用于通信系统的功率放大器电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于通信系统的功率放大器电路，尤其涉及但不局限于一种同时支持时分双工(TDD)和频分双工(FDD)工作模式的双模单片式微波集成电路(MMIC)功率放大器。
【背景技术】
[0002]随着电信技术的快速发展以及消费者对于高速可靠的通信网络的渴求，用于移动设备的长期演进(LTE或4G LTE)网络通信技术在市场中正迅速取得上升势头。
[0003]近期的市场调查显示，在全世界，LTE用户的数量正在呈指数增长。受全世界的这种巨大市场潜力所驱动，相信在未来几年，对于用于移动设备的LTE功率放大器电路的需求将会有指数式增长。
[0004]用于LTE移动设备的现有功率放大器模块在制造和性能方面仍旧存在很大的提升空间。具体地说，有必要发展功耗减小且集成度提升的更廉价和更小型的功率放大器电路，以便充分利用LTE网络的潜力，并使下一代移动手持终端能够变得更加紧凑且运行效率更高。
【附图说明】
[0005]现在将参考附图来举例描述本发明的实施例，其中:
[0006]图1是根据本发明的一个实施方式的功率放大器；
[0007]图2显示了图1的功率放大器被封装在16引脚QFN封装中并被安装在FR-4板上，以及显示了根据本发明的一个实施方式的图1的功率放大器的裸片(die)显微图像；
[0008]图3是显示了根据本发明的一个实施方式的集成了图1的功率放大器的16引脚QFN封装的不意图；
[0009]图4是显示了图1中的功率放大器在1980兆赫(FDD)和1900兆赫(TDD)时的增益和DC电流消耗(功率级)相对于输出功率的变化的图表；
[0010]图5是显示了图1中的功率放大器在不同的频率的反射系数Sll，S12，以及插入损耗S21的图表；
[0011]图6是显示了在图1中的功率放大器的上行链路频率1980MHz (FDD)和1900MHz (TDD)上使用20MHz 64-QAM SC-FDMA调制的情况下误差矢量幅度相对于输出功率的变化的图表。
【发明内容】
[0012]根据本发明的第一方面，所提供的是一种功率放大器，其包括:输入端，其用于接收要被放大的RF信号；至少一个功率放大电路模块，其与所述输入端电连接以用于放大所述RF信号；至少一个偏置电路，其与所述至少一个功率放大电路模块电连接以用于补偿所述RF信号的失真从而大体上线性地放大所述RF信号；以及输出端，其被布置成输出所述放大的RF信号。
[0013]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器的至少一部分被布置在集成无源器件芯片上。
[0014]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器进一步包括布置在所述输入端的输入匹配电路，以及布置在所述输出端的输出匹配电路。
[0015]在第一方面的一个实施方式中，所述输入匹配电路和所述输出匹配电路都是低通配置以向所述功率放大器提供带通响应。
[0016]在第一方面的一个实施方式中，所述输出匹配电路包括与一个或多个电容器耦合的微带线。
[0017]在第一方面的一个实施方式中，所述至少一个偏置电路被布置在所述输入端和所述至少一个功率放大电路模块之间。
[0018]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器包括两个或更多的功率放大电路模块以用于按阶段地补偿所述RF信号的失真。
[0019]在第一方面的一个实施方式中，所述偏置电路被布置在两个功率放大电路模块之间。
[0020]在第一方面的一个实施方式中，所述偏置电路被布置在所述两个或更多的功率放大电路模块的每一个之间。
[0021]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器进一步包括级间匹配电路，所述级间匹配电路被布置在至少两个所述功率放大电路模块之间。
[0022]在第一方面的一个实施方式中，所述级间匹配电路是包括至少一个电容器和至少一个电感器的高通电路。
[0023]在第一方面的一个实施方式中，每个所述至少一个功率放大电路模块包括异质结双极晶体管功率放大器。
[0024]在第一方面的一个实施方式中，每个所述至少一个偏置电路包括具有一个晶体管和一个分路电容器的线性化电路。
[0025]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器进一步包括检测电路，所述检测电路被布置在所述至少一个功率放大电路模块和所述输出端之间，以用于将所述放大的RF信号反馈到与输入端连接的收发机或所述功率放大器的基带。
[0026]在第一方面的一个实施方式中，所述RF信号是在所述输入端从收发机接收的并且所述RF信号被OFDMA调制。
[0027]在第一方面的一个实施方式中，所述放大的RF信号在输出端被发送到天线以进行福射传输。
[0028]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器适于在时分双工TDD模式和频分双工FDD模式下操作。
[0029]在第一方面的一个实施方式中，对于所述时分双工TDD模式，所述功率放大器适于在E-UTRA频段I中在约为1920-1980兆赫操作，而对于所述频分双工FDD模式，所述功率放大器适于在频段33中在约为1900-1920兆赫操作。
[0030]在第一方面的一个实施方式中，所述功率放大器被封装在16引脚QFN封装中。
