一种带宽可重构的高效率分布式功率放大器

本发明涉及通信滤波器件，尤其涉及一种具有连续频率可调特性的带宽可重构的高效率分布式功率放大器。

背景技术：

近20年来，在2-18ghz的频带上，多倍频程的宽带功率放大器越来越被重视，具有宽带特性的分布式放大器是很适合的拓扑结构，目前分布式功率放大器的设计有以下几种方式:(1)采用ndpa的结构，这种结构利用分布式放大器的行波结构、电流叠加的特点，各级晶体管输出端的功率匹配可以与各级人造漏极传输线的特征阻抗建立联系，从而可以控制各级漏极传输线的特征阻抗来实现晶体管输出端的功率匹配，进而完成高输出功率与高效率的功率放大器的设计；(2)基于独立偏置的分布式功率放大器结构，这种结构的设计是基于对于传统分布式放大器的分析，这种结构是均匀式结构，各级晶体管漏极统一偏置，因为电流是从第一级到末级增加的，导致从第一级晶体管到最后一级晶体管，晶体管的输出功率是逐渐增大的，这就意味着只有最后一级晶体管可以输出饱和功率，而前面的各级晶体管与最后一级的直流功耗相同，那么前面各级晶体管的输出电压摆幅无疑是浪费掉的，所以提出了独立偏置结构，如附图1所示，zd为漏极传输线的特征阻抗，zg为栅极传输线的特征阻抗，rg为栅极传输线的终端电阻，用来提供良好的匹配，c为电容，起到隔离各个晶体管不同的漏极电压的作用，l为电感，与电容一起组成一个高通滤波器，再与漏极传输线结合组成一个带通的结构，同时l的更重要的作用是馈电漏极电压，lg是栅极馈电的扼流圈，这种结构的原理是第一级到末级晶体管的漏极偏置电压呈线性增加的关系(最左面晶体管为第一级，向右级数依次增加)，这样就不会浪费掉晶体管的输出电压摆幅，各级晶体管都等效工作在a类工作状态，从而理论上这种基于独立偏置的分布式功率放大器结构可以有50％的效率，但是实际效果因为较多非理想因素，并没有很好的效率呈现。

然而，以上两类放大器存在的问题是受限于宽带匹配本身，根据bode-fano准则，匹配的带宽与匹配的效果是成反比的，也就是说带宽越宽，匹配的效果越差，对于功率放大器来说，宽带的结构相对于窄带的结构，效率会低，效率受到固有的频带限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种带宽可重构的高效率分布式功率放大器。

本发明的目的是这样实现的，提供一种带宽可重构的高效率分布式功率放大器，包括并联设置在输入传输线和输出传输线之间的多个增益模块，输入传输线和输出传输线上均串联有多个阻抗元件，每个所述增益模块插接设置在两个阻抗元件之间，每个增益模块包括晶体管，晶体管的栅极通过并联的电容c和电阻r与输入传输线连接，晶体管的漏极连接输出传输线；至少一个阻抗元件被设置为可重构阻抗元件，至少一个所述电容c上并联有一个可重构电容单元。

优选的，所述输出传输线上设置有多个独立偏置，所述输入传输线上共用一个偏置，以实现晶体管的独立偏置控制。

优选的，包括五个所述增益模块，从输入端到输出端依次为：第一级增益模块、第二级增益模块、第三级增益模块、第四级增益模块和第五级增益模块；第一级增益模块至第三级增益模块之间的输入传输线和输出传输线均被设置为可重构的传输线，所述可重构的传输线由主级线圈、设置在主级线圈内的次级线圈以及加在次级线圈中的控制开关组成，主级线圈通过端口1、端口2和端口3依次连接第一级增益模块、第二级增益模块和第三级增益模块，通过切换次级线圈中控制开关的状态实现传输线阻抗的可重构。

优选的，所述可重构电容单元包括相互并联的电容c1和c2，电容c2上串联有第一开关管，通过切换所述第一开关管的状态实现可重构电容单元等效容值的可重构。

优选的，当第一开关管导通时，第一开关管等效为电阻；第一开关管关断时，第一开关管等效为电容，且所述电容的容值远小于c2。

优选的，在输入传输线的终端电阻上并联有可调电阻单元，可调电阻单元包括互相并联的电阻r1和r2,电阻r2上串联有第二开关管，通过切换第二开关管的状态实现可调电阻单元的等效阻值的可重构。

优选的，当第二开关管导通时，第二开关管等效为电阻；第二开关管关断时，第二开关管等效为电容，且使得可调电阻单元的等效阻值为r1。

优选的，所述主级线圈和次级线圈均为变压器线圈，主级线圈为对称结构，端口1与端口2之间的线圈段和端口2与端口3之间的线圈段的等效长度相同。

优选的，第二级增益模块与第三级增益模块之间以及第三级增益模块与第四级增益模块之间的输出传输线上分别串联有一个隔直电容。

优选的，当所述控制开关和第二开关管处于关断状态，且第一开关管处于导通状态时，放大器的工作频段为2ghz-10ghz；当控制开关和第二开关管处于导通状态，且第一开关管处于关断状态时，放大器的工作频段为10ghz-18ghz。

