shè)計(jì)上還具有功率分配、合成等功能。但是，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于變壓器耦合的放大器電路只具有窄帶特性，這樣在應(yīng)對(duì)多模多頻(可相應(yīng)展開，相關(guān)示例如圖1)應(yīng)用時(shí)，需要多個(gè)相應(yīng)的電路才能覆蓋寬帶特性，由此，有必要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足寬帶系統(tǒng)的應(yīng)用，大大降低電路的硬件資源。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種超頻寬放大器，其可以實(shí)現(xiàn)超頻寬的阻抗匹配。
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種超頻寬放大器的設(shè)計(jì)方法，其得到的功率放大器可以實(shí)現(xiàn)超頻寬的阻抗匹配，還可以減低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種超頻寬放大器，其包括:功率放大單元，用于對(duì)射頻輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大；連接于所述功率放大單元的輸出端的超頻寬輸出阻抗匹配電路和/或連接于所述功率放大單元的輸入端的超頻寬輸入阻抗匹配電路，所述阻抗匹配電路包括初級(jí)線圈、與初級(jí)線圈互感耦合的次級(jí)線圈、與初級(jí)線圈并聯(lián)的初級(jí)調(diào)諧電容和與次級(jí)線圈并聯(lián)的次級(jí)調(diào)諧電容，初級(jí)線圈的兩端作為射頻信號(hào)輸入端，次級(jí)線圈的兩端作為射頻信號(hào)的輸出端，通過(guò)配置初級(jí)線圈的自感系數(shù)、次級(jí)線圈的自感系數(shù)、初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的互感系數(shù)、初級(jí)調(diào)諧電容的電容值、次級(jí)調(diào)諧電容的電容值，使得所述阻抗匹配電路具有第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)，所述阻抗匹配電路在第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)之間的整個(gè)頻帶的插損均小于3dB。
[0009]進(jìn)一步的，基于負(fù)載的阻抗匹配比例確定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)比例；根據(jù)負(fù)載和帶寬要求初步確定阻抗匹配電路的有載Q值；基于該自感系數(shù)比例以及有載Q值選定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)；基于超頻寬放大器的最小工作頻率、初級(jí)線圈和初級(jí)調(diào)諧電容的自諧振頻點(diǎn)、次級(jí)線圈和次級(jí)調(diào)諧電容的自諧振頻點(diǎn)確定初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容的電容值；基于超頻寬放大器的最大工作頻率和所述阻抗匹配電路的第二諧振頻點(diǎn)確定所述互感系數(shù)。
[0010]進(jìn)一步的，初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容為可切換電容。
[0011]進(jìn)一步的,所述超頻寬放大器的相對(duì)帶寬fBW大于等于50%,其中fBW = (fH-fL) /f。，fc = (fH+fL) /2，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率，fH為所述超頻寬放大器的最大工作頻率。
[0012]進(jìn)一步的 ，有載Q值=Rl/(2 *fL*L2), Rl為負(fù)載阻抗，L2為次級(jí)線圈的自感系數(shù)，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種如上文所述的超頻寬放大器的設(shè)計(jì)方法，其包括:基于負(fù)載的阻抗匹配比例確定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)比例，根據(jù)負(fù)載和帶寬要求初步確定阻抗匹配電路的有載Q值，確定超頻寬放大器的最小工作頻率和最大工作頻率；基于所述自感系數(shù)比例以及有載Q值選定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)；確定初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容的電容值，使得初級(jí)側(cè)的自諧振頻點(diǎn)以及次級(jí)側(cè)的自諧振頻點(diǎn)均位于最小工作頻率附近；估算互感系數(shù)的值，使得所述阻抗匹配電路的第二互諧振頻點(diǎn)位于最大工作頻率附近；根據(jù)得到的一組配置參數(shù)仿真所述阻抗匹配電路的頻率響應(yīng)特性，所述一組配置成參數(shù)包括初級(jí)線圈的自感系數(shù)、次級(jí)線圈的自感系數(shù)、初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的互感系數(shù)、初級(jí)調(diào)諧電容的電容值、次級(jí)調(diào)諧電容的電容值；不斷重復(fù)上述步驟直到頻率響應(yīng)特性符合設(shè)計(jì)要求。
[0014]進(jìn)一步的，所述設(shè)計(jì)要求至少包括所述阻抗匹配電路在第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)之間的整個(gè)頻帶的插損均小于3dB。
