行波放大器中用于减轻直流(dc)偏置电感器自谐振效应的锥形衰减器网络的制作方法
【专利摘要】本文描述的主题包括行波放大器，其具有用于减轻DC偏置电感器自谐振效应的锥形衰减器网络。一个示例性的放大器包括多个增益级，其连接在梯形网络中，用于连续放大由输入信号引起的前向行波以产生输出信号。该放大器进一步包括后端，其耦接至增益级，用于吸收由来自增益级和放大器输出的反射产生的后向行波。该放大器进一步包括感性DC偏置电路，其在后端附近耦接至增益级，用于为增益级提供DC偏置。该放大器进一步包括锥形多段频率选择衰减器网络，其连接在DC偏置电路与增益级中的第一个之间，用于减小输出信号上的感性DC偏置电路的自谐振效应。
【专利说明】行波放大器中用于减轻直流(DC)偏置电感器自谐振效应的锥形衰减器网络
[0001]优先权声明
[0002]本申请要求美国专利申请序列号为13/436,802的权益，该专利申请提交于2012年3月30日；其公开的全部内容通过引用的方式合并入本文。
【技术领域】
[0003]本文公开的主题涉及行波放大器。更具体地，本文公开的主题涉及行波放大器中用于减轻直流(DC)偏置电感器自谐振效应的锥形衰减器网络。
【背景技术】
[0004]宽带放大器需要DC偏置，该DC偏置将在宽带放大器的整个操作频率范围上有效操作。一些宽带放大器，譬如用在电信交换网络中的行波放大器，需要从千赫兹范围至数十或数百吉赫兹范围操作。一些宽带放大器使用偏置电阻器和电流源来为放大器提供DC偏置。使用偏置电阻器和电流源的一个问题是穿过电阻器的电流导致与电流的平方和电阻器的阻值成比例的阻性功率损失，降低了放大器的功率效率。
[0005]因为功率效率是宽带放大器的关键设计约束，所以使用电阻器和电流源设计的DC偏置电路不是最佳的。最高效的宽带放大器使用基于电感器的偏置扼流圈(choke)。基于电感器的偏置扼流圈由电压源和电感器组成。理想地，电感器应当表现为对直流短路，以允许DC偏置电流在没有高阻性损耗的情况下到达放大器。电感器应当表现为在放大器的操作频率范围上对交流(AC)信号的非常高的阻抗，使得电感器的阻抗不会对放大器的操作产生负面影响。例如，电感器绕组之间的电容引起电感器在其自谐振频率处自谐振。如果DC偏置电感器的自谐振频率在放大器的操作频率范围内，则DC偏置电路将在谐振频率处表现出对地短路。宽带放大器的DC偏置电路中的对地短路改变了从放大器的输出端子看进去的阻抗，并且对其操作有负面影响。
[0006]在宽频率范围上操作的一种类型的电感器偏置扼流圈需要大的、昂贵的、圆锥形绕制铁氧体磁芯，以呈现减小由绕组的寄生电容导致的自谐振的大的感性阻抗。所需的呈现合适阻抗的锥形绕制铁氧体磁芯电感器增加了宽带放大器的成本。
[0007]据此，存在对于具有用于减轻偏置电感器自谐振效应的锥形衰减网络的宽带放大器的需求。
【发明内容】
[0008]本文描述的主题包括行波放大器，其具有用于减轻DC偏置电感器自谐振效应的锥形衰减器网络。一个示例性的放大器包括多个增益级，其连接在梯形网络中，用于连续放大由输入信号引起的前向行波以产生输出信号。该放大器进一步包括后端(backterminat1n),其I禹接至增益级,用于吸收由来自增益级和放大器输出的反射产生的后向行波。该放大器进一步包括感性DC偏置电路，其耦接在增益级和后端之间，用于为增益级提供DC偏置。该放大器进一步包括锥形多段频率选择衰减器网络，其连接在DC偏置电路与增益级中的第一个之间，用于减小输出信号上的感性DC偏置电路的自谐振效应。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]现在将参考附图对本文描述的主题进行阐释，其中:
[0010]图1是示出了在放大器输出端子具有基于电感器的DC偏置电路的六级行波放大器的示例性拓扑结构的视图；
[0011]图2是具有适合与本文描述的主题的实施例一起使用的后端和在后端处的基于电感器的DC偏置电路的行波放大器的视图；
[0012]图3是根据本文描述的主题的实施例的具有后端、在后端处的基于电感器的DC偏置电路和锥形多段衰减器网络的行波放大器的视图；
[0013]图4是示出了根据本文描述的主题的实施例的行波放大器的后端、基于电感器的DC偏置电路和锥形多段衰减器网络的视图；
[0014]图5A是示出了 π (Pi)衰减器没计的视图，并且图5Β是使用根据本文描述的主题的实施例的η设计的锥形多段衰减器网络的段的视图；