本发明的显著进步性主要体现在：

所提供的一种带宽可重构的高效率分布式功率放大器，可实现2-10ghz与10-18ghz两个放大器工作频段的可重构，打破了带宽对于效率的限制，将2-18ghz的宽带功率放大器的功率附加效率提升到25％以上。此外，基于放大器电路结构的设置，本发明与已有的2-18ghz功率放大器芯片相比，面积较小(3.6*1.7mm²)，更能满足小型化的需求。

附图说明

图1为现有的独立偏置分布式放大器电路原理图；

图2为本发明实施例的分布式功率放大器的电路原理图；

图3为本发明实施例的可重构传输线的结构示意图；

图4为本发明实施例的可重构电容单元的等效示意图；

图5为本发明实施例的可调电阻单元的等效示意图；

图6为本发明实施例的分布式功率放大器仿真效率曲线图；

图7为本发明实施例的分布式功率放大器仿真输出功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的阐述说明，应该说明的是，本发明的实施方式并不限于所提供的实施例。

参阅图2中所示，在本发明实施例方案中，一种带宽可重构的高效率分布式功率放大器，包括连接在信号输入端in的输入传输线，连接在信号输出端out的输出传输线，以及并联设置在输入传输线和输出传输线之间的多个增益模块，输入传输线和输出传输线上均串联有多个阻抗元件，且每个所述增益模块插接设置在两个阻抗元件之间，每个增益模块包括晶体管(q1、q2、q3、q4、q5)，晶体管的栅极通过相互并联的电容c和电阻r与输入传输线连接，晶体管的漏极连接输出传输线，所述电阻r，起到直流馈电的作用；至少一个阻抗元件被设置为可重构阻抗元件，至少一个所述电容c上并联有一个可重构电容单元。可以理解的是，所述的阻抗元件包括电容、电感、电阻元件当中的任一种，作为一种优选的，参阅图2中所示，本实施例中采用电感元件，zd为输出传输线上串联的电感元件的特性阻抗，zg为输入传输线上串联的电感元件的特性阻抗。可重构阻抗元件可理解为阻抗元件在电路中的特性阻抗可切换改变，同样的，可重构电容单元可理解为电容值可改变的电容单元。本实施例中，通过在分布式放大器电路中设置可重构阻抗元件和可重构电容单元，实现不同zg、zd的等效感值以及可重构电容单元不同等效容值的切换，进一步实现上行放大器截止频率的切换，从而完成了放大器工作频段的切换，相当于实现了多个不同工作频段的放大器的设计，提高了集成度。进一步的，基于本实施例的放大器，可将一个较宽的工作频段划分为多个较小的工作频段，这样放大器的工作频段就缩小了，从而相对于较宽的整体工作频段，效率获得了提升，即通过缩短带宽、再切换带宽来打破频带对于效率的限制。

作为一种优选的实施方式，本实施例的放大器包括五个所述增益模块，从输入端到输出端依次为：第一级增益模块、第二级增益模块、第三级增益模块、第四级增益模块和第五级增益模块；第一级增益模块至第三级增益模块之间的输入传输线和输出传输线均被设置为可重构的传输线，参阅图2和图3所示，可重构的输入传输线和可重构的输出传输线具有相同的结构，可重构的传输线由主级线圈、设置在主级线圈内的次级线圈以及加在次级线圈中的控制开关sw(sw1、sw2)组成，主级线圈通过端口1、端口2和端口3顺次连接第一级增益模块、第二级增益模块和第三级增益模块，端口1与端口2之间的线圈段以及端口2与端口3之间的线圈段均相当于传输线，通过次级线圈中控制开关的通断来改变端口1与端口2之间以及端口2与端口3之间等效传输线的长度，即实现传输线等效电感值的重构。可以理解的是，端口1与端口2之间以及端口2与端口3之间是通过带有控制开关的次级线圈去调节主级线圈的电感，当控制开关处于关断状态时，端口1和端口2之间以及端口2和端口3之间的等效电阻主要由主级线圈的寄生电阻贡献，等效电感基本等于主级线圈的自感，即等效传输线的长度为主级线圈本身；而在控制开关处于导通状态时，端口1和端口2之间以及端口2和端口3之间的等效电阻由主级线圈、次级线圈的寄生电阻以及控制开关的寄生电阻贡献，等效电感相对于主级线圈的自感减小，此时的等效传输线的长度相对于主线圈本身是减小的，由此可在不同开关状态下实现等效感值的切换，从而可匹配放大器不同的工作频段。进一步优选的，所述主级线圈和次级线圈均为变压器线圈，主级线圈为对称结构，且端口1与端口2之间的线圈段和端口2与端口3之间的线圈段的等效长度相同。

