射频功率放大电路及射频功率放大器的制作方法

1.本发明涉及射频功率放大器技术领域，具体涉及一种射频功率放大电路及射频功率放大器。


背景技术：

2.射频射频功率放大器是各种无线通信应用中必不可少的关键部件，广泛应用在手机、移动终端等无线通信系统中，负责将收发信机输出的已调制射频信号进行功率放大到一定的功率值，再通过天线发射出去，以满足无线通信所需射频信号的功率要求。
3.在4g/5g通信标准下，对于射频射频功率放大器的发射功率要求必须大于20dbm，随着城市基站覆盖越来越密集，当手机离基站距离很近时，为保证手机具有很高的效率，要求手机的发射功率等级往往只有0-10dbm。因此，在3g/4g/5g/wifi6通信系统中，射频射频功率放大器大部分时间工作在中低功率状态下，导致平均效率很低，严重影响电池的使用时间，缩短了手机通话时间。
4.现有的提高射频射频功率放大器效率的方法中，常见的有动态电源控制技术以及多模射频功率放大器技术。其中，动态电源控制技术即是采用降压型dc-dc开关调节器来驱动射频射频功率放大器，通过动态调节射频射频功率放大器的供电电压，使其刚好能够满足射频射频功率放大器中射频信号的幅度要求，从而达到提高效率的目的，但动态电源控制技术需要使用专门的dc-dc开关调节器，极大的增加了射频射频功率放大器的电路复杂程度及生产成本。另外，多模射频功率放大器包括低功率、中功率和高功率这三种放大路径，每个功率放大路径上都包括有第一开关电路、输入匹配电路、功率放大模块，输出匹配电路和第二开关电路，需要针对每个模式开发单独的功率放大路径，设计周期长，开发成本高，占用面积大。
5.因此，目前迫切需要一种能够提高效率、降低电源功耗以及节约成本的射频射频功率放大器。


技术实现要素：

6.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种射频功率放大电路及射频功率放大器，其根据总栅宽将射频功率放大器的phemt器件分成多组并联，通过多组偏置电压的不同组合，控制多组并联电路的选通组合，从而使得射频功率放大器在达到不同输出功率等级的同时保持较高的效率，减少电源功耗，降低成本。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种射频功率放大电路，其用于调整射频功率放大器的输出功率，包括：
8.输入端，其用于输入信号；
9.功率放大模块，其包括多组并联接入所述输入端的功率放大子单元，且所述功率放大子单元的数量根据所述射频功率放大器的总栅宽进行划分；
10.输出端，其与并联的多组所述功率放大子单元连接；
11.其中，所述功率放大模块包括多组偏置电压子单元，每组所述偏置电压子单元包括偏置电路以及连接所述偏置电路的偏置电压输入端，多组所述偏置电路一一对应的连接多组所述功率放大子单元，通过多组偏置电压的不同组合，控制对应的功率放大子单元的选通，以调整所述输出端的输出功率。
12.在本发明的一个实施例中，当需要调整所述输出端的输出功率时，所述偏置电压输入端为其中至少一个功率放大子单元提供高偏置电压或低偏置电压，控制该功率放大子单元选通或不选通。
13.在本发明的一个实施例中，其中一个功率放大子单元的工作状态不影响其他功率放大子单元的工作状态。
14.在本发明的一个实施例中，在所述偏置电压输入端为其中至少一个功率放大子单元提供高偏置电压时，该至少一个功率放大子单元进入工作状态。
15.在本发明的一个实施例中，在所述偏置电压输入端为其中至少一个功率放大子单元提供低偏置电压时，该至少一个功率放大子单元进入等待状态。
16.在本发明的一个实施例中，每组所述偏置电压子单元还包括多组偏置电压输出端，多组所述偏置电压输出端一一对应的连接多组所述功率放大子单元。
17.在本发明的一个实施例中，还包括控制电压端口，所述控制电压端口连接所述偏置电路。
18.在本发明的一个实施例中，还包括供电电压端口，多组功率放大子单元并联接入所述供电电压端口。
19.在本发明的一个实施例中，还包括：
