具有可选择阻抗的功率放大器的LC网络的制作方法

本申请涉及rf(射频)放大器，具体地讲，涉及用于rf放大器的阻抗匹配网络。

背景技术：

rf功率放大器被用在各种应用(诸如用于无线通信系统的基站等)中。由rf功率放大器放大的信号经常包括具有高频调制载波的信号，所述高频调制载波具有400兆赫兹(mhz)至4千兆赫兹(ghz)范围中的频率。对载波进行调制的基带信号通常处于相对较低频率，并且根据应用，能够高达300mhz或更高。

rf功率放大器被设计为提供没有失真的线性操作。输入和输出阻抗匹配电路被用于将可能具有低输入和输出阻抗(例如，对于高功率装置而言，大约1欧姆或更小)的rf晶体管与外部装置(诸如，电路板)的阻抗匹配网络匹配。

用于rf功率放大器的装置封装能够包括晶体管管芯(例如，mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、ldmos(横向扩散金属氧化物半导体)、hemt(高电子迁移率晶体管)以及并入其中的输入和输出阻抗匹配电路。输入和输出阻抗匹配电路通常包括lc网络，所述lc网络提供被配置为将晶体管管芯的阻抗与固定值匹配的阻抗匹配电路的至少一部分。

通常，在rf功率放大器系统中在宽带能力和功率效率之间存在折衷。这种折衷的一个示例涉及rf装置封装和电路板之间的阻抗匹配，所述电路板接收rf装置封装并且以电气方式连接到rf装置封装。电路板通常包括与封装装置的一个(或多个)阻抗匹配网络配对的具有固定阻抗值的一个(或多个)阻抗匹配网络以实现二者之间的最佳功率传送。然而，在rf信号的情况下，仅可在一个频率获得最大传送效率。如果想要rf放大器在另一频率的操作，则设计者必须重新配置阻抗匹配网络(这需要具有不同内部匹配拓扑的多个装置)或接受降低的效率。另一示例涉及被配置为滤除基本频率的谐波分量的调谐电路。仅当rf信号的谐波被滤除时，获得非常高效的操作。这能够使用作为上述输入和输出阻抗匹配电路的一部分的电抗部件来实现。然而，这些电抗部件被调谐到特定频率并且当装置在这个频率之外操作时变得不那么有效。作为结果，谐波未被完全解谐并且装置的功率效率显著降低。

技术实现要素：

公开了一种放大器电路。根据实施例，所述放大器电路包括：rf放大器，被配置为在宽带频率范围上放大在输入端子和输出端子之间的rf信号。所述rf放大器还包括：第一lc网络，连接到输入端子，并且具有第一和第二电抗部件。第一开关装置连接在第一和第二电抗部件之间。第一开关装置在接通状态下将第一和第二电抗部件两者都耦合到输入端子，并且第一开关装置在断开状态下将第二电抗部件与输入端子断开连接。所述rf放大器还包括：第二lc网络，连接到输出端子，并且具有第三和第四电抗部件。第二开关装置连接在第三和第四电抗部件之间。第二开关装置在接通状态下将第三和第四电抗部件两者都耦合到输出端子。第二开关装置在断开状态下将第四电抗部件与输出端子断开连接。

公开了一种rf组件。根据实施例，所述rf组件包括具有阻抗匹配网络的电路板。所述rf组件还包括安装在电路板上的装置封装。所述装置封装包括：rf放大器，被配置为在宽带频率范围上放大在rf放大器的输入端子和输出端子之间的rf信号；第一lc网络，连接到输入端子，并且包括第一和第二电抗部件；第二lc网络，连接到输出端子，并且包括第三和第四电抗部件；第一封装引线，将输入端子连接到电路板；和第二封装引线，将输出端子连接到电路板。所述rf组件还包括：第一开关装置，被配置为在第一阻抗值和第二阻抗值之间选择第一lc网络的阻抗；和第二开关装置，被配置为在第三阻抗值和第四阻抗值之间选择第二lc网络的阻抗。所述阻抗匹配网络连接到第一封装引线或第二封装引线。

