一种提高射频功率放大器线性度的装置的制造方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种提高射频功率放大器线性度的装置，属于射频功率放大器技术领域。包括用于采集射频信号的信号输入端口；用于根据射频信号输出一摆幅的驱动放大元件；用于将摆幅转换成直流电压的包络跟踪元件；用于传送摆幅的信号耦合电路；用于提供跨导的跨导电路和用于隔离摆幅的隔离电路；用于为所述跨导电路提供偏置电压的第一偏置电压电路和用于为所述隔离电路提供偏置电压的第二偏置电压电路。本发明能够有效提高射频功率放大器的线性度，进而提高射频功率放大器的输出1dB压缩点以及降低AM?AM失真和AM?PM失真。
【专利说明】
一种提高射频功率放大器线性度的装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及射频功率放大器技术领域，具体而言，涉及一种提高射频功率放大器线性度的装置。
【背景技术】
[0002]随着CMOS工艺的不断提高和电路设计技术的不断进步，采用CMOS工艺实现片内集成的无线连接芯片(如蓝牙芯片，wifi芯片等)的功率放大器已经成为主流，它主要用于将收发信机输出的已调制射频信号进行功率放大，以得到满足无线通信需求的射频信号。功率放大器是无线收发器当中的重要元件，根据系统调制方式的不同，其可分为非线性功率放大器和线性功率放大器。在蓝牙2.1、无线局域网等协议中，由于存在着幅度调制，必须采用线性功率放大器。由于功率放大器处在射频发射机的最后一级，其线性度性能决定了整个发射机的线性度性能。此外，功率放大器往往是无线收发器中最耗电的模块，因此提高效率，尤其是提高线性效率同样尤为重要。然而，现有的功率放大器存在严重的AM-AM失真和AM-PM失真，以及功率放大器线性度差和输出IdB压缩点低等问题。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种提高射频功率放大器线性度的装置，旨在有效提高射频功率放大器的线性度，进而提高射频功率放大器的输出IdB压缩点以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。
[0004]本发明实施例提供的一种提高射频功率放大器线性度的装置，包括:
[0005]用于采集射频信号的信号输入端口；
[0006]用于根据射频信号输出一摆幅的驱动放大元件；
[0007]用于将摆幅转换成直流电压的包络跟踪元件，和用于传送摆幅的信号耦合电路；
[0008]用于提供跨导的跨导电路和用于隔离摆幅的隔离电路;及
[0009]用于为所述跨导电路提供偏置电压的第一偏置电压电路和用于为所述隔离电路提供偏置电压的第二偏置电压电路；
[0010]其中，所述信号输入端口、所述包络跟踪元件和所述信号耦合电路分别连接于所述驱动放大元件，所述包络跟踪元件和所述跨导电路分别连接于所述隔离电路，所述跨导电路连接于所述第一偏置电压电路，所述隔离电路连接于所述第二偏置电压电路。
[0011]优选地，所述信号耦合电路包括分别与所述驱动放大元件的两个输出端相连的第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容分别连接于所述跨导电路。
[0012]优选地，所述跨导电路包括第一场效应管和第二场效应管，所述第一场效应管的栅极分别连接于所述第一电容和所述第一偏置电压电路、源极接地、漏极连接于所述隔离电路;所述第二场效应管的栅极分别连接于所述第二电容和所述第一偏置电压电路、源极接地、漏极连接于所述隔离电路。
[0013]优选地，所述第一偏置电压电路包括串联连接的第一分压电阻(Rl)和第二分压电阻(R2)，所述第一分压电阻(Rl)连接于所述第一场效应管(Ml)的栅极，所述第二分压电阻(R2)连接于所述第二场效应管(M2)的栅极。
[0014]优选地，所述隔离电路包括第三场效应管和第四场效应管，所述第三场效应管的栅极连接于所述第二偏置电压电路、源极连接于所述第一场效应管的漏极、漏极连接有用于进行阻抗匹配的balun电路;所述第四场效应管的栅极连接于所述第二偏置电压电路、源极连接于所述第二场效应管的漏极、漏极连接于所述balun电路。
[0015]优选地，所述balun电路还连接有用于发射信号的天线。
[0016]优选地，所述第二偏置电压电路通过稳压电路连接有电源。
[0017]优选地，所述电源包括锂电池和开关电源。
[0018]优选地，所述驱动放大元件为射频驱动放大器。
[0019]优选地，所述射频信号的频率范围为lMHz-300GHz。
[0020]本发明实施例提供的一种提高射频功率放大器线性度的装置，通过将信号输入端口、包络跟踪元件和信号耦合电路分别连接于驱动放大元件，能将采集到的射频信号通过信号耦合电路发送给跨导电路，并通过包络跟踪元件产生第二偏置电压，以提供偏置电压给隔离电路，该隔离电路由第一偏置电压电路提供电压，以保证射频功率放大器的小信号增益是恒定的，能够有效提高射频功率放大器的线性度，以及提高射频功率放大器的输出IdB压缩点以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。
【附图说明】
[0021]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应该看作是对范围的限定，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相关的附图。
