一种射频功率放大器及应用的制作方法

本发明属于电子电路领域，尤其是涉及一种射频功率放大器及应用。

背景技术：

功率放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，使输出功率控制在特定的范围内；功率放大器由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成；被广泛用于通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

射频功率放大(rfpa)是各种无线发射机的重要组成部分，在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

射频功率放大是发送设备的重要组成部分，射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能的小，以避免对其他频道产生干扰。

射频功率放大器一般包括两级或两级以上放大电路，其工作模式一般包括：高功率模式和低功率模式。目前，射频功率放大器厂商在设计放大器的低功率模式时，通常采用“为第一级/第二级放大电路分别配置独立的低功率模式偏置电路”的方式，这种方式可以一定程度上降低放大器的功耗，但是仍然不够低，因为这种方式下的第一级/第二级放大器均需要通电，而且低功率模式要求放大器具有比较低的增益(放大倍数)，但是上述方法下由于两级放大电路均处于工作状态，其增益仍然较高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的技术问题，本发明在此的目的在于提供一种低功率模式的功耗显著低于高功率模式的射频功率放大器。

为实现本发明的目的，在此提供的射频功率放大器包括以下两种结构：

第一种，包括第一级放大电路b、第二级放大电路d和控制开关，功率放大器工作于高功率模式时，射频输入信号经所述第一级放大电路b和所述第二级放大电路d后输出；功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号经第一级放大电路b和所述控制开关后输出。

第二种，包括：

高功率模式支路，包括至少两级放大电路和用于控制该支路工作状态的第一控制开关；

低功率模式支路，包括至少一级放大电路和用于控制该支路工作状态的第二控制开关；

所述高功率模式支路在功率放大电路工作于高功率模式时，第一控制开关使所述高功率模式支路处于工作状态，对射频输入信号进行放大；

所述低功率模式支路在功率放大器工作于低功率模式时，第二控制开关使所述低功率模式支路处于工作状态，对射频输入信号进行放大。

本发明提供的射频功率放大器可以是基于单端放大器，也可以是基于差分放大器，差分结构可以显著提升功率放大器再hpm下的多种性能指标，如更高的输出功率，更高的效率；然而差分结构不利于lpm，其静态电流高于单端结构，其增益高于单端结构(lpm需要低电流低增益)。现有的关于lpm的专利都是基于单端功放的。采用本专利后，0.6v电源时，增益可以由18db左右降至最低10db以下(通常lpm需要13-15db)，静态电流可以由70ma降至10ma以下。

本发明的有益效果是：本发明提供的射频功率放大器通过控制开关实现了在低功率模式下仅一级放大电路处于工作状态，其功耗和增益都可以控制在较低的水平，降低了功率放大器在低功率模式下的功耗及增益。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之1；

图2为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之2；

图3为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之3；

图4为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之4；

图5为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之5；

图6为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之6；

图7为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之7；

图8为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之8；

图9为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之9；

图10为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之10；

图11为本发明实施例一提供的射频功率放大器的电路原理图之11；

图12为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之1；

图13为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之2；

图14为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之3；

图15为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之4；

图16为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之5；

图17为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之6；

图18为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之7；

图19为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之8；

图20为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之9；

图21为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之10；

图22为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之11；

图23为本发明实施例二提供的第一级放大电路b2的电路原理图；

图24为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之12；

图25为本发明实施例二提供的射频功率放大器的电路原理图之13；

图26～31为本发明提供的低功率模式输出匹配电路g/低功率模式输出匹配电路g1的电路图；

图32～36为本发明提供的第二输出匹配电路f/第二输出匹配电路f1的电路图；

图37为本发明提供的偏置电路的电路图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

本发明为了解决现有的射频功率放大器处于低功率模式时，功耗高，增益仍然较高的技术问题，提供了一种射频功率放大器，该功率放大器实现了在低功率模式下，功率放大器中只有一级放大电路处于工作状态，使其功耗和增益均可以控制在较低的水平。

本发明提供的射频功率放大器包括以下几种实施结构。

实施例一

参照图1，本实施例提供的射频功率放大器包括第一级放大电路b、第二级放大电路d和控制开关，功率放大器工作于高功率模式时，射频输入信号经第一级放大电路b和第二级放大电路d后输出；功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号经第一级放大电路b和控制开关后输出。