20.输入匹配模块，其连接于所述输入端与所述功率放大模块之间；
21.输出匹配模块，其连接于所述功率放大模块与所述输出端之间。
22.此外，本发明还提供了一种射频功率放大器，包括如上述所述的射频功率放大电路。
23.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
24.本发明根据总栅宽将射频功率放大器的phemt器件分成多组并联，通过多组偏置电压的不同组合，控制多组并联电路的选通组合，从而使得射频功率放大器在达到不同输出功率等级的同时保持较高的效率，减少电源功耗，降低成本。
附图说明
25.图1是本发明一种射频功率放大电路的电路原理图。
26.图2是本发明一种射频功率放大电路的一个优选实施例的电路原理图。
27.图3是本发明一种射频功率放大电路的输出功率及效率测试曲线示意图。
28.图中标号说明：10、输入端；20、功率放大子单元；31、偏置电路；32、偏置电压输入端；33、偏置电压输出端；40、输出端；50、控制电压端口；60、输入匹配模块；70、输出匹配模块。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以
更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
30.实施例一
31.请参阅图1所示，本发明实施例提供了一种射频功率放大电路，其用于调整射频功率放大器的输出功率，包括：
32.输入端10，其用于输入信号；
33.功率放大模块，其包括多组并联接入所述输入端的功率放大子单元20，且所述功率放大子单元20的数量根据所述射频功率放大器的总栅宽进行划分；
34.输出端40，其与并联的多组所述功率放大子单元20连接；
35.其中，所述功率放大模块包括多组偏置电压子单元，每组所述偏置电压子单元包括偏置电路31以及连接所述偏置电路31的偏置电压输入端32，多组所述偏置电路31一一对应的连接多组所述功率放大子单元20，通过多组偏置电压的不同组合，控制对应的功率放大子单元20的选通，以调整所述输出端40的输出功率。
36.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，本实施例根据总栅宽将射频功率放大器的phemt器件分成多组并联，通过多组偏置电压的不同组合，控制多组并联电路的选通组合，从而使得射频功率放大器在达到不同输出功率等级的同时保持较高的效率，减少电源功耗，降低成本。
37.在一个优选的实施例中，为达到适合的输出功率，通常我们所采用的器件总栅宽为16mm，将射频功率放大器电路中的phemt器件分成三组彼此并联，分别为s1、s2、s3，其中s1的栅宽为8mm，s2的栅宽为6mm，s3的栅宽为2mm，s1、s2、s3对应的每组phemt器件电路中的偏置电路，提供偏置电压vbias1、vbias2、vbias3，通过不同偏置电压的组合，从而控制三组器件的选通。
38.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，上述偏置电压输入端32能够调整通路中偏置电压的高低状态，当需要调整所述输出端40的输出功率时，所述偏置电压输入端32为其中至少一个功率放大子单元20提供高偏置电压或低偏置电压，控制该功率放大子单元20选通或不选通。并且，其中一个功率放大子单元20的工作状态不影响其他功率放大子单元20的工作状态。
39.在一个优选的方案中，在所述偏置电压输入端32为其中至少一个功率放大子单元20提供高偏置电压时，该至少一个功率放大子单元20进入工作状态；在所述偏置电压输入端32为其中至少一个功率放大子单元20提供低偏置电压时，该至少一个功率放大子单元20进入等待状态。
40.继续上述一个优选的实施例，s1、s2、s3中的任意一个功率放大子单元20的工作状态不影响其他功率放大子单元20的工作状态，例如当s1对应的偏置电压输入端32提供高偏置电压时，s1对应的功率放大子单元20被选通，即该功率放大子单元20由待机状态进入工作状态，其状态的切换不影响s2、s3对应的功率放大子单元20的状态的切换，只有当s2和s3对应的偏置电压发生改变时，才会改变s2、s3对应的功率放大子单元20的状态。
