一種提高射頻功率放大器線性度的裝置的製作方法

2023-05-22 21:23:52 1

本實用新型涉及射頻功率放大器技術領域，具體而言，涉及一種提高射頻功率放大器線性度的裝置。

背景技術：

隨著CMOS工藝的不斷提高和電路設計技術的不斷進步，採用CMOS工藝實現片內集成的無線連接晶片(如藍牙晶片，wifi晶片等)的功率放大器已經成為主流，它主要用於將收發信機輸出的已調製射頻信號進行功率放大，以得到滿足無線通信需求的射頻信號。功率放大器是無線收發器當中的重要元件，根據系統調製方式的不同，其可分為非線性功率放大器和線性功率放大器。在藍牙2.1、無線區域網等協議中，由於存在著幅度調製，必須採用線性功率放大器。由於功率放大器處在射頻發射機的最後一級，其線性度性能決定了整個發射機的線性度性能。此外，功率放大器往往是無線收發器中最耗電的模塊，因此提高效率，尤其是提高線性效率同樣尤為重要。然而，現有的功率放大器存在嚴重的AM-AM失真和AM-PM失真，以及功率放大器線性度差和輸出1dB壓縮點低等問題。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種提高射頻功率放大器線性度的裝置，旨在有效提高射頻功率放大器的線性度，進而提高射頻功率放大器的輸出1dB壓縮點以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。

本實用新型實施例提供的一種提高射頻功率放大器線性度的裝置，包括：

用於採集射頻信號的信號輸入埠；

用於根據射頻信號輸出一擺幅的驅動放大元件；

用於將擺幅轉換成直流電壓的包絡跟蹤元件，和用於傳送擺幅的信號耦合電路；

用於提供跨導的跨導電路和用於隔離擺幅的隔離電路；及

用於為所述跨導電路提供偏置電壓的第一偏置電壓電路和用於為所述隔離電路提供偏置電壓的第二偏置電壓電路；

其中，所述信號輸入埠、所述包絡跟蹤元件和所述信號耦合電路分別連接於所述驅動放大元件，所述包絡跟蹤元件和所述跨導電路分別連接於所述隔離電路，所述跨導電路連接於所述第一偏置電壓電路，所述隔離電路連接於所述第二偏置電壓電路。

優選地，所述信號耦合電路包括分別與所述驅動放大元件的兩個輸出端相連的第一電容和第二電容，所述第一電容和所述第二電容分別連接於所述跨導電路。

優選地，所述跨導電路包括第一場效應管和第二場效應管，所述第一場效應管的柵極分別連接於所述第一電容和所述第一偏置電壓電路、源極接地、漏極連接於所述隔離電路；所述第二場效應管的柵極分別連接於所述第二電容和所述第一偏置電壓電路、源極接地、漏極連接於所述隔離電路。

優選地，所述第一偏置電壓電路包括串聯連接的第一分壓電阻(R1)和第二分壓電阻(R2)，所述第一分壓電阻(R1)連接於所述第一場效應管(M1)的柵極，所述第二分壓電阻(R2)連接於所述第二場效應管(M2)的柵極。

優選地，所述隔離電路包括第三場效應管和第四場效應管，所述第三場效應管的柵極連接於所述第二偏置電壓電路、源極連接於所述第一場效應管的漏極、漏極連接有用於進行阻抗匹配的balun電路；所述第四場效應管的柵極連接於所述第二偏置電壓電路、源極連接於所述第二場效應管的漏極、漏極連接於所述balun電路。

優選地，所述balun電路還連接有用於發射信號的天線。

優選地，所述第二偏置電壓電路通過穩壓電路連接有電源。

優選地，所述電源包括鋰電池和開關電源。

優選地，所述驅動放大元件為射頻驅動放大器。

優選地，所述射頻信號的頻率範圍為1MHz-300GHz。

本實用新型實施例提供的一種提高射頻功率放大器線性度的裝置，通過將信號輸入埠、包絡跟蹤元件和信號耦合電路分別連接於驅動放大元件，能將採集到的射頻信號通過信號耦合電路發送給跨導電路，並通過包絡跟蹤元件產生第二偏置電壓，以提供偏置電壓給隔離電路，該隔離電路由第一偏置電壓電路提供電壓，以保證射頻功率放大器的小信號增益是恆定的，能夠有效提高射頻功率放大器的線性度，以及提高射頻功率放大器的輸出1dB壓縮點以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應該看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本實用新型實施方式提供的一種提高射頻功率放大器線性度的裝置的電路結構示意圖。

