超频宽放大器及其设计方法
【专利摘要】本发明提供一种超频宽放大器及其设计方法，所述超频宽放大器包括功率放大单元、连接于所述功率放大单元的输出端或输入端的阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路包括初级线圈、与初级线圈互感耦合的次级线圈、与初级线圈并联的初级调谐电容和与次级线圈并联的次级调谐电容。通过配置初级线圈的自感系数、次级线圈的自感系数、初级线圈与次级线圈的互感系数、初级调谐电容的电容值、次级调谐电容的电容值，使得所述阻抗匹配电路具有第一互谐振频点和第二互谐振频点，所述阻抗匹配电路在第一互谐振频点和第二互谐振频点之间的整个频带的插损均小于3dB，从而利用同一个阻抗匹配电路实现超频宽的阻抗匹配。
【专利说明】超频宽放大器及其设计方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及一种放大器，特别是涉及一种超频宽放大器及其设计方法。
【【背景技术】】
[0002]目前无线移动通信系统已经得到了广泛应用。无线移动通信系统从二十世纪80年代早期的IG模拟系统发展到二十世纪90年代的2G数字系统，再发展到现在的3G\4G系统，将来可能发展到5G系统。无线通信网络的目标是给世界各地用户提供无缝宽带连接。
[0003]无线移动通信可以多个频带上进行，比如，2G GSM (Global System of Mobilecommunication)标准支持 900MHz (GSM900)、1800MHz (GSM1800)及 1900MHz (GSM-1900)等几个频带，WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)标准多达 8 个频带。LTE (LongTerm Evolution)标准定义的频段超过40个。不同的频带将会显著影响到硬件的设计,尤其是功率放大器的设计。
[0004]通常来说，功率放大器是窄带装置，需要为每个频带设计一个独立的功率放大器。目前多模式/多频带蜂窝电话都包括有多个功率放大器以支持多个频带。图1示出了传统多模式/多频带功率放大器10的示例方框图，其可以支持η个频带，分别为H、f2和fn。所述功率放大器10包括有为频带fl设计的输入阻抗匹配电路1、功率放大单元I和输出阻抗匹配单元1、为频带f2设计的输入阻抗匹配电路2、功率放大单元2和输出阻抗匹配单元
2、为频带fn设计的输入阻抗匹配电路η、功率放大单元η和输出阻抗匹配单元η，其中η大于等于2。可见，现有多 模式/多频带功率放大器10为每个频带设计了单独的功率放大单元和单独的输入/输出阻抗匹配网络。然而，这种设计会增加芯片面积和成本。
[0005]在射频和微波电路设计中，常常采用线圈互感耦合的变压器进行输入输出匹配或者是级间匹配，一方面变压器可以灵活配置为差分-差分电路，也可以配置为单端-单端电路，或者单端-差分、差分-单端的转化电路；另一方面可以有效的提供ESD(静电释放保护)保护；就实际电路来说，还存在如下的优点:1.级间耦合有DC耦合作用，不必使用AC耦合电容；2.可以灵活地给电路提供馈电；3.灵活的阻抗匹配设计；4.电路设计上还具有功率分配、合成等功能。但是，在传统设计中，基于变压器耦合的放大器电路只具有窄带特性，这样在应对多模多频(可相应展开，相关示例如图1)应用时，需要多个相应的电路才能覆盖宽带特性，由此，有必要对传统设计进行改进，以满足宽带系统的应用，大大降低电路的硬件资源。
【
【发明内容】
】
[0006]本发明的目的在于提供一种超频宽放大器，其可以实现超频宽的阻抗匹配。
[0007]本发明的目的在于提供一种超频宽放大器的设计方法，其得到的功率放大器可以实现超频宽的阻抗匹配，还可以减低设计的复杂度。
[0008]为了实现上述目的，本发明提出一种超频宽放大器，其包括:功率放大单元，用于对射频输入信号进行功率放大；连接于所述功率放大单元的输出端的超频宽输出阻抗匹配电路和/或连接于所述功率放大单元的输入端的超频宽输入阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路包括初级线圈、与初级线圈互感耦合的次级线圈、与初级线圈并联的初级调谐电容和与次级线圈并联的次级调谐电容，初级线圈的两端作为射频信号输入端，次级线圈的两端作为射频信号的输出端，通过配置初级线圈的自感系数、次级线圈的自感系数、初级线圈与次级线圈的互感系数、初级调谐电容的电容值、次级调谐电容的电容值，使得所述阻抗匹配电路具有第一互谐振频点和第二互谐振频点，所述阻抗匹配电路在第一互谐振频点和第二互谐振频点之间的整个频带的插损均小于3dB。