公开了一种操作放大器电路的方法。根据实施例，所述方法包括：使用rf放大器在宽带频率范围上放大在输入端子和输出端子之间的rf信号；在第一阻抗值和第二阻抗值之间选择耦合到输入端子的第一lc网络的阻抗值；以及在第三阻抗值和第四阻抗值之间选择耦合到输出端子的第二lc网络的阻抗值。选择第一lc网络的阻抗值包括控制第一开关装置的接通/断开状态。选择第二lc网络的阻抗值包括控制第二开关装置的接通/断开状态。

本领域技术人员将会在阅读下面的详细描述时并且在观看附图时意识到另外的特征和优点。

附图说明

附图的元件未必相对于彼此按照比例绘制。相同标号指定对应类似部分。各种图示的实施例的特征能够被组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘实施例并且在下面的描述中详述实施例。

图1图示根据实施例的放大器电路。

图2图示根据实施例的在二阶谐波值处的放大器输出匹配网络的s21图表。

图3图示根据实施例的具有调谐到第一频率并且在第一频率操作的lc网络的放大器的功率回退(pbo)。

图4包括图4a和4b，图示具有在第二频率操作的lc网络的放大器的功率回退(pbo)。在图4a中，lc网络被调谐到第一频率。在图4b中，lc网络被调谐到第二频率。

图5图示根据实施例的包括电路板和装置封装的rf组件。

图6包括图6a和6b，图示rf组件在两个不同基本频率下的效率比较，所述rf组件被重新配置以将lc网络的阻抗与固定值匹配。

图7包括图7a和7b，图示rf组件在两个不同基本频率下的效率比较，所述rf组件被重新配置以将lc网络的阻抗与固定值匹配。

具体实施方式

本文中描述的实施例包括rf放大器(例如，基于gan的晶体管)，所述rf放大器具有阻抗可调整的第一和第二第一lc网络，所述第一和第二第一lc网络耦合到rf放大器的输入和输出(例如，栅极和漏极)端子。在能够通过控制信令来改变由这些网络呈现的阻抗的情况下，第一和第二第一lc网络是阻抗可调整的。通过将开关装置并入到第一和第二第一lc网络中，可实现所述可调整性。通过调整这些开关装置的导通状态(即，接通/断开)状态，能够改变耦合到rf放大器的电抗元件的数量。例如，每个lc网络能够包括彼此并联的两个电容器。接通开关装置将两个电容器都耦合到rf放大器的端子，并且断开开关装置将两个电容器之一与rf放大器的相应端子断开连接。

有益地，与使用固定值lc网络的现有技术相比，第一和第二lc网络的阻抗可调整性增强装置的适应性和带宽响应。例如，第一和第二第一lc网络两者都可被配置为响应于施加于开关装置的控制信号而在两个不同二阶谐波频率(例如，3.6ghz和5.4ghz，其中1.8ghz和2.7ghz代表基本频率)谐振(即，提供rf短路)。以这种方式，rf放大器能够以高效率在任一基本频率操作，其中二阶谐波在每种情况下被完全滤除。作为另一示例，第一和第二lc网络的阻抗可调整性可被用于在两个不同操作频率(例如，1.8ghz和2.2ghz)使装置封装和电路板之间的功率传送最大化。以这种方式，能够生产与具有固定值阻抗匹配网络的电路板兼容的单个封装装置，并且所述单个封装装置能够针对所述两个不同操作频率以最大效率操作。

参照图1，描绘放大器电路100。放大器电路100包括rf放大器102，rf放大器102被配置为放大在输入端子104和输出端子106之间的rf信号。在各种实施例中，rf放大器102能够是功率晶体管，诸如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、dmos(双扩散金属氧化物半导体)晶体管、ganhemt(氮化镓高电子迁移率晶体管)、ganmesfet(氮化镓金属半导体场效应晶体管)、ldmos晶体管等，并且更一般地讲，能够是任何类型的rf晶体管装置。rf放大器102和完整的放大器电路100能够是多载波放大器、多频带放大器、符合lte(长期演进)的放大器、符合wcdma(宽带码分多址)的放大器、符合802.11(x)的放大器等。