圖2是本實用新型實施方式提供的一種提高射頻功率放大器線性度的裝置的仿真結果示意圖。

圖中標記分別為：

提高射頻功率放大器線性度的裝置100；

信號輸入埠101，驅動放大元件102，包絡跟蹤元件103，信號耦合電路104，跨導電路105，隔離電路106，第一偏置電壓電路107，第二偏置電壓電路108；

balun電路201，天線202。

具體實施方式

隨著無線通信技術的不斷發展，射頻(Radio Frequency，RF)技術得到了廣泛應用，而射頻功率放大器是各種無線發射機中不可缺少的關鍵器件。在發射機的前級電路中，調製振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大緩衝級、中間放大級和末級功率放大級。當射頻信號獲得足夠的射頻功率之後，才能饋送到發射天線上並輻射到空間中。

為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須採用射頻功率放大器。射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都採用選頻網絡作為負載迴路。射頻功率放大器按照電流導通角的不同，主要分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態。其中，甲類放大器電流的導通角為360°，適用於小信號低功率放大；乙類放大器電流的導通角等於180°；丙類放大器電流的導通角則小於180°。乙類和丙類都適用於大功率工作狀態，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作於丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用於採用調諧迴路作為負載諧振功率放大。由於調諧迴路具有濾波能力，迴路電流與電壓仍然接近於正弦波形，失真很小。

線性度作為射頻功率放大器的重要參數之一，一直是研究的熱點。從頻譜的角度看，由於非線性的作用，輸出信號中會產生新的頻率分量，如三階互調分量、五階互調分量等，它幹擾了有用信號並使被放大的信號頻譜發生變化，即頻帶展寬了。從時域的角度，對于波形為非恆定包絡的已調信號，由於非線性放大器的增益與信號幅度有關，因此使輸出信號的包絡發生了變化，引起了波形失真，同時頻譜也發生了變化並引起了頻譜再生現象。對於包含非線性電抗元件(如電晶體的極間電容)的非線性放大器，還存在使幅度變化轉變為相位變化的影響，幹擾了已調波的相位。非線性放大器的所有這些影響對移動通信設備來說都是至關重要的。因此，為了有效地利用頻率資源和避免對鄰道的幹擾，一般都將基帶信號通過相應濾波器形成特定波形，以限制它的頻帶寬度，從而限制調製後的頻帶信號的頻譜寬度。但這樣產生的已調信號的包絡往往是非恆定的，因此非線性放大器的頻譜再生作用使發射機的這些性能指標變差。

鑑於此，本實用新型實施例提供了一種提高射頻功率放大器線性度的裝置，通過對功率放大器的偏置方式進行改進，能夠有效提高射頻功率放大器的線性度，進而提高射頻功率放大器的輸出1dB壓縮點以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。同時，在本實用新型的描述中，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

如圖1所示，是本實用新型實施例提供的一種提高射頻功率放大器線性度的裝置的電路結構示意圖。所述提高射頻功率放大器線性度的裝置100可以包括信號輸入埠101、驅動放大元件102、包絡跟蹤元件103、信號耦合電路104、跨導電路105，隔離電路106、第一偏置電壓電路107和第二偏置電壓電路108。

其中，所述信號輸入埠101位於射頻發射機的最後一級，用於接收或採集射頻信號。所述信號輸入埠101可採集的射頻信號的頻率範圍可以為1MHz-300GHz。本實施例中，所述驅動放大元件102可以是，但不限於，射頻驅動放大器。所述驅動放大元件102的輸入端連接於所述信號輸入埠101。所述信號輸入埠101將採集的射頻信號傳輸至所述驅動放大元件102的輸入端。所述驅動放大元件102的輸入端包括正向輸入端和負向輸入端。所述射頻信號經過所述驅動放大元件102之後產生一輸出擺幅。