以上射频功率放大器结构通过控制开关实现了在不同模式下的切换。

参照图2-10所示，在本实施例中，射频功率放大器还包括以下功能电路之一或任意组合；其中图2为包含了以下输入匹配电路a的原理图，图3为包含了以下高功率模式第一级偏置电路h的原理图；图4为包含了以下低功率模式第一级偏置电路k的原理图；图5为包含了以下高功率模式第二级偏置电路i的原理图；图6为包含了以下中间级匹配电路c的原理图，图7为包含了以下第一输出匹配电路e和第二输出匹配电路f的原理图，图8为包含了以下低功率模式输出匹配电路g的原理图；图9为包含了以下高功率模式第一级偏置电路h、低功率模式第一级偏置电路k、高功率模式第二级偏置电路i和中间级匹配电路c的原理图；图10为包含了以下全部功能电路的原理图。

输入匹配电路a，用于将射频输入信号匹配至第一级放大电路b；

高功率模式第一级偏置电路h，在功率放大器工作于高功率模式时为第一放大电路b提供偏置信号；

低功率模式第一级偏置电路k，在功率放大器工作于低功率模式时为第一放大电路b提供偏置信号；

高功率模式第二级偏置电路i，为第二放大电路d提供偏置信号；

中间级匹配电路c，用于匹配第一级放大电路b和第二级放大电路d之间射频信号的；

第一输出匹配电路e，在功率放大器工作于高功率模式时，用于将第二级放大电路b输出的射频信号进行输出匹配；

第二输出匹配电路f，用于射频信号进行输出匹配；

低功率模式输出匹配电路g，在功率放大器工作于低功率模式时，用于将第一级放大电路b输出的射频信号进行输出匹配。

以上高功率模式第一级偏置电路h、低功率模式第一级偏置电路k、高功率模式第二级偏置电路i以及控制开关受控制器产生的控制信号控制；在功率放大器工作于高功率模式时，控制器控制高功率模式第一级偏置电路h、高功率模式第二级偏置电路i分别为第一级放大电路b、第二级放大电路d提供偏置信号；在功率放大器工作于低功率模式时，控制器控制低功率模式第一级偏置电路k为第一级放大电路b提供偏置信号，并控制控制开关闭合。

本实施例在此以提供的射频功率放大器包括了输入匹配电路a、第一级放大电路b、中间级匹配电路c、第二级放大电路d、第一输出匹配电路e、第二输出匹配电路f、低功率模式输出匹配电路g、高功率模式第一级偏置电路h、低功率模式第一级偏置电路k、高功率模式第二级偏置电路i以及控制开关(包括第一开关s1为例)对本发明提供的射频功率放大器进行详细说明。

如图10所示，输入匹配电路a包括电容c1、电容c2和电感l1，第一级放大电路b包括三极管q1，中间级匹配电路c包括电容c3、变压器t1、电容c4和电容c5，第二级放大电路d包括三极管q2和三极管q3，三极管q2和三极管q3构成差分放大器结构；第一输出匹配电路e包括电容c6、电容c7和变压器t2，第一输出匹配电路e将差分转单端。

射频输入加载于电容c1的第一极板上，电容c2的第二极板接电容c2的第一极板并经电感l1接地，电容c2的第二极板接三极管q1的基极；三极管q1的发射极接地，集电极作为输出端接变压器t1的1端；变压器t1的1端还经电容c3接地，2端接电源vcc2，3端经电容c4接三极管q2的基极，4端经电容c5接三极管q3的基极；三极管q2和三极管q3的发射极基地，集电极分别接变压器t2的1端和2端；变压器t2的1端和2端之间串联有电容c6，5端接电源vcc2，3端和4端作为输出端接第二输出匹配电路f；变压器t2的3端还经电容c7接地。

第一开关s1的一端接三极管q1的集电极，另一端经低功率模式输出匹配电路g接第二输出匹配电路f；高功率模式第一级偏置电路h和低功率模式第一级偏置电路k分别经电阻r1和电阻r2为第一级放大电路b提供偏置信号；高功率模式第二级偏置电路i经电阻r3、电阻r4为第二级放大电路d提供偏置信号。

当功率放大器工作于高功率模式时，第一开关s1断开，高功率模式第一级偏置电路h和高功率模式第二级偏置电路i分别为第一级放大电路b和第二级放大电路d提供偏置信号。射频输入信号经输入匹配电路a、第一级放大电路b、中间级匹配电路c、第二级放大电路d、第一输出匹配电路e和第二输出匹配电路f后射频输出。

当功率放大器工作于低功率模式时，第一开关s1闭合，低功率模式第一级偏置电路k向第一级放大电路b提供偏置信号。射频输入信号经输入匹配电路a、第一级放大电路b、第一开关s1、低功率模式输出匹配电路g和第二输出匹配电路f后射频输出。

本实施例提供的射频功率放大器中的控制开关可以是采用独立的第一开关s1，如图1-图10所示；也可以包括多个独立的开关，如图11所示，控制开关包括第一开关s1和第二开关s2，第一开关s1与低功率模式输出匹配电路g的输入端连接，第二开关s2与低功率模式输出匹配电路g输出端连接。

