用于5G-NR频段的射频功率放大装置和射频功率放大方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及用于5g-nr频段的射频功率放大装置和射频功率放大方法。

背景技术：

5g-nr(5th-generationnewradio，5g新空口)是基于ofdm的全新空口设计的全球性5g标准，也是下一代非常重要的蜂窝移动技术基础，5g技术将实现超低时延、高可靠性。5g网络的一个主要有点在于，数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达10gbit/s，比当前的有线互联网要快，比先前的4glte(longtermevolution，长期演进)蜂窝网络快100倍。另一个优点是较低的网络延迟(更快的响应时间)，低于1毫秒，而4g为30-70毫秒。

5g-nr采用了超宽的射频传输带宽，在n41频段可以达到100mhz是传统4g带宽的10倍。为了使射频功率放大器在5g-nr应用中为了实现如此高带宽下有效传输信号，必须进一步提高射频功率放大器的线性功率。

图1是现有技术中射频功率放大装置的结构示意图。在图1中，射频功率放大装置包括射频输入端口p11,射频输出端口p12、功率放大器pa11、功率放大器pa11的电源src11、电容器c11、c12和电感器l11组成的输入匹配网络，以及电感器l12、l13和电容器c13、c14、c15组成的输出匹配网络。输入匹配网络的作用是将射频输入端口p11的预设阻抗值(例如，50欧姆)(点1)匹配到功率放大器pa11的输入阻抗点(点2)，输出匹配网络的作用是将射频输出端口p12的预设阻抗值(例如，50欧姆)(点6)分级匹配到(点5和点4)最后匹配到功率放大器pa11的输出阻抗点(点3)。其中，功率放大器pa11可以是目前通用的放大器，例如，μa741、lm358、lm324等。

目前，针对5g-nr系统的功率放大器是在常规的功率放大器电路设计上，通过减小输出匹配阻抗点和提高功率放大器供电电压来提高功率放大器的线性度以满足5g-nr的线性度要求。减小输出阻抗匹配点的会让功率放大器的输出带宽变窄无法满足整个带宽的线性度要求。提高功率放大器的供电电压一方面会增加整个功率放大器的功耗，另外一个方面会降低整个功率放大器的可靠性，在高电压下，功率放大器更加容易损坏。

可见，现有技术中常规的减小输出匹配阻抗点和提高功率放大器供电电压的设计，提高线性功率十分有限，而且提高功率后因为发热加剧，可靠性有所下降，无法达到5g-nr系统的要求。所以，研发一种新的射频功率放大装置来提升线性功率已经迫在眉睫。

技术实现要素：

因此，我们提出一种用于5g-nr频段的射频功率放大装置和射频功率放大方法，对于射频功率放大装置的任一级放大电路采用两个相位调整器分别对对射频信号进行相位调整、信号拆分和相位恢复、信号合并，能够有效提高射频功率放大器的线性功率。

根据本发明的第一个方面，提供一种用于5g-nr频段的射频功率放大装置，包括第一相位调整器，第一功率放大器、第二功率放大器和第二相位调整器，其中：

所述第一相位调整器包括第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器，所述第一电容器的第一端和所述第二电感器的第一端以及所述第一功率放大器的基极连接，所述第一电容器的第二端和所述第一电感器的第一端连接，用于接收输入的射频信号，所述第一电感器的第二端和所述第二电容器的第一端以及所述第二功率放大器的基极连接，所述第二电容器的第二端和所述第二电感器的第二端均接地；

所述第二相位调整器包括第三电感器、第四电感器、第三电容器和第四电容器，所述第三电感器的第一端与所述第一功率放大器的发射极以及所述第四电容器的第一端连接，所述第三电感器的第二端与所述第三电容器的第一端均接地，所述第三电容器的第二端与所述第二功率放大器的发射极以及所述第四电感器的第一端连接，所述第四电感器的第二端与所述第四电容器的第二端连接。

根据本发明的第二个方面，提供一种利用如权利要求1所述的射频功率放大装置实施的射频功率放大的方法，包括：

所述第一相位调整器接收输入的射频信号，并将所述输入的射频信号分为第一路信号与第二路信号，其中，所述第一路信号与所述第二路信号相位相差180°；

所述第一功率放大器接收所述第一路信号，并将所述第一路信号进行放大处理，得到经处理的第一路信号；

所述第二功率放大器接收所述第二路信号，并将所述第二路信号进行放大处理，得到经处理的第二路信号；

所述第二相位调整器接收所述经处理的第一路信号和所述经处理的第二路信号，将所述经处理的第一路信号和所述经处理的第二路信号的相位调整为一致并合并，得到合并后的信号并输出。

实验显示，通过本发明的用于5g-nr频段的射频功率放大装置和射频功率放大方法可以有效提高射频功率放大器的线性功率2.5db，从而达到5g-nr的系统要求。

附图说明

为进一步清楚解释本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

在下面的附图中：

图1是现有技术中射频功率放大装置的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的射频功率放大装置的结构示意图。