[0015]图6Α是示出了 T (Tee)衰减器设计的视图，并且图6Β是合并根据本文描述的主题的实施例的T设计的锥形多段衰减器网络的段的视图；
[0016]图7是示出了每一段均合并了根据本文描述的主题的实施例的π设计的锥形多段频率选择衰减器网络的视图；
[0017]图8是每一段均合并了根据本文描述的主题的实施例的T设计的锥形多段频率选择衰减器网络的视图。
【具体实施方式】
[0018]本文描述的主题包括行波放大器，其具有用于减轻DC偏置电感器自谐振效应的锥形多段衰减器网络。图1是示出了在放大器输出端子具有基于电感器的DC偏置电路的示例性行波放大器的视图。在图1中,放大器100包括连接在梯形网络中的多个增益级102。每个增益级102可以是单个的晶体管放大器，譬如单个MOSFET放大器。在替代性的实施方案中，每个增益级102可以包括多个晶体管。在示出的实例中，放大器100包括位于输出端子的感性DC偏置电路104。偏置电路104包括电感器106和DC电压源108。偏置电路104为组成增益级102的晶体管提供DC偏置。放大器100还包括后端110，以吸收来自增益级102和来自放大器输出端子的反射。后端110包括电阻112和电容器114。
[0019]在操作中，放大器100在增益级102当中的第一个处接收输入信号，并且由输入信号产生的前向行波在每一个连续的增益级处被放大，以在输出端子产生放大的输出电压。反射波由后端110吸收。
[0020]图1不出的设计的改良在图2中不出，其中感性DC偏直电路104位于后端。将感性DC偏置电路104定位在后端110处允许电感器106的自谐振效应被感性DC偏置电路104与输出端子之间的线路的传输线路特性所掩盖(mask)。然而，甚至这种设计在常规上使用高电感圆锥绕制电感器而被实施，以在期望的频率范围上操作。如上所述，使用该类电感器由于其增加了放大器的成本是不合乎需要的。
[0021]为允许廉价的片外电感器用在DC偏置电路中，根据本文描述的主题的实施例的行波放大器可以包括位于第一个增益级102与后端110之间的片上(即，在与行波放大器100除了 DC偏置电路104之外的其余部件相同的芯片上实现)多段锥形衰减器网络。图3是示出了根据本文描述的主题的实施例的具有锥形多段锥形衰减器网络的示例性行波放大器的视图。在图3中，感性DC偏置电路104位于后端110处，如图2所示。为掩盖由电感器106引起的自谐振效应，锥形多段衰减器网络300耦接在DC偏置电路106与增益级102之间。锥形衰减器网络300可以包括不同电感的连续段，每一段掩盖或减轻前一段的自谐振。例如，更靠近DC偏置电路104的电感可以比锥形衰减器网络300中远离DC偏置电路104的级的电感更大。因此，多段锥形衰减器网络300的段可以模仿由锥形的圆锥形绕制铁氧体磁芯制成的电感器的设计，其被定位为使得更大的线圈更加靠近电感器106。
[0022]图4是示出了由锥形多段衰减器网络300引起的行波放大器中的阻抗匹配方面的改进的示意图。在图4中，rtOT是从后端看进去得到的阻抗，rind是从电感器106和后端的组合看进去得到的阻抗，并且ΓΤΑΝ是从锥形多段衰减器网络300看进去得到的阻抗。锥形多段衰减器网络300优选地以低损耗通过来自DC电压源108的DC电流。锥形多段衰减器网络300还必须具有超过放大器100操作频率范围的阻抗。该阻抗应当类似于后端110的阻抗。从锥形多段衰减器网络300看进去的反射波必须通过网络300两次，如通过图4中u型箭头所指示的那样。据此，反射波具有由如以下方程I所示的衰减的平方衰减的量级。
[0023]Γ ΤΑΝ — (S21tan)女 Γ ind (I)
[0024]在一个实施例中，锥形多段衰减器网络300的结构可以类似于如图5A和5B所示的^衰减器的结构。在方程I中，S21是锥形多级衰减器网络300的阻抗大小。如图5B所示，为了是频率可选的，η衰减器可以具有串联电感Ls和串联电阻Rs，其连接在具有第一和第二组分路电容Cg和分路电阻Rg的π配置中。下面示出的方程2和3展示了 π衰减器的阻抗。
[0025]S21 = (Rg-Z0)/(Rg+Z0)⑵
[0026]Rs = 4 * Rg * Z0/ ( (Z0-Rg) * (Z0+RG) (3)
[0027]在方程2和3中，Ztl是传输线路的特性阻抗。如果以下所示的方程4中所述的条件满足，则阻抗匹配对频率选择衰减器来说仍然能够在数学上是最优的。