[0009]进一步的，基于负载的阻抗匹配比例确定初级线圈和次级线圈的自感系数比例；根据负载和带宽要求初步确定阻抗匹配电路的有载Q值；基于该自感系数比例以及有载Q值选定初级线圈和次级线圈的自感系数；基于超频宽放大器的最小工作频率、初级线圈和初级调谐电容的自谐振频点、次级线圈和次级调谐电容的自谐振频点确定初级调谐电容和次级调谐电容的电容值；基于超频宽放大器的最大工作频率和所述阻抗匹配电路的第二谐振频点确定所述互感系数。
[0010]进一步的，初级调谐电容和次级调谐电容为可切换电容。
[0011]进一步的,所述超频宽放大器的相对带宽fBW大于等于50%,其中fBW = (fH-fL) /f。，fc = (fH+fL) /2，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率，fH为所述超频宽放大器的最大工作频率。
[0012]进一步的 ，有载Q值=Rl/(2 *fL*L2), Rl为负载阻抗，L2为次级线圈的自感系数，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率。
[0013]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种如上文所述的超频宽放大器的设计方法，其包括:基于负载的阻抗匹配比例确定初级线圈和次级线圈的自感系数比例，根据负载和带宽要求初步确定阻抗匹配电路的有载Q值，确定超频宽放大器的最小工作频率和最大工作频率；基于所述自感系数比例以及有载Q值选定初级线圈和次级线圈的自感系数；确定初级调谐电容和次级调谐电容的电容值，使得初级侧的自谐振频点以及次级侧的自谐振频点均位于最小工作频率附近；估算互感系数的值，使得所述阻抗匹配电路的第二互谐振频点位于最大工作频率附近；根据得到的一组配置参数仿真所述阻抗匹配电路的频率响应特性，所述一组配置成参数包括初级线圈的自感系数、次级线圈的自感系数、初级线圈与次级线圈的互感系数、初级调谐电容的电容值、次级调谐电容的电容值；不断重复上述步骤直到频率响应特性符合设计要求。
[0014]进一步的，所述设计要求至少包括所述阻抗匹配电路在第一互谐振频点和第二互谐振频点之间的整个频带的插损均小于3dB。
[0015]进一步的，所述设计要求至少还包括:所述超频宽放大器的相对带宽&?大于等于50%，其中fBW = (fH-fL) /fc, fc = (fH+fL) /2，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率，fH为所述超频宽放大器的最大工作频率。
[0016]进一步的，初级调谐电容和次级调谐电容为可切换电容。
[0017]进一步的，有载Q值=Rl/(2 *fL*L2), Rl为负载阻抗，L2为次级线圈的自感系数，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率。
[0018]与现有技术相比，在本发明中的输入阻抗匹配电路和/或输出匹配电阻利用互感耦合线圈来实现超频宽的阻抗匹配，从而可以降低功率放大器所占用的面积以及其制造成本，同时也可以大大降低设计的复杂度。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
[0020]图1为传统的多频带功率放大器的方框示意图；
[0021]图2示出了本发明中的超频宽放大器在一个实施例的方框示意图；
[0022]图3示出了本发明中的阻抗匹配电路在一个实施例的电路示意图；
[0023]图4(A)示出了图3中的阻抗匹配电路在一个配置参数下的回损曲线示意图；
[0024]图4(B)示出了图3中的阻抗匹配电路在该配置参数下的插损曲线示意图；
[0025]图5为本发明中的超频宽放大器的设计方法在一个实施例中的流程示意图。
【【具体实施方式】】
[0026]本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这 些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法和程序已经容易理解，因此它们并未被详细描述。
[0027]此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0028]图2示出了本发明中的超频宽放大器在一个实施例的方框示意图。如图2所示，所述超频宽放大器包括功率放大单元220、连接于所述功率放大单元220的输入端的超频宽输入阻抗匹配电路210、连接于所述功率放大单元220的输出端的超频宽输出阻抗匹配电路230。
[0029]所述功率放大单元220用于对射频输入信号RFin进行功率放大。
[0030]如图3所示，所述超频宽输出阻抗匹配电路210和/或所述超频宽输入阻抗匹配电路230可以为互感耦合线圈的变压器，所述阻抗匹配电路包括初级线圈L1、与初级线圈L1互感耦合的次级线圈L2、与初级线圈L1并联的初级调谐电容C1和与次级线圈L2并联的次级调谐电容C2，初级线圈L1的两端作为射频信号输入端，次级线圈L2的两端作为射频信号的输出端。