作为一种优选的实施方式，参阅图4中的(a)图所示为本实施例的可重构电容单元的原理图，所述可重构电容单元包括相互并联的电容c1和c2，电容c2上串联有第一开关管swc，通过切换所述第一开关管swc的通断状态实现可重构电容单元等效容值的可重构。进一步的，图4中的(b)图为第一开关管导通状态下的等效电路图，当第一开关管导通时，会引入一部分损耗，第一开关管等效为寄生电阻ron，此时可重构电容单元的等效容值为c1与c2的容值和；图4中的(c)图为第一开关管关断状态下的等效电路图，第一开关管关断时，第一开关管引入寄生电容coff，由于第一开关管以寄生电容coff的形式与电容c2串联，且配置为第一开关管的寄生电容coff远小于c2，此时可重构电容单元的等效容值为寄生电容coff与c1的容值和。由此，通过可重构电容单元实现等效容值的切换，以匹配放大器不同的工作频段。作为一种优选的，参阅图2中所示，在第一、第三、第四和第五级增益模块的电容c上分别并联有一个可重构电容单元,各可重构电容单元(csw1、csw2、csw3、csw4、)通过切换其第一开关管通断状态实现容值的可重构。

作为一种优选的实施方式，在输入传输线的终端电阻上并联有可调电阻单元rsw，参阅图5中的(a)图所示为本实施例的可调带电阻单元的原理图，可调电阻单元包括互相并联的电阻r1和r2,电阻r2上串联有第二开关管swr，通过切换第二开关管swr的通断状态实现可调电阻单元的等效阻值的可重构。进一步的，参阅图5中的(b)图所示为第二开关管导通状态下的等效电路图，当第二开关管导通时，会引入开关管的寄生电阻ron，寄生电阻与r2串联，再一起与r1并联；参阅图5中的(c)图所示为第二开关管关断状态下的等效电路图，当第二开关关断时，会引入第二开关管的寄生电容coff，可配置第二开关管的栅宽足够小，使得第二开关管在关断状态下的寄生电容coff也会足够小，以使得此时第二开关管的支路对于所需频带为开路，此时可调电阻单元的等效阻值只为r1，如此实现了放大器两个工作频段中的两个阻值。

作为一种优选的实施方式，当所述控制开关和第二开关管处于关断状态，且第一开关管处于导通状态时，放大器的工作频段为2ghz-10ghz；当控制开关和第二开关管处于导通状态，且第一开关管处于关断状态时，放大器的工作频段为10ghz-18ghz。可以理解的是，在本实施例中，切换放大器的工作频段2-10ghz与10-18ghz，是在切换放大器的上行截至频率，而下行截止频率没必要切换，相当于设计2-10ghz放大器与2-18ghz放大器，而对于2-18ghz放大器，只优化10-18ghz的增益与效率即可。依据分布式放大器的原理，上行截止频率分别为10ghz与18ghz，因此要求2-10ghz频段放大器的zg、zd的等效感值和可重构电容单元的等效容值要比10-18ghz频段的大。基于此，当第一开关管处于导通状态时，可重构电容单元的等效容值被重构为大电容，对应在2-10ghz频段；而当第一开关管处于关断状态时，可重构电容单元的等效容值被重构为小电容，对应在10-18ghz频段；当所述控制开关处于关断状态时，主级线圈端口1和端口2之间与端口2和端口3之间的等效传输线的长度为主级线圈本身，对应在2-10ghz频段，当所述控制开关处于关断状态时，主级线圈上端口1和端口2之间与端口2和端口3之间的等效传输线的长度为主级线圈本身，其大于当所述控制开关处于导通状态时对应的等效传输线的长度，即控制开关导通状态下对应的zg、zd的等效感值大于控制开关处于关断状态下的等效感值。

作为一种优选的实施方式，所述输出传输线上设置有多个独立偏置，所述输入传输线上共用一个偏置，以实现晶体管的偏置控制。作为一种优选的，如图2中所示，在第一级增益模块、第三级增益模块和第五增益模块的晶体管的漏极依次加载有偏置电压vd1、vd2以及vd3，并通过扼流圈进行供电，输入传输线终端加载一个共用偏置电压vg。可以理解的是，可通过切换以上实施例中的控制开关、第一开关管和第二开关管的偏置电压，实现对控制开关、第一开关管和第二开关管的通断状态的改变，从而可以较为快捷的实现放大器工作频带的切换。

作为一种优选的实施方式，第二级增益模块与第三级增益模块之间以及第三级增益模块与第四级增益模块之间的输出传输线上分别串联有一个隔直电容cd，隔直电容cd作用之一在于起到隔离各个晶体管不同的漏极电压的作用。

如图6所示，为本发明实施例的带宽可重构的高效率分布式功率放大器的效率(pae)的仿真结果，在28dbm的输入功率下，在2.4-17.8ghz的频段上实现了>25％的效率，其中峰值pae为37％。如图7所示，为本发明实施例的带宽可重构的高效率分布式功率放大器的输出功率(pout)的仿真结果，在28dbm的输入功率下，在2.4-18ghz的频段上实现了>33dbm的输出功率，其中峰值输出功率为35.8dbm。

应该说明的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。