当功率放大器工作于高功率模式时，第一开关s1断开，或第二开关s2断开，或者第一开关s1和第二开关s2均断开；当功率放大器工作于低功率模式时，射频输入信号经第一开关s1、低功率模式输出匹配电路g、第二开关s2和第二输出匹配电路f后射频输出。在低功率模式输出匹配电路g的输入输出端分别连接第一开关s1、第二开关s2，使得在高功率模式下，低功率模式输出匹配电路g不会影响高功率模式输入匹配电路a和中间级匹配电路c的匹配网络，保证了功率放大器的效率，尤其是在高功率模式下第一开关s1和第二开关s2均断开，更保证了功率放大器的效率。

实施例二

如图12所示，本实施例提供的射频功率放大器包括：

高功率模式支路，包括至少两级放大电路和用于控制该支路工作状态的第一控制开关；

低功率模式支路，包括至少一级放大电路和用于控制该支路工作状态的第二控制开关；

高功率模式支路在功率放大电路工作于高功率模式时，第一控制开关使高功率模式支路处于工作状态，对射频输入信号进行放大；

低功率模式支路在功率放大电路工作于低功率模式时，第二控制开关使低功率模式支路处于工作状态，对射频输入信号进行放大。

如13-22所示，在本实施例中，射频功率放大器还包括以下功能电路之一或任意组合；其中图13为包含了以下高功率模式输入匹配电路a1的原理图，图14为包含了以下低功率模式输入匹配电路a2的原理图；图15为包含了以下低功率模式偏置电路的原理图；图16、图17为包含了以下高功率模式偏置电路；图18为包含了以下中间级匹配电路c1的原理图，图19为包含了以下第一输出匹配电路e1和第二输出匹配电路f1的原理图，图20为包含了以下低功率模式输出匹配电路g1的原理图；图21为包含了以下高功率模式偏置电路和低功率模式偏置电路的原理图；图22为包含了以下全部功能电路的原理图。

高功率模式输入匹配电路a1，射频输入信号经第一控制开关加载于高功率模式输入匹配电路a1后匹配至高功率模式支路中的第一级放大电路；

中间级匹配电路c1，用于匹配相邻两级放大电路；

第一输出匹配电路e1，用于对射频输出信号进行匹配；

高功率模式偏置电路，用于提供放大电路的偏置信号；

低功率模式输入匹配电路a2，射频输入信号经第二控制开关加载于低功率模式输入匹配电路a2后匹配至低功率模式支路中第一级放大电路；

低功率模式输出匹配电路g1，用于将低功率模式支路中放大电路输出的射频信号进行输出匹配；

第二输出匹配电路f1，用于射频信号进行输出匹配。

以上高功率模式偏置电路、低功率模式偏置电路、第一控制开关和第二控制开关受控制器产生的控制信号控制；在功率放大器工作于高功率模式时，控制器控制高功率模式偏置电路为低功率模式支路中的放大器提供偏置信号，并控制第一控制开关闭合，第二控制开关断开；在功率放大器工作于低功率模式时，控制器控制低功率模式偏置电路为低功率模式支路中的放大电路提供偏置信号，并控制第一控制开关断开，第二控制开关闭合。

本实施例在此以提供的射频功率放大器包括了高功率模式输入匹配电路a1、第一级放大电路b1、第一级放大电路b2、中间级匹配电路c1、第二级放大电路d1、第一输出匹配电路e1、第二输出匹配电路f1、低功率模式输入匹配电路a2、低功率模式输出匹配电路g1、第一控制开关包括第三开关s3、第二控制开关包括第四开关s4、高功率模式偏置电路和低功率模式偏置电路为例对本发明提供的射频功率放大器进行详细说明。

其中第三开关s3、高功率模式输入匹配电路a1、第一级放大电路b1、中间级匹配电路c1、第二级放大电路d1和第一输出匹配电路e1构成高功率模式支路；第四开关s4、低功率模式输入匹配电路a2、第一级放大电路b2和低功率模式输出匹配电路g1构成低功率模式支路；高功率模式支路和低功率模式支路共用第二输出匹配电路f1。在此与放大电路级数相匹配的高功率模式偏置电路包括在高功率模式下分别为第一级放大电路b1和第二级放大电路d提供偏置信号的高功率模式第一级偏置电路h1、高功率模式第二级偏置电路i1，高功率模式第一级偏置电路h1经电阻r6为第一级放大电路b1提供偏置信号，高功率模式第二级偏置电路i1经电阻r7、电阻r8为第二级放大电路d1提供偏置信号；低功率模式偏置电路包括在低功率模式下为第一级放大电路b2提供偏置信号的低功率模式第一级偏置电路k1，低功率模式第一级偏置电路k1经电阻r5为第一级放大电路b2提供偏置信号。