41.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，每组所述偏置电压子单元还包括多组偏置电压输出端33，多组所述偏置电压输出端33一一对应的连接多组所述功率放大子单元20。这里的偏置电压输出端33与偏置电压输入端32相对应，即当偏置电压输入端32输入为高偏置电压时，那么偏置电压输出端33输出为高偏置电压，同样的，当偏置电压输入端32输
入为低偏置电压时，那么偏置电压输出端33输出为低偏置电压，即偏置电压的输入与输出之间是保持一致的。
42.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，本实施例射频功率放大电路还包括控制电压端口50，所述控制电压端口50连接所述偏置电路31，通过控制电压端口50能够调整通路中控制电压的高低状态。
43.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，本实施例射频功率放大电路还包括供电电压端口，多组功率放大子单元并联接入所述供电电压端口，通过所述供电电压端口为多组功率放大子单元供电。
44.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，本实施例射频功率放大电路还包括输入匹配模块60和输出匹配模块70，所述输入匹配模块60连接于所述输入端10与所述功率放大模块之间，所述输出匹配模块70连接于所述功率放大模块与所述输出端40之间。
45.在本发明公开的一种射频功率放大电路中，请参阅图3所示，图3本发明一种射频功率放大电路的输出功率及效率测试曲线示意图，从图中能够看出来，本发明根据不同的输出功率等级要求，选通不同的总栅宽phemt器件进入工作状态，保持在不同功率等级下发射效率达到40％以上。
46.通信标准下，无线通信系统中主流的2g、3g、4g以及5g无线通信模式不同频段对于pa的输出功率的需求分为四个级别：2g低频段对于pa的输出功率的要求为35dbm；2g高频段对于pa的输出功率的要求为32dbm；3g频段对于pa的输出功率的要求为28dbm，4g/5g频段对于pa的输出功率要求为不小于23dbm，要达到要求的输出功率，就需要通过调整pa电路中的晶体管的尺寸，也就是我们所说的总栅宽。
47.总栅宽的大小根据设计需求可以设置不同的值，由其构成的功率放大器的输出端40的输出功率也会有所差异，因此对总栅宽取值范围并不做限定，具体视实际情况而定，只要能够通过调整偏置电压，从而达到最终的较高的输出功率即可。
48.在本发明一个优选的实施例中，优选的总栅宽16mm，晶体管为3组，每组晶体管为2个，晶体管组s1的栅宽为8mm，晶体管组s2的栅宽为6mm，晶体管组的栅宽为2mm(当然也可以是其他尺寸)，如果细化计算也就是16/3≈5.333
……
，4组就可以是16/4＝4,四组栅宽都是4，按照组合穷尽排列可以是4、8、12、16。
49.作为示例地，下表1中的每组phemt的器件是并联的，且通过vbias1、vbias2、vbias3的不同组合，可以控制s1、s2、s3进行不同的选通组合，达到不同输出功率等级，且保持每种不同的输出功率等级都有相对较高的发射效率。例如当总栅宽wg为16mm时，s1、s2、s3同时选通，vbias1、vbias2、vbias3为每组功率放大子单元20提供高偏置电压；当总栅宽wg为14mm时，s1和s2同时选通，vbias1、vbias2为s1、s2对应的功率放大子单元20提供高偏置电压，vbias3为s3对应的功率放大子单元20提供低偏置电压；当总栅宽wg为10mm时，s1和s3同时选通，vbias1、vbias3为s1、s3对应的功率放大子单元20提供高偏置电压，vbias2为s2对应的功率放大子单元20提供低偏置电压；当总栅宽wg为8mm时，可以只通过vbias1为s1对应的功率放大子单元20提供高偏置电压，vbias2、vbias3均只为对应的功率放大子单元20提供低偏置电压；也可采用vbias2、vbias3为对应的功率放大子单元20提供高偏置电压，而vbias1为对应的功率放大子单元20提供低偏置电压；当总栅宽wg为6mm时，只通过vbias2为s2对应的功率放大子单元20提供高偏置电压，其余功率放大子单元20均提供低偏置电