所述驅動放大元件102的輸出端連接於所述信號耦合電路104和所述包絡跟蹤元件103。所述信號耦合電路104用於將所述輸出擺幅轉換成發射信號，並將所述發射信號傳送至所述包絡跟蹤元件103。所述包絡跟蹤元件103用於檢測所述輸出擺幅，並將所述輸出擺幅轉換為一直流電壓。所述直流電壓隨著所述輸出擺幅的變化而變化。當所述輸出擺幅增大時，所述直流電壓會相應地增高。

進一步地，所述信號耦合電路104連接於所述跨導電路105，以將所述發射信號傳送至所述跨導電路105。所述跨導電路105還連接於所述第一偏置電壓電路107。即所述第一偏置電壓電路107連接於所述信號耦合電路104和所述跨導電路105之間。本實施例中，所述第一偏置電壓電路107用於為所述跨導電路105提供偏置電壓，所述偏置電壓為一預設的恆定電壓。另外，所述包絡跟蹤單元連接於所述隔離電路106。所述包絡跟蹤元件103通過所述第二偏置電壓電路108連接於所述隔離電路106。即所述第二偏置電壓電路108連接於所述包絡跟蹤元件103和所述隔離電路106之間。本實施例中，所述第二偏置電壓電路108的輸出電壓等於所述包絡跟蹤元件103的輸出幅值，其用於為所述隔離電路106提供偏置電壓，所述偏置電壓可以是一動態變化的電壓，所述動態變化的電壓由所述包絡跟蹤元件103的輸出幅值而定。所述跨導電路105還連接於所述隔離電路106，以避免所述包絡跟蹤元件103的輸出擺幅直接加載到所述跨導電路105，使得所述跨導電路105的可靠性受到影響。

其中，所述第二偏置電壓電路108通過穩壓電路連接有電源，以提供穩定的偏置電壓給所述隔離電路106，從而保證所述隔離電路106工作狀態的穩定性。所述電源可以是，但不限於，鋰電池、蓄電池、紐扣電池和開關電源。考慮到本實用新型的實際需要，本實施例中，所述電源優選為鋰電池或開關電源。其中，鋰電池為可充電電池，與一次性蓄電池相比，經濟適用。再者，鋰電池還具有高密度、電壓穩定、低汙染、循環壽命高、不含金屬鋰、無記憶效應以及可快速充電等優點。開關電源的功耗低、效率高以及穩壓範圍寬等。

具體地，所述信號耦合電路104包括第一電容C1和第二電容C2。其中，所述第一電容C1的一端連接於所述驅動放大元件102的輸出端、另一端連接於所述跨導電路105。所述第二電容C2的一端連接於所述驅動放大元件102的輸出端、另一端連接於所述跨導電路105。如此，使得所述信號耦合電路104能夠將所述驅動放大元件102的交流輸出信號耦合至所述跨導電路105，從而完成射頻信號的傳送。本實施例中，所述第一電容C1和所述第二電容C2可以為高頻耦合電容。

進一步地，所述跨導電路105包括第一場效應管M1和第二場效應管M2。所述第一場效應管M1的柵極連接於所述第一電容C1，所述第二場效應管M2的柵極連接於所述第二電容C2，以接收所述驅動放大元件102的交流輸出信號。所述第一場效應管M1的柵極與所述第一偏置電壓電路107連接，所述第二場效應管M2的柵極與所述第一偏置電壓電路107連接，使得所述第一偏置電壓電路107為所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2提供穩定的偏置電壓。另外，所述第一偏置電壓電路107包括串聯連接的第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2，所述第一分壓電阻R1連接於所述第一場效應管M1的柵極，所述第二分壓電阻R2連接於所述第二場效應管M2的柵極。所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2的源極均接地、漏極均連接於所述隔離電路106。