[0022]图1是本发明实施方式提供的一种提高射频功率放大器线性度的装置的电路结构示意图。
[0023]图2是本发明实施方式提供的一种提高射频功率放大器线性度的装置的仿真结果示意图。
[0024]图中标记分别为:
[0025]提高射频功率放大器线性度的装置100;
[0026]信号输入端口 101，驱动放大元件102，包络跟踪元件103，信号耦合电路104，跨导电路105，隔离电路106，第一偏置电压电路107，第二偏置电压电路108;
[0027]balun 电路 201，天线 202。
【具体实施方式】
[0028]随着无线通信技术的不断发展，射频(Rad1 Frequency，RF)技术得到了广泛应用，而射频功率放大器是各种无线发射机中不可缺少的关键器件。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缓冲级、中间放大级和末级功率放大级。当射频信号获得足够的射频功率之后，才能馈送到发射天线上并辐射到空间中。
[0029]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。射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器按照电流导通角的不同，主要分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。其中，甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角等于180° ;丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。
[0030]线性度作为射频功率放大器的重要参数之一，一直是研究的热点。从频谱的角度看，由于非线性的作用，输出信号中会产生新的频率分量，如三阶互调分量、五阶互调分量等，它干扰了有用信号并使被放大的信号频谱发生变化，即频带展宽了。从时域的角度，对于波形为非恒定包络的已调信号，由于非线性放大器的增益与信号幅度有关，因此使输出信号的包络发生了变化，引起了波形失真，同时频谱也发生了变化并引起了频谱再生现象。对于包含非线性电抗元件(如晶体管的极间电容)的非线性放大器，还存在使幅度变化转变为相位变化的影响，干扰了已调波的相位。非线性放大器的所有这些影响对移动通信设备来说都是至关重要的。因此，为了有效地利用频率资源和避免对邻道的干扰，一般都将基带信号通过相应滤波器形成特定波形，以限制它的频带宽度，从而限制调制后的频带信号的频谱宽度。但这样产生的已调信号的包络往往是非恒定的，因此非线性放大器的频谱再生作用使发射机的这些性能指标变差。
[0031]鉴于此，本发明实施例提供了一种提高射频功率放大器线性度的装置，通过对功率放大器的偏置方式进行改进，能够有效提高射频功率放大器的线性度，进而提高射频功率放大器的输出IdB压缩点以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。
[0032]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034]如图1所示，是本发明实施例提供的一种提高射频功率放大器线性度的装置的电路结构示意图。所述提高射频功率放大器线性度的装置100可以包括信号输入端口 101、驱动放大元件102、包络跟踪元件103、信号耦合电路104、跨导电路105，隔离电路106、第一偏置电压电路107和第二偏置电压电路108。
[0035]其中，所述信号输入端口101位于射频发射机的最后一级，用于接收或采集射频信号。所述信号输入端口 101可采集的射频信号的频率范围可以为1MHZ-300GHZ。本实施例中，所述驱动放大元件102可以是，但不限于，射频驱动放大器。所述驱动放大元件102的输入端连接于所述信号输入端口 101。所述信号输入端口 101将采集的射频信号传输至所述驱动放大元件102的输入端。所述驱动放大元件102的输入端包括正向输入端和负向输入端。所述射频信号经过所述驱动放大元件102之后产生一输出摆幅。
[0036]所述驱动放大元件102的输出端连接于所述信号耦合电路104和所述包络跟踪元件103。所述信号耦合电路104用于将所述输出摆幅转换成发射信号，并将所述发射信号传送至所述包络跟踪元件103。所述包络跟踪元件103用于检测所述输出摆幅，并将所述输出摆幅转换为一直流电压。所述直流电压随着所述输出摆幅的变化而变化。当所述输出摆幅增大时，所述直流电压会相应地增高。
[0037]进一步地，所述信号耦合电路104连接于所述跨导电路105，以将所述发射信号传送至所述跨导电路105。所述跨导电路105还连接于所述第一偏置电压电路107。即所述第一偏置电压电路107连接于所述信号耦合电路104和所述跨导电路105之间。本实施例中，所述第一偏置电压电路107用于为所述跨导电路105提供偏置电压，所述偏置电压为一预设的恒定电压。另外，所述包络跟踪单元连接于所述隔离电路106。所述包络跟踪元件103通过所述第二偏置电压电路108连接于所述隔离电路106。即所述第二偏置电压电路108连接于所述包络跟踪元件103和所述隔离电路106之间。本实施例中，所述第二偏置电压电路108的输出电压等于所述包络跟踪元件103的输出幅值，其用于为所述隔离电路106提供偏置电压，所述偏置电压可以是一动态变化的电压，所述动态变化的电压由所述包络跟踪元件103的输出幅值而定。所述跨导电路105还连接于所述隔离电路106，以避免所述包络跟踪元件103的输出摆幅直接加载到所述跨导电路105，使得所述跨导电路105的可靠性受到影响。