[0028]Rs/Ls = I/(Rg * Cg)(4)
[0029]本文描述的主题不限于锥形多段衰减器网络300的每一段均使用π衰减器。在替代性的实施方案中，T设计可以用于每一段。图6Α示出了示例性的阻性T衰减器，并且图6Β示出了根据本文描述的主题的实施例的适合用作锥形多段衰减器网络当中的一段的示例性的频率选择T衰减器。参考图6Β，T衰减器的每一段均包括连接在具有分路电容Cg和分路电阻Rg的T型配置中的串联电感Ls和串联电阻Rs。
[0030]图7示出了基于根据本文描述的主题的实施例的π设计的锥形多段频率选择衰减器。在图7中，I级的电感可以大于2级的电感，等等，使得N级的电感大于Ν+1级的电感，其中N是整数，并且更小值的N更加靠近DC偏置电感器。使如图7所示的衰减器成锥形模拟圆锥形绕制铁氧体的设计。每级掩盖先前级的自谐振。
[0031]图8示出了示例性的锥形多段衰减器网络，其中每一段基于根据本文描述的主题的实施例的T设计。在图8中，第N级的电感可以比N+1级的电感更大，其中更小值的N位于更加靠近DC偏置电感器的位置。
[0032]如上所述，使用锥形多段衰减器网络，本文描述的主题允许低质量的电感器(即，可能在放大器的操作频率范围内具有寄生电容的电感器)用在DC偏置电路中。此外，锥形多段衰减器网络300可以全部由无源部件(即，电阻器、电感器和电容器)构成。然而，如与上所述的无源元件组合使用有源元件，或使用模拟如上所述的无源元件的行为的有源元件，均意图在本文公开的主题的实施例的范围之内。
[0033]应当理解，本公开主题的各种细节可以在不脱离本公开主题的范围的情况下做出改变。此外，先前的描述仅用于说明目的，并非出于限定的目的。
【权利要求】
1.一种行波放大器，具有用于减轻直流(DC)偏置电感器自谐振效应的锥形衰减器网络，该行波放大器包含: 连接在梯形网络中的多个增益级，用于连续放大由输入信号引起的前向行波以产生输出信号； 耦接至增益级的后端，用于吸收来自增益级和放大器输出的反射所产生的后向行波； 在后端附近耦接至增益级的感性直流(DC)偏置电路，用于为增益级提供DC偏置；以及 连接在感性DC偏置电流与增益级中的第一个增益级之间的锥形多段频率选择衰减器网络，用于减小输出信号上的感性DC偏置电路的自谐振效应。
2.如权利要求1所述的放大器，其中锥形多段频率选择衰减器网络包括N段，N是至少为2的整数，第N段比第N+1段更加靠近感性DC偏置电路，并且第N段具有大于第N+1段的电感。
3.如权利要求1所述的放大器，其中锥形多段频率选择衰减器网络的每一段包括串联电阻和串联电感，所述串联电阻和串联电感连接在具有第一分路电阻与第一分路电容以及第二分路电阻与第二分路电容的π配置中。
4.如权利要求1所述的放大器，其中锥形多段频率选择衰减器网络的每一段包括串联电阻和串联电感，所述串联电阻和串联电感连接在具有分路电阻和分路电容的T配置中。
5.如权利要求1所述的放大器，其中锥形多段频率选择衰减器网络完全由无源部件构成。
6.一种锥形多段衰减器网络，用于减小基于电感器的直流(DC)偏置电路的自谐振效应，该网络包含: N个衰减器段，N是至少为2的整数，第N段连接至第(Ν+1)段，N段中的每一段包括串联电阻、串联电感、第一分路电阻和第一分路电容； 其中N个衰减器段中的第一个被配置为连接至基于电感器的DC偏置电路，并且N个衰减器段中的最后一个被配置为连接至行波放大器的增益级；以及 其中每个第N段的电感大于每个第(Ν+1)段的电感。
7.如权利要求6所述的衰减器网络，其中每一段的串联电阻和串联电感连接在具有第一分路电阻与第一分路电容以及第二分路电阻与第二分路电容的η配置中。
8.如权利要求6所述的衰减器网络，其中每一段的串联电感和串联电阻连接至T型配置中的第一分路电阻和第一分路电容。
9.如权利要求6所述的衰减器网络，其中衰减器段中的每一段仅包含无源电路元件。
10.如权利要求6所述的衰减器网络，包含芯片，其中N段中的每一段是片上部件。
【文档编号】H03F3/60GK104205627SQ201280071963
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年6月26日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】J·W·梅耶, J·奥尔 申请人:森特拉克斯股份有限公司