其中，所述隔離電路106包括第三場效應管M3和第四場效應管M4。所述第三場效應管M3的柵極與所述第二偏置電壓電路108連接、源極與所述第一場效應管M1的漏極連接、漏極與所述balun電路201連接。所述第四場效應管M4的柵極與所述第二偏置電壓電路108連接、源極與所述第二場效應管M2的漏極連接、漏極與所述balun電路201連接。如此，所述隔離電路106能夠避免所述包絡跟蹤元件103的輸出擺幅直接加載到所述跨導電路105，保證了所述跨導電路105的可靠性。另外，所述跨導電路105的輸出信號分別通過所述第三場效應管M3和第四場效應管M4的漏極發送至所述balun電路201。

本實施例中，所述第一場效應管M1、所述第一場效應管M2、所述第一場效應管M3和所述第一場效應管M4均為電壓控制型半導體器件，其可以包括結型場效應管和絕緣柵場效應管。

具體地，所述balun電路201連接有用於發送射頻信號的天線202。其中，balun是由「balanced」和「unbalanced」兩個詞組合而形成的一個術語，其中文譯文是巴倫。其中balance代表差分結構，而un-balance代表是單端結構。balun電路201可以在差分信號與單端信號之間互相轉換，巴倫電路有很多種形式。本實施例中，所述balun電路201用於進行射頻信號的阻抗匹配。

本實施例中，對所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2採用恆定的第一偏置電壓。在輸入功率較小的情況下，所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2的跨導均是一個常數，使得所述射頻功率放大器的小信號增益是恆定的，並大大降低了所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2的柵極電容隨輸入功率大小的變化而變化的情況，減小了AM-PM失真。

對所述第三場效應管M3和所述第四場效應管M4採用第二偏置電壓電路108進行偏置，所述第二偏置電壓電路108的輸出電壓隨著輸入射頻信號的功率的增加而增加，使得所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2的線性度得到提高。進一步參閱圖1，假定所述第三場效應管M3和所述第四場效應管M4採用固定電壓進行偏置，那麼當輸入射頻信號的功率增加時，由於所述第一場效應管M1和所述第二場效應管M2將需要提供更多的動態電流，使得所述第一場效應管M1的漏極電壓降低，減小了所述第一場效應管M1的跨導，且增益開始壓縮。如果輸入射頻信號的功率繼續增加，則所述第一場效應管M1完全進入到線性區。採用第二偏置電壓進行偏置之後，增加了所述第一場效應管M1的跨導，且增益開始增加，從而提高了所述射頻功率放大器的線性度。

如圖2所示，是本實用新型實施例提供的一種射頻功率放大器的仿真結果示意圖。其中，虛線表示採用恆定偏置下的仿真結果。可見，在恆定偏置的情況下，射頻功率放大器的增益是10.3dB，輸出的1dB壓縮點為8.7dBm，並且此時的效率是12.9％。實線表示採用本實用新型實施例所示的偏置技術之後的仿真結果。可見，射頻功率放大器的增益是9.6dB，輸出的1dB壓縮點為11.4dBm，並且此時的效率達到20％。從曲線可以看出採用本實用新型實施例所提供的偏置技術之後，AM-AM失真明顯減小。

本實用新型實施例提供的一種提高射頻功率放大器線性度的裝置，通過將信號輸入埠101、包絡跟蹤元件103和信號耦合電路104分別連接於驅動放大元件102，能將採集到的射頻信號通過信號耦合電路104發送給跨導電路105，並通過包絡跟蹤元件103產生第二偏置電壓，以提供偏置電壓給隔離電路106，該隔離電路106由第一偏置電壓電路107提供電壓，以保證射頻功率放大器的小信號增益是恆定的，能夠有效提高射頻功率放大器的線性度，以及提高射頻功率放大器的輸出1dB壓縮點以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。

在上述電路的基礎上，本實施例中還連接有部分輔助元器件和連線，用於保證電路的正常運行，這些輔助元器件和連線的使用屬於行業通用的電路應用習慣，在此不再贅述。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。