放大器电路100被配置为在宽带频率范围中操作。与窄带相比，宽带指代这样的事实：rf信号的频率值的范围超过单个信道的相干带宽。在可接受的公差内，放大器电路100在宽带频率范围上提供相同的特性。宽带频率范围能够跨越中心频率的至少10%(例如，1.8ghz到2.2ghz，其中中心频率是2.0ghz)，并且能够跨越中心频率的20%或更多。这些值仅代表一个示例，并且宽带频率范围是可缩放的其它频率。

放大器电路100还包括连接到rf放大器102的输入端子104的第一lc网络108。第一lc网络108包括至少两个电抗部件(即，电容器和电感器)和连接在所述两个电抗部件之间的第一开关装置110。第一开关装置110和所述电抗部件通过导电连接而连接到rf放大器102的输入端子104。作为结果，第一lc网络108向rf放大器102的输入端子104呈现阻抗。此外，第一lc网络108被以这种方式配置：根据第一开关装置110的开关状态，能够改变向rf放大器102的输入端子104呈现的阻抗。

根据实施例，第一开关装置110、电抗部件和rf放大器102的输入端子104之间的导电连接由第一电感器112提供。例如可使用电感接合线来提供第一电感器112。第一电感器112形成直接电气连接。替代地，其它中间电路元件(开关、电容器等)可被提供在二者之间。此外，导电连接能够由其它连接设备提供。例如，导电连接能够是金属化轨迹(诸如，pcb轨迹)。导电连接的电感能够被修改以实现想要的电感。

在描绘的实施例中，第一lc网络108包括第一和第二电容器114、116。第一开关装置110直接连接到第一和第二电容器114、116的第一端子(例如，正端子)。第一和第二电容器114、116的第二端子(例如，负端子)连接到参考电势(即，gnd(地))。当第一开关装置110处于接通状态时，第一和第二电容器114、116两者都经由第一电感器112耦合到输入端子104。此外，第一和第二电容器114、116按照并联配置进行布置，以使得由输入端子104看见的电容包括第一和第二电容器114、116的电容之和。当第一开关装置110处于断开状态时，第二电容器116与rf放大器102的输入端子104断开连接。在这种配置中，由输入端子104看见的阻抗包括第一电感器112的电感和第一电容器114的电容，但不包括第二电容器116的电容。

图1的实施例代表具有可调整阻抗的放大器电路的一个示例。能够在各种电路配置中的任何电路配置中应用上述的可调整阻抗原理。例如，第一lc网络108能够可选地包括按照并联配置布置的三个、四个、五个等电容器，其中开关装置连接在每个电容器之间。以这种方式，第一lc网络108能够具有更宽范围的阻抗值和/或在阻抗值之间的更细粒度。同样地，开关装置能够被提供在并联连接的电感器之间，以使得由rf放大器102的输入端子104看见的电感是可调整的。

第一开关装置110能够是任何种类的电气开关(包括晶体管)。根据实施例，第一开关装置110是机械开关装置。如本文中所使用，机械开关装置描述如下任何装置：以物理方式完成与导电体的连接并且通过以物理方式将导电体断开连接来去除所述连接。通过比较，半导体晶体管通过控制掺杂半导体区域的导电状态来提供电气连接。机械开关装置的一个示例是mems开关，该mems开关被配置为基于输入电压以机械方式使悬臂偏转。机械开关装置的其它示例包括保险丝。将第一开关装置110配置为机械开关装置的一个优点在于：开关状态不取决于存在于第一开关装置110的输出端子的电压。在图1的电路中，这个特性是有益的，因为存在于第一和第二电容器114、116的正端子的电压能够根据这些装置的充电状态而变化。

根据实施例，第一开关装置110是一次可编程(otp)开关，诸如保险丝或纳米管。在一些应用中，第一lc网络108的阻抗仅需要被设置一次(例如，在测试中的装置组装期间)。在这种情况下，otp开关是合适的。在其它应用中，rf放大器102在不同频率操作，并且第一lc网络108的阻抗能够被相应地调整。在这种情况下，需要能够被反复开关的开关装置(例如，mems开关)。