压；当总栅宽wg为2mm时，只通过vbias3为对应的功率放大子单元20提供高偏置电压，其余功率放大子单元20均提供低偏置电压。
[0050][0051]
表1不同偏置电压的组合与输出功率的示意图
[0052]
上述作为示例对于总栅宽的分组和偏置电压电路的设置，可以进行任意组合，包括但不限于以上示例，只需达到保持每种不同功率等级下都有相对较高的发射效率即可。
[0053]
相应于上述实施例的一种射频功率放大电路，作为示例地，本实施例提供了一种射频功率放大电路，其具体电路布局如图2所示，图2所示为本发明改进后的高效率射频功率放大电路。
[0054]
具体地，输入信号端口rfin通过输入匹配模块与晶体管301的栅极连接；且在输入匹配模块与晶体管301之间串联有隔直电容c1；晶体管301的栅极通过偏置电路连接到射频功率放大器的偏置电压输入端vbias1和控制电压端口vcb；晶体管301的源极连接到地，晶体管301的漏极连接到晶体管302的源极；晶体管302的栅极与电阻r1的一端连接；电阻r1的另一端连接偏置电压输出端vg2-1，晶体管302的栅极和电阻r1之间设有接地电容c4；晶体管302的漏极通过扼流电感l连接到射频功率放大器的供电电压端口vcc；晶体管302的漏极还通过输出匹配模块连接到射频功率放大器的输出信号端口rfout。
[0055]
上述输入信号端口rfin通过输入匹配模块与晶体管303的栅极连接；且在输入匹配模块与晶体管303之间串联有隔直电容c2；晶体管303的栅极通过偏置电路连接到射频功
率放大器的偏置电压输入端vbias2和控制电压端口vcb；晶体管303的源极连接到地，晶体管303的漏极连接到晶体管304的源极；晶体管304的栅极与电阻r2的一端连接；电阻r2的另一端连接偏置电压输出端vg2-2；晶体管304的栅极和电阻r1之间设有接地电容c5；晶体管304的漏极通过扼流电感l连接到射频功率放大器的供电电压端口vcc；晶体管304的漏极还通过输出匹配模块连接到射频功率放大器的输出信号端口rfout。
[0056]
输入信号端口rfin通过输入匹配模块与晶体管305的栅极连接；且在输入匹配模块与晶体管305之间串联有隔直电容c3；晶体管305的栅极通过偏置电路连接到射频功率放大器的偏置电压输入端vbias3和控制电压端口vcb；晶体管305的源极连接到地，晶体管305的漏极连接到晶体管306的源极；晶体管306的栅极与电阻r3的一端连接；电阻r3的另一端连接偏置电压输出端vg2-3；晶体管306的栅极与电阻r3之间设有接地电容c6；晶体管306的漏极通过扼流电感l连接到射频功率放大器的供电电压端口vcc；晶体管306的漏极还通过输出匹配模块连接到射频功率放大器的输出信号端口rfout。
[0057]
实施例二
[0058]
本发明实施例还提供了一种射频功率放大器，其包括上述的所述的射频功率放大电路，关于该射频功率放大器的具体内容已经在实施例一中的内容进行了详细的阐述，本发明在这里不做赘述。
[0059]
在本发明公开的一种射频功率放大器中，本实施例射频功率放大器根据总栅宽将phemt器件分成n组并联的并联电路，并通过n组偏置电压的不同组合，控制对应的n组并联电路的选通组合，根据不同的输出功率等级要求，选通不同的总栅宽phemt器件进入工作状态，保持在不同功率等级下发射效率达到40％以上。
[0060]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。