[0031]根据本发明的第二个方面，所提供的是一种通信设备，其包括根据本发明的第一方面的功率放大器。
【具体实施方式】
[0032]本发明涉及一种用于第三代合作伙伴项目(3GPP)长期演进(LTE)应用的时分双工(TDD)/频分双工(FDD)双模高线性和高效率的功率放大器单片微波集成电路(MMIC)。优选地，在本发明中的功率放大器利用了 InGaP/GaAs异质结双极晶体管(HBT)工艺，并且被适配成在用于FDD模式的E-UTRA频带I (1920-1980MHz)中以及在用于TDD模式的频段33(1900-1920MHz)中操作。
[0033]在不希望被理论所束缚的情况下，通过研宄和试验，发明人相信，长期演进(LTE)正在成为下一代无线宽带网的领先技术，并且为4G技术奠定了基础。在提升频谱效率方面，所有的4G技术都具有类似的目标，其中带宽最大的系统提供了最高的单用户数据速率。LTE为下行链路使用的是正交频分多址(OFDMA)，为上行链路使用的则是单载波频分多址(SC-FDMA)。选择OFDMA是因为其具有很高的数据速率容量以及很高的频谱效率，而选择SC-FDMA则是因为其具有较低的峰均功率比(PAPR)，由此最大限度地延长移动设备的电池寿命。LTE以20MHz的带宽实现了 10Mbps的峰值下行链路数据速率和50Mbps的峰值上行链路数据速率。功率放大器(PA)是LTE系统的一个关键组件，其对通信质量、通话时间以及电池寿命都有着很大的影响。
[0034]通过研宄和试验，发明人还想到，射频互补金属氧化物半导体(RF CMOS)和硅-锗双极性互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)是适用于功率放大器设计的工艺。
[0035]具体地，RF CMOS正在变得更加成熟，并且已被用在了众多的无线系统和标准中。然而，RF CMOS解决方案的当前缺陷在于其4G PA性能相对较差。对于4G WiMAX应用来说，CMOS PA在用于2.3GHz-2.4GHz频段操作的23dBm的输出功率上会显示出12%的线性效率。对于4G LTE应用来说，CMOS三叶型DAT PA在用于930MHz操作的25dBm的输出功率上会显示出15%的线性效率。其明显低于商用4G PA所报告的接近于20%的效率。使用数字预失真(DPD)业已显示出了提升的CMOS PA线性输出功率和效率，但其加入了更高的系统复杂度，并且需要基带集成电路(IC)与PA IC之间的紧密协作。
[0036]另一方面，SiGe BiCMOS IC技术提供了将用于下一代4G (WiMAX，LTE) RF前端(PA、T/R开关和LNA)的所有有源RF元件全都集成在一个IC中的可能性。在过去数年，在文献和产品中业已广泛记载了线性4G/WLAN SiGePA的性能。SiGe 4G前端IC的一个优点在于能够将智能控制和数字通信集成在一起，以便为4G RF前端IC提供可编程性以及动态优化。然而，对于4G WiMAX应用来说，SiGe BiCMOS PA在用于2.3GHz_2.7GHz频段操作的25dBm的输出功率上显示出了 18%的效率，这一点要好于RF CMOS PA，但其性能与GaAs PA的相比仍旧相对较差。
[0037]在一个实施方式中的功率放大器的设计与实施
[0038]如图1所示，所提供的是一个功率放大器100，其包括:输入端RFin，其用于接收要被放大的RF信号；至少一个功率放大电路模块(HBT1，HBT2, HBT3)，其与所述输入端电连接以用于放大所述RF信号；至少一个偏置电路(偏置1，偏置2，偏置3)，其与所述至少一个功率放大电路模块(HBT1，HBT2，HBT3)电连接以用于补偿所述RF信号的失真从而大体上线性地放大所述RF信号；以及输出端RF-，其被布置成输出所述放大的RF信号。在一个实施方式中，功率放大器100可集成在通信设备(未示出)诸如移动电话中。
[0039]如图1所示，功率放大器100包括单片微波集成电路(MMIC)。该丽IC包括被布置成接收要被放大的RF信号的输入端RFin。在一个实施方式中，该要被放大的RF信号由连接在输入端RFiJ^收发器提供，并且该RF信号来自基带且被OFDMA调制。该MMIC进一步包括被布置成输出被放大的RF信号的输出端RF。#。在一个实施例中，输出端RFrat与天线可操作地连接以用于将被放大的RF信号发送到天线从而将信号辐射传输到自由空间。
[0040]继续参考图1，该功率放大器100包括进一步包括多个功率放大电路模块HBTl，HBT2，HBT3。在本实施例中，有三个功率放大电路模块。然而，在其他实施例中，功率放大器100可具有任何其它数量的功率放大电路模块。优选地，每个功率放大电路模块HBTl，HBT2，HBT3都包括一个异质结双极晶体管功率放大器以用于按阶段地放大该RF信号。在一个实施方式中，功率放大器100还包括输入匹配网络(未示出)和输出匹配网络。优选地，所述输入和输出匹配网络采用的是低通匹配，以使功率放大器100实现带通响应。在本实施例中，输出匹配网络包括布置在两个并联电容器之间的微带线，以及一个附加的输出电容器。
[0041]在本实施例中，由于功率级HBT(HBT1，HBT2, HBT3)的偏置点会依照很大的RF输入功率而改变，因此，与功率放大器100中的基极偏置电路相关的设计对于获取高数值的PldB(IdB压缩点输出功率)而言是非常重要的。在本发明中，对于高线性的功率放大来说，有必要对随着输入功率增大而提供负值振幅和正相位偏差的振幅-振幅(AM-AM)