放大器电路100包括连接到rf放大器102的输出端子106的第二lc网络118。第二lc网络118可被配置为基本上类似于上述的第一lc网络108。作为结果，能够通过操作连接在第二lc网络118中的一对电抗部件之间的第二开关装置120来调整放大器电路100的输出阻抗。例如，第二lc网络118可包括第三和第四电容器122、124，其中第三和第四电容器122、124两者在第二开关装置120的接通状态下都耦合到rf放大器102的输出端子106，并且其中第四电容器124在第二开关装置120的断开状态下与rf放大器102的输出端子106断开连接。第二lc网络118同样地包括第二开关装置120、第三和第四电容器122、124与rf放大器102的输出端子106之间的导电连接。根据实施例，这个导电连接由第二电感器126提供，第二电感器126可由电感接合线提供。

第二lc网络118的特定参数值(即，元件的电感和电容)可与第一lc网络108的特定参数值相同，但未必与第一lc网络108的特定参数值相同。另外，第二lc网络118的拓扑可与第一lc网络108的拓扑相同，但未必与第一lc网络108的拓扑相同。以与上述方式类似的方式，第二lc网络118能够包括任何数量的电容器和/或电感器，其中开关装置被插入在每个元件之间。

参照图2，对于在不同频率操作的放大器输出匹配网络，示出两个s21图表。第一图表128代表s21，即在1.8ghz的较低频率操作的放大器输出匹配网络的标称二阶频率响应。第二图表130代表s21，即在2.7ghz的第二频率操作的放大器输出匹配网络的二阶频率响应。例如，所述放大器可以是f类放大器。在名义上，f类放大器应该为偶数阶谐波(并且具体地讲，至少二阶谐波)呈现短路。另外，在名义上，f类放大器应该为奇数阶谐波(并且具体地讲，至少三阶谐波)呈现开路。这提供方波电压波形和半正弦电流波形。

第一s21图表128在1.8ghz的第一较低频率的二次谐波(即，3.6ghz)需要大约-26db的非常低的阻抗，并且在三次谐波(即，5.4ghz)需要大约-1db的非常高的阻抗。第二s21图表130在2.7ghz的第二较高频率的二次谐波(即，5.4ghz)需要大约-26db的非常低的阻抗。因此，不可能使用具有固定阻抗值的lc网络为第一和第二频率二者提供必要的频率响应。在这种情况下，lc网络仅能被调谐到所述较低频率或所述较高频率。

参照图3，描绘在2.7ghz操作的放大器电路的功率效率回退(pbo)图表。在这个实施例中，放大器电路包括lc网络，所述lc网络被调谐以在2.7ghz的操作频率提供f类频率响应。更具体地讲，放大器电路包括rf放大器，所述rf放大器具有连接到rf放大器的输入端子的第一lc网络和连接到rf放大器的输出端子的第二lc网络。第一和第二lc网络108、118两者都具有1.24pf(微微法)的电容和0.7nh(毫微亨)的电感。这些参数产生lc电路，所述lc电路在2.7ghz的操作频率的两倍频率(即，二阶谐波)谐振。从不同开始点和不同回退量标绘各种pbo值。最上面的线132代表每个pbo的最大可能效率。能够看出，效率在更大的pbo具有向下趋势。然而，通过-8db的pbo保持至少70%的效率。

参照图4，对于在1.8ghz操作的放大器电路示出两个功率效率回退(pbo)图表。图4a描绘放大器电路的pbo，所述放大器电路具有在第一和第二lc网络108、118中使用的如上所述的相同参数值(即，1.24pf和0.7nh)。图4b描绘放大器电路的pbo，所述放大器电路具有被调谐为以1.8ghz的较低操作频率谐振的第一和第二lc网络108、118中的参数值。具体地讲，图4b的放大器电路具有2.61pf的电容和0.7nh的电感。

能够看出，通过相应地修改第一和第二lc网络108、118的谐振，能够实现最大pbo的显著提高。图4a的电路(即，被调谐到2.7ghz的操作频率的电路)的效率在-8db的pbo下降至低于60%，而图4b的电路(即，被调谐到1.8ghz的操作频率的电路)的效率在-8db的pbo保持高于80%。在图4的示例中，操作频率的二阶谐波由第一和第二lc网络108、118解谐。相同的原理可被用于使用第一和第二lc网络108、118来解谐更高阶谐波(即，三阶谐波、四阶谐波、五阶谐波等)。