[0015]進(jìn)一步的，所述設(shè)計(jì)要求至少還包括:所述超頻寬放大器的相對(duì)帶寬&?大于等于50%，其中fBW = (fH-fL) /fc, fc = (fH+fL) /2，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率，fH為所述超頻寬放大器的最大工作頻率。
[0016]進(jìn)一步的，初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容為可切換電容。
[0017]進(jìn)一步的，有載Q值=Rl/(2 *fL*L2), Rl為負(fù)載阻抗，L2為次級(jí)線圈的自感系數(shù)，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，在本發(fā)明中的輸入阻抗匹配電路和/或輸出匹配電阻利用互感耦合線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)超頻寬的阻抗匹配，從而可以降低功率放大器所占用的面積以及其制造成本，同時(shí)也可以大大降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
【【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】】
[0019]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中:
[0020]圖1為傳統(tǒng)的多頻帶功率放大器的方框示意圖；
[0021]圖2示出了本發(fā)明中的超頻寬放大器在一個(gè)實(shí)施例的方框示意圖；
[0022]圖3示出了本發(fā)明中的阻抗匹配電路在一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖；
[0023]圖4(A)示出了圖3中的阻抗匹配電路在一個(gè)配置參數(shù)下的回?fù)p曲線示意圖；
[0024]圖4(B)示出了圖3中的阻抗匹配電路在該配置參數(shù)下的插損曲線示意圖；
[0025]圖5為本發(fā)明中的超頻寬放大器的設(shè)計(jì)方法在一個(gè)實(shí)施例中的流程示意圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0026]本發(fā)明的詳細(xì)描述主要通過(guò)程序、步驟、邏輯塊、過(guò)程或其他象征性的描述來(lái)直接或間接地模擬本發(fā)明技術(shù)方案的運(yùn)作。為透徹的理解本發(fā)明，在接下來(lái)的描述中陳述了很多特定細(xì)節(jié)。而在沒(méi)有這 些特定細(xì)節(jié)時(shí)，本發(fā)明則可能仍可實(shí)現(xiàn)。所屬領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員使用此處的這些描述和陳述向所屬領(lǐng)域內(nèi)的其他技術(shù)人員有效的介紹他們的工作本質(zhì)。換句話說(shuō)，為避免混淆本發(fā)明的目的，由于熟知的方法和程序已經(jīng)容易理解，因此它們并未被詳細(xì)描述。
[0027]此處所稱的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”是指可包含于本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。在本說(shuō)明書中不同地方出現(xiàn)的“在一個(gè)實(shí)施例中”并非均指同一個(gè)實(shí)施例，也不是單獨(dú)的或選擇性的與其他實(shí)施例互相排斥的實(shí)施例。
[0028]圖2示出了本發(fā)明中的超頻寬放大器在一個(gè)實(shí)施例的方框示意圖。如圖2所示，所述超頻寬放大器包括功率放大單元220、連接于所述功率放大單元220的輸入端的超頻寬輸入阻抗匹配電路210、連接于所述功率放大單元220的輸出端的超頻寬輸出阻抗匹配電路230。
[0029]所述功率放大單元220用于對(duì)射頻輸入信號(hào)RFin進(jìn)行功率放大。
[0030]如圖3所示，所述超頻寬輸出阻抗匹配電路210和/或所述超頻寬輸入阻抗匹配電路230可以為互感耦合線圈的變壓器，所述阻抗匹配電路包括初級(jí)線圈L1、與初級(jí)線圈L1互感耦合的次級(jí)線圈L2、與初級(jí)線圈L1并聯(lián)的初級(jí)調(diào)諧電容C1和與次級(jí)線圈L2并聯(lián)的次級(jí)調(diào)諧電容C2，初級(jí)線圈L1的兩端作為射頻信號(hào)輸入端，次級(jí)線圈L2的兩端作為射頻信號(hào)的輸出端。
[0031]初級(jí)線圈L1與次級(jí)線圈L2的互感系數(shù)為k，k為小于I的正數(shù)，通過(guò)配置初級(jí)線圈的自感系數(shù)、次級(jí)線圈的自感系數(shù)、初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的互感系數(shù)、初級(jí)調(diào)諧電容的電容值、次級(jí)調(diào)諧電容的電容值，可以使得該互感耦合線圈具有第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)，該阻抗匹配電路在第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)之間的整個(gè)頻帶的插損均小于3dB。[0032]下面介紹一下圖3中的第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)的推導(dǎo)過(guò)程。
[0033]針對(duì)圖3所示，從左往右看到的輸入阻抗為:
【權(quán)利要求】