[0038]其中，所述第二偏置电压电路108通过稳压电路连接有电源，以提供稳定的偏置电压给所述隔离电路106，从而保证所述隔离电路106工作状态的稳定性。所述电源可以是，但不限于，锂电池、蓄电池、纽扣电池和开关电源。考虑到本发明的实际需要，本实施例中，所述电源优选为锂电池或开关电源。其中，锂电池为可充电电池，与一次性蓄电池相比，经济适用。再者，锂电池还具有高密度、电压稳定、低污染、循环寿命高、不含金属锂、无记忆效应以及可快速充电等优点。开关电源的功耗低、效率高以及稳压范围宽等。
[0039]具体地，所述信号耦合电路104包括第一电容Cl和第二电容C2。其中，所述第一电容Cl的一端连接于所述驱动放大元件102的输出端、另一端连接于所述跨导电路105。所述第二电容C2的一端连接于所述驱动放大元件102的输出端、另一端连接于所述跨导电路105。如此，使得所述信号耦合电路104能够将所述驱动放大元件102的交流输出信号耦合至所述跨导电路105，从而完成射频信号的传送。本实施例中，所述第一电容Cl和所述第二电容C2可以为高频耦合电容。
[0040]进一步地，所述跨导电路105包括第一场效应管Ml和第二场效应管M2。所述第一场效应管Ml的栅极连接于所述第一电容Cl，所述第二场效应管M2的栅极连接于所述第二电容C2，以接收所述驱动放大元件102的交流输出信号。所述第一场效应管Ml的栅极与所述第一偏置电压电路107连接，所述第二场效应管M2的栅极与所述第一偏置电压电路107连接，使得所述第一偏置电压电路107为所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2提供稳定的偏置电压。另外，所述第一偏置电压电路107包括串联连接的第一分压电阻Rl和第二分压电阻R2，所述第一分压电阻Rl连接于所述第一场效应管Ml的栅极，所述第二分压电阻R2连接于所述第二场效应管M2的栅极。所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2的源极均接地、漏极均连接于所述隔离电路106。
[0041 ]其中，所述隔离电路106包括第三场效应管M3和第四场效应管M4。所述第三场效应管M3的栅极与所述第二偏置电压电路108连接、源极与所述第一场效应管Ml的漏极连接、漏极与所述balun电路201连接。所述第四场效应管M4的栅极与所述第二偏置电压电路108连接、源极与所述第二场效应管M2的漏极连接、漏极与所述balun电路201连接。如此，所述隔离电路106能够避免所述包络跟踪元件103的输出摆幅直接加载到所述跨导电路105，保证了所述跨导电路105的可靠性。另外，所述跨导电路105的输出信号分别通过所述第三场效应管M3和第四场效应管M4的漏极发送至所述balun电路201。
[0042]本实施例中，所述第一场效应管M1、所述第一场效应管M2、所述第一场效应管M3和所述第一场效应管M4均为电压控制型半导体器件，其可以包括结型场效应管和绝缘栅场效应管。
[0043]具体地，所述balun电路201连接有用于发送射频信号的天线202。其中，balun是由“balanced”和“unbalanced”两个词组合而形成的一个术语，其中文译文是巴伦。其中balance代表差分结构，而un-balance代表是单端结构Aalun电路201可以在差分信号与单端信号之间互相转换，巴伦电路有很多种形式。本实施例中，所述balun电路201用于进行射频信号的阻抗匹配。
[0044]本实施例中，对所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2采用恒定的第一偏置电压。在输入功率较小的情况下，所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2的跨导均是一个常数，使得所述射频功率放大器的小信号增益是恒定的，并大大降低了所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2的栅极电容随输入功率大小的变化而变化的情况，减小了AM-PM失真。
[0045]对所述第三场效应管M3和所述第四场效应管M4采用第二偏置电压电路108进行偏置，所述第二偏置电压电路108的输出电压随着输入射频信号的功率的增加而增加，使得所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2的线性度得到提高。进一步参阅图1，假定所述第三场效应管M3和所述第四场效应管M4采用固定电压进行偏置，那么当输入射频信号的功率增加时，由于所述第一场效应管Ml和所述第二场效应管M2将需要提供更多的动态电流，使得所述第一场效应管Ml的漏极电压降低，减小了所述第一场效应管Ml的跨导，且增益开始压缩。如果输入射频信号的功率继续增加，则所述第一场效应管Ml完全进入到线性区。采用第二偏置电压进行偏置之后，增加了所述第一场效应管Ml的跨导，且增益开始增加，从而提高了所述射频功率放大器的线性度。