图4图示了参照图1描述的电路能够被用于在宽带频率范围上提高效率的一种方式。由于第一和第二lc网络108、118的可选择阻抗，电路设计者不需要选择固定阻抗值并且在一个频率值遭受减小的性能，如通过图3和4a的比较所示。替代地，用户能够在两个频率值都获得有益的高效率，如通过图3和4b的比较所示。换句话说，通过合适地选择第一和第二lc网络108、118中的电容器和电感器的参数值，能够获得两个不同频率值的高效率f类频率响应。更具体地讲，参数值能够被设置，以使得当开关装置断开时，第一和第二lc网络108、118具有所述较高频率的两倍的谐振频率，并且以使得当开关装置接通时，第一和第二lc网络108、118具有所述较低频率的两倍的谐振频率。

参照图5，根据实施例描绘了包括参照图1描述的放大器电路100的rf组件200。rf组件200包括电路板202(例如，pcb)，电路板202被配置为支撑多个电子部件并且以电气方式与所述多个电子部件连接。装置封装204被安装在电路板202上。装置封装204包括参照图1描述的rf放大器102以及第一和第二lc网络116、118的至少一部分。装置封装204包括将rf放大器102的输入端子104连接到电路板202的第一封装引线203和将rf放大器102的输出端子106连接到电路板202的第二封装引线205。

根据一个实施例，装置封装204包括金属凸缘，rf放大器102是安装在所述凸缘上的晶体管管芯，并且第一和第二lc网络108、118由安装到所述凸缘的多个芯片电容器和电感接合线提供。所述凸缘包括两个封装级引线，所述两个封装级引线分别将rf放大器102的输入端子104和输出端子106连接到电路板202。在blair的第12/817,869号美国申请中描述了这种结构的一般描述，该美国申请的内容全部通过引用并入。替代地，装置封装204能够是基于pcb的封装，其中封装引线由pcb形成。本文中描述的电抗部件(诸如，第一、第二、第三和第四电容器122、124)能够被嵌入在所述pcb内。在mu的第14/811,325号美国申请中描述了这种结构的一般描述，该美国申请的内容全部通过引用并入。第一和第二开关装置110、120可被并入到装置封装204中例如作为分立芯片部件，并且使用封装级互连件(例如，接合线、金属轨迹等)连接到装置封装204。也就是说，如图1中所图示的整个电路能够被并入在装置封装204中。替代地，第一和第二开关装置110、120能够在外部提供在电路板202上，并且能够通过i/o连接而连接到电抗部件。

能够经由电路板202独立地控制第一和第二开关装置110、120的接通/断开状态。因此，通过从电路板202施加和/或由电路板202产生的合适的控制信令，第一和第二lc网络108、118的阻抗是可调整的。在图5的实施例中，装置封装204包括第三和第四引线206、208，所述第三和第四引线206、208独立地连接到第一和第二开关装置110、120的输入。替代地，第一和第二开关装置110、120的输入能够分别连接到第一和第二封装引线203、205，并且第一和第二开关装置110、120的接通/断开状态能够由在第一和第二封装引线203、205的rf信号之上施加的dc偏置来控制。所述控制信令由装置210提供，所述装置210被安装在电路板202上并且以电气方式连接到电路板202。替代地，能够在外部控制第一和第二开关装置110、120。根据另一实施例，被配置为控制第一和第二开关装置110、120的控制器装置能够被并入到装置封装204中。

根据实施例，电路板202包括阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络被配置为将在第一和第二封装引线203、205看见的阻抗与预定值(例如，50欧姆)匹配。更具体地讲，电路板202可包括：第一阻抗匹配网络212，连接到第一封装引线203；和第二阻抗匹配网络214，连接到第二封装引线205。

参照图6，描绘rf组件200的效率比较，其中第一和第二lc网络108、118被用作阻抗匹配网络。如本领域普通技术人员所理解，功率传送和效率取决于源阻抗和负载阻抗之间的阻抗匹配。

通常，端口与标准值(例如，50欧姆)匹配以便确保每个传输路径得以平衡并且功率不被浪费。在rf信号的情况下，功率的无功分量也必须被平衡。这通常通过在所述系统中的每个装置的输入和输出端口处提供lc网络来实现。然而，仅可在单个频率下实现最大功率传送。当电路远离这个频率进行操作时，电路的效率和功率传送下降。这个原理被图示在图6a和6b中。