图3是根据本发明另一个实施例的射频功率放大装置的结构示意图。

图4是根据本发明又一个实施例的射频功率放大装置的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

根据本发明的一个方面，提出一种用于5g-nr频段的射频功率放大装置，对于射频功率放大装置的任一级放大电路采用两个相位调整器分别对对射频信号进行相位调整、信号拆分和相位恢复、信号合并，能够有效提高射频功率放大器的线性功率。

图2是根据本发明实施例的射频功率放大装置的结构示意图。如图2所示，射频功率放大装置包括射频输入端口p21,射频输出端口p22、第一功率放大器pa21、第一功率放大器pa21的电源src21、第二功率放大器pa22、第二功率放大器pa22的电源src22，其中，电源src21和电源src22的电压均为vdc＝4.2v。第一功率放大器pa21和第二功率放大器pa22的集电极分别与电源src21和电源src22连接。射频功率放大装置还包括第一相位调整器a21和第二相位调整器a22。

如图2所示，第一相位调整器a21包括第一电容器c21、第二电容器c22、第一电感器l21和第二电感器l22，所述第一电容器c21的第一端和所述第二电感器l22的第一端以及所述第一功率放大器pa21的基极连接，所述第一电容器c21的第二端和所述第一电感器l21的第一端连接，用于接收输入的射频信号，所述第一电感器l21的第二端和所述第二电容器c22的第一端以及所述第二功率放大器pa22的基极连接，所述第二电容器c22的第二端和所述第二电感器l22的第二端均接地。

如图2所示，所述第二相位调整器a22包括第三电感器l23、第四电感器l24、第三电容器c23和第四电容器c24，所述第三电感器l23的第一端与所述第一功率放大器pa21的发射极以及所述第四电容器c24的第一端连接，所述第三电感器l23的第二端与所述第三电容器c23的第一端均接地，所述第三电容器c23的第二端与所述第二功率放大器pa22的发射极以及所述第四电感器l24的第一端连接，所述第四电感器l24的第二端与所述第四电容器c24的第二端连接。

在图2所示的实施例中，第一相位调整器a21所包括的第一电容器c21、第二电容器c22、第一电感器l21和第二电感器l22组成输入匹配网络，将射频输入端口p21的预设阻抗值(例如，50欧姆)(点1)匹配至第一功率放大器pa21和第二功率放大器pa22的输入阻抗(点2和点3)，并且将射频输入端口p21的输入信号分成两路信号分别输入第一功率放大器pa21和第二功率放大器pa22，此两路信号的相位差是180°。

在图2所示的实施例中，所述第二相位调整器a22所包括的第三电感器l23、第四电感器l24、第三电容器c23和第四电容器c24组成输出匹配网络，将第一功率放大器pa21和第二功率放大器pa22两路相位差为180°的信号恢复为相位一致，将信号合成为一路，并将第一功率放大器pa21和第二功率放大器pa22的输出阻抗(点4和点5)匹配至射频输出端口p22的预设阻抗值(例如，50欧姆)(点6)。

在一个可选的实施例中，第一相位调整器a21和第二相位调整器a22的位置可以互换，即第二相位调整器a22组成输入匹配网络，而第一相位调整器a21组成输出匹配网络。

图3是根据本发明另一个实施例的射频功率放大装置的结构示意图。如图3所示，与图2相比，在图3中，射频功率放大装置除了包括射频输入端口p31,射频输出端口p32、第一功率放大器pa31、第一功率放大器pa31的电源src31、第二功率放大器pa32、第二功率放大器pa32的电源src32、第一相位调整器a31和第二相位调整器a32，还包括第一匹配电路m31和第二匹配电路m32。第一匹配电路m31包括第五电容器c35和第五电感器l35，第二匹配电路m32包括第六电容器c36和第六电感器l36，其中，第五电容器c35的第一端与第一功率放大器pa31的发射极相连，第五电容器c35的第二端与第五电感器l35的第一端、第三电感器l33的第一端以及第四电容器c34的第一端连接，第五电感器l35的第二端接地；第六电容器c36的第一端与第二功率放大器pa32的发射极相连，第六电容器c36的第二端与第六电感器l36的第一端、第三电容器c33的第二端以及第四电感器l34的第一端连接，第六电感器l36的第二端接地。

在图3所示的实施例中，第二相位调整器a32、第一匹配电路m31和第二匹配电路m32组成输出匹配网络，第二相位调整器a32将第一功率放大器pa31和第二功率放大器pa32两路相位差为180°的信号恢复为相位一致，将信号合成为一路，第一匹配电路m31和第二匹配电路m32分别将第一功率放大器pa31和第二功率放大器pa32的输出阻抗(点4和点5)匹配到一个阻抗值(例如20欧姆)，第二相位调整器a32将第一功率放大器pa31和第二功率放大器pa32的输出阻抗(点7和点8)匹配至射频输出端口p32的预设阻抗值(例如，50欧姆)(点6)。