[0031]初级线圈L1与次级线圈L2的互感系数为k，k为小于I的正数，通过配置初级线圈的自感系数、次级线圈的自感系数、初级线圈与次级线圈的互感系数、初级调谐电容的电容值、次级调谐电容的电容值，可以使得该互感耦合线圈具有第一互谐振频点和第二互谐振频点，该阻抗匹配电路在第一互谐振频点和第二互谐振频点之间的整个频带的插损均小于3dB。[0032]下面介绍一下图3中的第一互谐振频点和第二互谐振频点的推导过程。
[0033]针对图3所示，从左往右看到的输入阻抗为:
【权利要求】
1.一种超频宽放大器，其特征在于，其包括: 功率放大单元,用于对射频输入信号进行功率放大； 连接于所述功率放大单元的输出端或/和输入端的超频宽阻抗匹配电路， 所述阻抗匹配电路包括初级线圈、与初级线圈互感耦合的次级线圈、与初级线圈并联的初级调谐电容和与次级线圈并联的次级调谐电容，初级线圈的两端作为射频信号输入端，次级线圈的两端作为射频信号的输出端， 通过配置初级线圈的自感系数、次级线圈的自感系数、初级线圈与次级线圈的互感系数、初级调谐电容的电容值、次级调谐电容的电容值，使得所述阻抗匹配电路具有第一互谐振频点和第二互谐振频点，所述阻抗匹配电路在第一互谐振频点和第二互谐振频点之间的整个频带的插损均小于3dB。
2.根据权利要求1所述的超频宽放大器，其特征在于， 基于负载的阻抗匹配比例确定初级线圈和次级线圈的自感系数比例； 根据负载和带宽要求初步确定阻抗匹配电路的有载Q值； 基于该自感系数比例以及有载Q值选定初级线圈和次级线圈的自感系数； 基于超频宽放大器的最小工作频率、初级线圈和初级调谐电容的自谐振频点、次级线圈和次级调谐电容的自谐振频点确定初级调谐电容和次级调谐电容的电容值； 基于超频宽放大器的最大工作频率和所述阻抗匹配电路的第二谐振频点确定所述互感系数。
3.根据权利要求1所述的超频宽放大器，其特征在于，初级调谐电容和次级调谐电容为可切换电容。
4.根据权利要求1所述的超频宽放大器，其特征在于， 所述超频宽放大器的相对带宽fBW大于等于50%， 其中= (fs-fj/f。，fc = (fH+fV)/2，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率，fH为所述超频宽放大器的最大工作频率。
5.根据权利要求1所述的超频宽放大器，其特征在于， 有载Q值=为负载阻抗，L2为次级线圈的自感系数，&为所述超频宽放大器的最小工作频率。
6.一种如权利要求1所述的超频宽放大器的设计方法，其特征在于，其包括: 基于负载的阻抗匹配比例确定初级线圈和次级线圈的自感系数比例，根据负载和带宽要求初步确定阻抗匹配电路的有载Q值，确定超频宽放大器的最小工作频率和最大工作频率； 基于所述自感系数比例以及有载Q值选定初级线圈和次级线圈的自感系数； 确定初级调谐电容和次级调谐电容的电容值，使得初级侧的自谐振频点以及次级侧的自谐振频点均位于最小工作频率附近； 估算互感系数的值，使得所述阻抗匹配电路的第二互谐振频点位于最大工作频率附近； 根据得到的一组配置参数仿真所述阻抗匹配电路的频率响应特性，所述一组配置成参数包括初级线圈的自感系数、次级线圈的自感系数、初级线圈与次级线圈的互感系数、初级调谐电容的电容值、次级调谐电容的电容值；不断重复上述步骤直到频率响应特性符合设计要求。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述设计要求至少包括所述阻抗匹配电路在第一互谐振频点和第二互谐振频点之间的整个频带的插损均小于3dB。
8.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述设计要求至少还包括:所述超频宽放大器的相对带宽fBW大于等于50%， 其中= (fs-fj)/fc。，fc = (fH+fV)/2，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率，fH为所述超频宽放大器的最大工作频率。
9.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，初级调谐电容和次级调谐电容为可切换电容。
10.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于， 有载Q值=Rl/(2 *fL*L2), Rl为负载阻抗，L2为次级线圈的自感系数，fL为所述超频宽放大器的最小工作频率。
【文档编号】H03F3/20GK103986428SQ201410239556
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】韩科锋, 任启明, 雷良军 申请人:无锡中普微电子有限公司