图6a描绘rf组件200的效率，其中rf放大器102在1.8ghz操作。在这个示例中，rf组件200包括：第一阻抗匹配网络212，经由第一封装引线203连接到第一lc网络108；和第二阻抗匹配网络214，经由第二封装引线205连接到第二lc网络118。第一和第二阻抗匹配网络212、214以及第一和第二lc电路110、118在1.8ghz完全平衡。在1.8ghz操作点，所述系统在50dbm的功率水平处为大约70%高效。

图6b描绘在2.2ghz操作的相同电路。在这个示例中，第一和第二阻抗匹配网络212、214以及第一和第二lc电路110、118的阻抗值保持相同。能够看出，在2.2ghz操作点，所述系统在50dbm的功率水平处为大约57%高效。因此，由于为所述装置呈现的非最佳负载阻抗而损失大量效率。

参照图7，描绘rf组件200的效率比较。不同于图5的示例，在这种情况下，已使用本文中描述的电路和技术来调整第一和第二lc电路110、118的阻抗值。也就是说，第一和第二开关装置110、120已被操作以将第一和第二lc电路110、118的阻抗调整为不同值。以这种方式，放大器电路100被用于提供最佳功率传送以便能够在两个操作频率都实现对可用电流和电压摆动的充分使用。更具体地讲，图7a描绘rf组件200的效率，其中rf放大器102在参照图6a描述的相同条件下在1.8ghz操作。图7b描绘rf组件200的效率，其中第一和第二lc网络108、118的阻抗值被调整为与在第二频率(即，2.2ghz)的最大功率传送对应的值。在这种情况下，对于两个操作点，所述系统在50dbm的功率水平处具有大约70%高效的相同效率。

能够看出，通过使用本文中描述的电路和方法，第一和第二lc网络108、118的阻抗值能够被调整以使电路板202和装置封装204之间的功率传送最大化。传统上，仅在一个频率获得最大功率传送，因为电路板和封装放大器电路的匹配网络的阻抗值是固定的。通过使放大器电路100的阻抗值可调整，公开的电路和技术克服了这个问题。作为结果，单个电路板202和单个装置封装204(所述单个装置封装204包括rf放大器102)能够被用于提供这样的放大器：在宽带频率范围中在不同频率操作，而不损害电路在宽带频率范围上的功率效率。

如本文中所使用的诸如“相同”和“匹配”的术语旨在意指相同、几乎相同或近似，从而在不脱离本发明的精神的情况下预料某一合理的变化量。术语“恒定”再一次意指不变化或改变或者稍微变化或改变，从而在不脱离本发明的精神的情况下预料某一合理的变化量。另外，诸如“第一”、“第二”等的术语被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也不旨在是限制性的。相同的术语在整个描述中始终指代相同的元件。

术语“直接以电气方式连接”或“以电气方式连接”描述以电气方式连接的元件之间的永久低欧姆连接，例如所涉及的元件之间的导线连接。相比之下，术语“以电气方式耦合”意味着：被配置为以某种有形方式影响电信号的一个或多个中间元件被提供在以电气方式耦合的元件之间。这些中间元件包括有源元件(诸如，晶体管)以及无源元件(诸如，电感器、电容器、二极管、电阻器等)。

空间相对术语(诸如，“在…下面”、“在...下方”、“下”、“在...上方”、“上”等)为了容易描述而被使用以解释一个元件相对于第二元件的定位。这些术语旨在包括除了与附图中描绘的那些方位不同的方位之外的所述装置的不同方位。另外，诸如“第一”、“第二”等的术语也被用于描述各种元件、区域、部分等，并且也不旨在是限制性的。相同的术语在整个描述中始终指代相同的元件。

如本文中所使用，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，所述开放式术语指示陈述的元件或特征的存在，但不排除另外的元件或特征。冠词“a(一)”、“an(一个)”和“the(该)”旨在包括复数以及单数，除非上下文清楚地另外指示。

考虑到以上变化和应用的范围，应该理解，本发明不受前面的描述限制，也不受附图限制。替代地，本发明仅由所附的权利要求及其法定等同物限制。