在一个可选的实施例中，在图3中，射频功率放大装置还包括第三匹配电路m33，第三匹配电路m33包括第七电容器c37和第七电感器l37，所述第七电感器l37的第一端与第四电感器l34的第二端以及第四电容器c34的第二端连接，第七电感器l37的第二端与第七电容器c37的第一端连接，第七电容器c37的第二端接地。

在图3所示的实施例中，第二相位调整器a32、第一匹配电路m31、第二匹配电路m32和第三匹配电路m33组成输出匹配网络，第二相位调整器a32将第一功率放大器pa31和第二功率放大器pa32两路相位差为180°的信号恢复为相位一致，将信号合成为一路，第一匹配电路m31和第二匹配电路m32分别将第一功率放大器pa31和第二功率放大器pa32的输出阻抗(点4和点5)匹配到第一中间阻抗值(例如15欧姆)，第二相位调整器a32将第一功率放大器pa31和第二功率放大器pa32的输出阻抗(点7和点8)匹配至第二中间阻抗值(例如30欧姆)(点6)，第三匹配电路m33将输出阻抗匹配至射频输出端口p32的预设阻抗值(例如，50欧姆)(点9)。

需要说明的是，除了图3所示的三级输出阻抗匹配方式，也可以采用更多级的输出匹配方式。而且，第一匹配电路m31、第二匹配电路m32和第三匹配电路m33的电路组成形式不限于图3给出的具体方式，即不限于图3所示的器件选择、器件连接和器件数量，只要能够将输出阻抗匹配至预设值，本领域技术人员可以采用各种电路结构，这些都属于本申请公开的范围。

在另一个可选的实施例中，为了获得更大的放大增益，射频功率放大装置还可以包括更多级的信号放大组件。图4是根据本发明又一个实施例的射频功率放大装置的结构示意图。与图2相比，在图4中，射频功率放大装置除了包括射频输入端口p41,射频输出端口p42、第一功率放大器pa41、第一功率放大器pa41的电源src41、第二功率放大器pa42、第二功率放大器pa42的电源src42、第一相位调整器a41和第二相位调整器a42，还包括第一组功率放大器pa40。在图4中，第一组功率放大器pa40是一个功率放大器。根据一个可选的实施例，第一组功率放大器pa40可以包括多个串联的功率放大器。第一组功率放大器pa40与第一相位调整器a41的第一电容器c41的第二端以及第一电感器l41的第一端连接，第一组功率放大器pa40对输入的射频信号进行放大处理后，发送到第一相位调整器a41。

在图4所示的射频功率放大装置的结构示意图中，功率放大器是置于输入匹配网络(即第一相位调整器a41)之前的，在一个可选的实施例中，功率放大器也可以置于输出匹配网络(例如，第二相位调整器a42)之后。这样，可选的，射频功率放大装置还包括第二组功率放大器，第二组功率放大器与第二相位调整器a42的第四电容器c44的第二端以及第四电感器l44的第二端连接，用于对经所述第二相位调整器a42处理后输出的射频信号进行放大。另外，可选的，所述第二组功率放大器包括一个功率放大器或多个串联的功率放大器。

在另一个可选的实施例中，功率放大器可以置于输入匹配网络(即第一相位调整器a41)之前以及输出匹配网络(例如，第二相位调整器a42)之后。

根据本发明的另一个方面，提出一种用于5g-nr频段的射频功率放大方法，对于射频功率放大装置的任一级放大电路采用两个相位调整器分别对对射频信号进行相位调整、信号拆分和相位恢复、信号合并，能够有效提高射频功率放大器的线性功率。

根据一个具体实施例，按照图2所述的射频功率放大装置实施射频功率放大方法，包括如下步骤：

所述第一相位调整器a21接收输入的射频信号，并将所述输入的射频信号分为第一路信号与第二路信号，其中，所述第一路信号与所述第二路信号相位相差180°；

所述第一功率放大器pa21接收所述第一路信号，并将所述第一路信号进行放大处理，得到经处理的第一路信号；

所述第二功率放大器pa22接收所述第二路信号，并将所述第二路信号进行放大处理，得到经处理的第二路信号；

所述第二相位调整器a22接收所述经处理的第一路信号和所述经处理的第二路信号，将所述经处理的第一路信号和所述经处理的第二路信号的相位调整为一致并合并，得到合并后的信号并输出。

根据本发明提出的射频功率放大装置以及射频功率放大方法，以5g-nr的两个n40和n41频段为例，集电极电压vdc＝4.2v下进行仿真，得到的仿真结果如表1所示：

表1

通过表1可以看出，采用本发明提出的射频功率放大装置以及射频功率放大方法，可以达到35.3dbm以上的1db压缩点功率，超过传统射频功率放大装置架构大约2.5db。

所以，实验显示，通过本发明的用于5g-nr频段的射频功率放大装置和射频功率放大方法可以有效提高射频功率放大器的线性功率2.5db，从而达到5g-nr的系统要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。