[0046]如图2所示，是本发明实施例提供的一种射频功率放大器的仿真结果示意图。其中，虚线表示采用恒定偏置下的仿真结果。可见，在恒定偏置的情况下，射频功率放大器的增益是10.3dB，输出的IdB压缩点为8.7dBm，并且此时的效率是12.9%。实线表示采用本发明实施例所示的偏置技术之后的仿真结果。可见，射频功率放大器的增益是9.6dB，输出的IdB压缩点为11.4dBm，并且此时的效率达到20%。从曲线可以看出采用本发明实施例所提供的偏置技术之后，AM-AM失真明显减小。
[0047]本发明实施例提供的一种提高射频功率放大器线性度的装置，通过将信号输入端口 101、包络跟踪元件103和信号耦合电路104分别连接于驱动放大元件102，能将采集到的射频信号通过信号耦合电路104发送给跨导电路105，并通过包络跟踪元件103产生第二偏置电压，以提供偏置电压给隔离电路106，该隔离电路106由第一偏置电压电路107提供电压，以保证射频功率放大器的小信号增益是恒定的，能够有效提高射频功率放大器的线性度，以及提高射频功率放大器的输出IdB压缩点以及降低AM-AM失真和AM-PM失真。
[0048]在上述电路的基础上，本实施例中还连接有部分辅助元器件和连线，用于保证电路的正常运行，这些辅助元器件和连线的使用属于行业通用的电路应用习惯，在此不再赘述。
[0049]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0050]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。
【主权项】
1.一种提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，包括: 用于采集射频信号的信号输入端口； 用于根据射频信号输出一摆幅的驱动放大元件； 用于将摆幅转换成直流电压的包络跟踪元件，和用于传送摆幅的信号耦合电路； 用于提供跨导的跨导电路和用于隔离摆幅的隔离电路;及 用于为所述跨导电路提供偏置电压的第一偏置电压电路和用于为所述隔离电路提供偏置电压的第二偏置电压电路； 其中，所述信号输入端口、所述包络跟踪元件和所述信号耦合电路分别连接于所述驱动放大元件，所述包络跟踪元件和所述跨导电路分别连接于所述隔离电路，所述跨导电路连接于所述第一偏置电压电路，所述隔离电路连接于所述第二偏置电压电路。2.根据权利要求1所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述信号耦合电路包括分别与所述驱动放大元件的两个输出端相连的第一电容(Cl)和第二电容(C2)，所述第一电容(Cl)和所述第二电容(C2)分别连接于所述跨导电路。3.根据权利要求2所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述跨导电路包括第一场效应管(Ml)和第二场效应管(M2)，所述第一场效应管(Ml)的栅极分别连接于所述第一电容(Cl)和所述第一偏置电压电路、源极接地、漏极连接于所述隔离电路;所述第二场效应管(M2)的栅极分别连接于所述第二电容(C2)和所述第一偏置电压电路、源极接地、漏极连接于所述隔离电路。4.根据权利要求3所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述第一偏置电压电路包括串联连接的第一分压电阻(Rl)和第二分压电阻(R2)，所述第一分压电阻(Rl)连接于所述第一场效应管(Ml)的栅极，所述第二分压电阻(R2)连接于所述第二场效应管(M2)的栅极。5.根据权利要求3所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述隔离电路包括第三场效应管(M3)和第四场效应管(M4)，所述第三场效应管(M3)的栅极连接于所述第二偏置电压电路、源极连接于所述第一场效应管(Ml)的漏极、漏极连接有用于进行阻抗匹配的balun电路;所述第四场效应管(M4)的栅极连接于所述第二偏置电压电路、源极连接于所述第二场效应管(M2)的漏极、漏极连接于所述balun电路。6.根据权利要求5所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述balun电路还连接有用于发射信号的天线。7.根据权利要求1所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述第二偏置电压电路通过稳压电路连接有电源。8.根据权利要求7所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述电源包括锂电池和开关电源。9.根据权利要求1所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述驱动放大元件为射频驱动放大器。10.根据权利要求1所述的提高射频功率放大器线性度的装置，其特征在于，所述射频信号的频率范围为lMHz-300GHz。
【文档编号】H03F1/42GK106026939SQ201610551091
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】张君志
【申请人】深圳市蓝狮微电子有限公司