1.一種超頻寬放大器，其特征在于，其包括: 功率放大單元,用于對(duì)射頻輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大； 連接于所述功率放大單元的輸出端或/和輸入端的超頻寬阻抗匹配電路， 所述阻抗匹配電路包括初級(jí)線圈、與初級(jí)線圈互感耦合的次級(jí)線圈、與初級(jí)線圈并聯(lián)的初級(jí)調(diào)諧電容和與次級(jí)線圈并聯(lián)的次級(jí)調(diào)諧電容，初級(jí)線圈的兩端作為射頻信號(hào)輸入端，次級(jí)線圈的兩端作為射頻信號(hào)的輸出端， 通過(guò)配置初級(jí)線圈的自感系數(shù)、次級(jí)線圈的自感系數(shù)、初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的互感系數(shù)、初級(jí)調(diào)諧電容的電容值、次級(jí)調(diào)諧電容的電容值，使得所述阻抗匹配電路具有第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)，所述阻抗匹配電路在第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)之間的整個(gè)頻帶的插損均小于3dB。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超頻寬放大器，其特征在于， 基于負(fù)載的阻抗匹配比例確定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)比例； 根據(jù)負(fù)載和帶寬要求初步確定阻抗匹配電路的有載Q值； 基于該自感系數(shù)比例以及有載Q值選定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)； 基于超頻寬放大器的最小工作頻率、初級(jí)線圈和初級(jí)調(diào)諧電容的自諧振頻點(diǎn)、次級(jí)線圈和次級(jí)調(diào)諧電容的自諧振頻點(diǎn)確定初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容的電容值； 基于超頻寬放大器的最大工作頻率和所述阻抗匹配電路的第二諧振頻點(diǎn)確定所述互感系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超頻寬放大器，其特征在于，初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容為可切換電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超頻寬放大器，其特征在于， 所述超頻寬放大器的相對(duì)帶寬fBW大于等于50%， 其中= (fs-fj/f。，fc = (fH+fV)/2，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率，fH為所述超頻寬放大器的最大工作頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超頻寬放大器，其特征在于， 有載Q值=為負(fù)載阻抗，L2為次級(jí)線圈的自感系數(shù)，&為所述超頻寬放大器的最小工作頻率。
6.一種如權(quán)利要求1所述的超頻寬放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，其包括: 基于負(fù)載的阻抗匹配比例確定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)比例，根據(jù)負(fù)載和帶寬要求初步確定阻抗匹配電路的有載Q值，確定超頻寬放大器的最小工作頻率和最大工作頻率； 基于所述自感系數(shù)比例以及有載Q值選定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的自感系數(shù)； 確定初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容的電容值，使得初級(jí)側(cè)的自諧振頻點(diǎn)以及次級(jí)側(cè)的自諧振頻點(diǎn)均位于最小工作頻率附近； 估算互感系數(shù)的值，使得所述阻抗匹配電路的第二互諧振頻點(diǎn)位于最大工作頻率附近； 根據(jù)得到的一組配置參數(shù)仿真所述阻抗匹配電路的頻率響應(yīng)特性，所述一組配置成參數(shù)包括初級(jí)線圈的自感系數(shù)、次級(jí)線圈的自感系數(shù)、初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的互感系數(shù)、初級(jí)調(diào)諧電容的電容值、次級(jí)調(diào)諧電容的電容值；不斷重復(fù)上述步驟直到頻率響應(yīng)特性符合設(shè)計(jì)要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)要求至少包括所述阻抗匹配電路在第一互諧振頻點(diǎn)和第二互諧振頻點(diǎn)之間的整個(gè)頻帶的插損均小于3dB。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)要求至少還包括:所述超頻寬放大器的相對(duì)帶寬fBW大于等于50%， 其中= (fs-fj)/fc。，fc = (fH+fV)/2，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率，fH為所述超頻寬放大器的最大工作頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，初級(jí)調(diào)諧電容和次級(jí)調(diào)諧電容為可切換電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 有載Q值=Rl/(2 *fL*L2), Rl為負(fù)載阻抗，L2為次級(jí)線圈的自感系數(shù)，fL為所述超頻寬放大器的最小工作頻率。
【文檔編號(hào)】H03F3/20GK103986428SQ201410239556
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】韓科鋒, 任啟明, 雷良軍 申請(qǐng)人:無(wú)錫中普微電子有限公司