本实施例中，高功率模式输入匹配电路a1和低功率模式输入匹配电路a2的电路结构与实施例一中的输入匹配电路a的电路结构相同；第一级放大电路b1的电路结构与实施例一中的第一级放大电路b的电路结构相同；第二级放大电路d1的电路结构与实施例一中的第二级放大电路d的电路结构相同。

本实施例中第一级放大电路b2包括三极管q4，三极管q4的基极作为输入端，集电极经电感l2接电源vcc1，发射极接地；如图23所示。

本实施例中，中间级匹配电路c1包括变压器t3，变压器t3的1端接第一级放大电路b1的输出端，2端接电源vcc1；变压器t3的3端、4端分别经电容c8、电容c9分别接第二级放大电路d的输入端；第一输出匹配电路e包括变压器t4、电容c10和电容c11，第二级放大电路d的输出端接变压器t4的1端、2端；变压器t4的3端经电容c11接地，4端接第二输出匹配电路f1；电容c10串联于变压器t4的1端、2端之间。

当功率放大器工作于高功率模式时，第三开关s3闭合、第四开关s4断开，高功率模式第一级偏置电路h1和高功率模式第二级偏置电路i1分别为第一级放大电路b1和第二级放大电路d1提供偏置信号。射频输入信号经第三开关s3、高功率模式输入匹配电路a1、第一级放大电路b1、中间级匹配电路c1、第二级放大电路d1、第一输出匹配电路e1和第二输出匹配电路f1后射频输出。

当功率放大器工作于低功率模式时，第三开关s3断开，第四开关s4闭合，低功率模式第一级偏置电路k1向第一级放大电路b2提供偏置信号。射频输入信号经第四开关s4、低功率模式输入匹配电路a2、第一级放大电路b2、低功率模式输出匹配电路g1和第二输出匹配电路f1后射频输出。

本实施例提供的射频功率放大器中的第二控制开关可以是采用独立的第四开关s4，如图13-图22所示；也可以包括多个独立的开关，各开关之间为串联关系，如图24所示，控制开关包括第四开关s4和第五开关s5，第四开关s4和第五开关s5的电路连接关系可以如图24、25所示。

当功率放大器工作于高功率模式时，第四开关s4断开，或第五开关s5断开，或者第四开关s4和第五开关s5均断开。设置第四开关s4和第五开关s5，使得在高功率模式下，低功率模式输入匹配电路g1不会影响高功率模式输入匹配电路a1和中间级匹配电路c1的匹配网络，保证了功率放大器的效率，尤其是在高功率模式下第四开关s4和第五开关s5均断开，更保证了功率放大器的效率。

本文中记载的低功率模式输出匹配电路g、低功率模式输出匹配电路g1可以采用以下电路结构之一：

1)包括电感l3，如图26所示；

2)包括电感l3和电容c12，如图27所示；

3)包括电感l3、电容c12和电容c13，如图28所示；

4)为导线，如图29所示；

5)包括电容c12，如图30所示；

6)包括电容c12和电容c13，如图31所示。

本文中记载的第二输出匹配电路f、第二输出匹配电路f1可以采用以下电路结构之一：

1)包括电容c14，如图32所示；

2)包括电感l4和电容c14，如图33-图35所示；

3)包括电感l4，如图36所示。

本文记载的偏置电路可以采用现有的任何一种，本文在此采用如图37所示的偏置电路。如图37所示，包括二极管d1、二极管d2和三极管q5，二极管d1的阳极接电源，阴极接二极管d2的阳极，二极管d2的阴极接地；二极管d1的阳极还与三极管q5的基极连接，三极管q5的发射极接地集电极作为输出端用于向放大电路提供偏置信号。

高频偏置电路、低频偏置电路的输出电压、电流以及电阻根据对应的模式进行适配设置即可。

本文为不同的模式匹配了不同的偏置电路，实现了对两种不同模式的适配，进一步保证了高功率下的增益，低功率模式下的低功率。

本文公开的射频功率放大器通过控制开关在不同的工作模式下的导通状态，实现了在功率放大器工作于低功率模式时，功率放大器中仅一路放大电路处于工作状态，降低了电路的功耗及增益。尤其是将本发明基于差分放大器的lpm实现方式时，不仅可以显著提升功率放大器再hpm下的多种性能指标，如更高的输出功率，更高的效率；然而差分结构不利于lpm，其静态电流高于单端结构，其增益高于单端结构(lpm需要低电流低增益)。现有的关于lpm的专利都是基于单端功放的。采用本专利后，0.6v电源时，增益可以由18db左右降至最低10db以下(通常lpm需要13-15db)，静态电流可以由70ma降至10ma以下。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。