专利名称：用于多频带功率放大器的阻抗匹配网络形式的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率放大器，特别涉及一种用于在蜂窝和其它无线网络中使用的无线收发器的具有多频带匹配的射频(RF)功率放大器。
背景技术：
推进无线通信网络已经成为使得能够多频带操作的移动收发器(终端或用户设备(UE))成为必要需求。例如，全球移动通信系统(GSM)，在2010年占据全球移动电话市场60%的份额，在引入的时候，仅仅具有900MHz频带可用。几年之后，增加了数字蜂窝业务(DCS)频带(1.8GHz)。这些频带被用于亚洲和欧洲。在美国，采用个人通信业务(PCS)频带(1.9GHz)和850MHz频带。结果，GSM系统目前跨越四个频带。第三代合作伙伴计划(3GPP)，长期演进(LTE)是移动通信的下一步发展，以应对由应用程序产生的数据业务的迅猛增长，所述应用程序例如在线游戏、移动TV和多媒体流。LTE的主要目标是提高数据速率、增加频谱效率、以及减少等待时间。根据3GPP Rel.10，为LTE定义了大于30个频带。北美主要关注的频带是13和14 (700MHz频带)和频带4 (1710到1755MHz)。在欧洲，频带7是希望广泛使用的，从2500到2570MHz工作。在日本，很可能是频带I (1920到1980MHz)首先被用于LTE。为了在世界范围实现在网络当中的无缝工作，要求具有多频带工作能力的移动终端。射频(RF)功率放大器(PA)是移动终端中的关键构件之一。对于PA而言，难以在多个频带上同时实现高输出功率和高功率效率。已知几种解决这个问题的方法。一个方法是基于单频带PA的并联布置。对应于该频带的PA通过开关阵列选择。这个方法需要与工作频带数量一样多的PA，这就增加了终端的规模和成本。另一种方法是使用多频带匹配网络(MN)。可以使用几种丽构造。宽带丽可以实现宽频工作范围。然而，由于PA在频率上变化的输出特性，难以在宽频范围上实现高功率效率。可再构造的MN使用RF开关。可变设备也可以解决这个问题。然而，RF开关或者可变设备的增加降低了系统性能和/或可靠性。RF开关会遭遇插入损耗和有限隔离。可变设备，例如变抗器，具有有限质量因数，并且要求高调谐电压。
发明内容
技术问题因此，需要一种具有仅由无源器件组成的MN的拥有多频带工作能力的PA。技术方案本发明实施方式提供一种用于RF功率放大器的多频带匹配网络，其利用并联连接的多个阻抗变换器分支。每个变换器分支实现在一个频带上的匹配。每个变换器分支的芯连接在频率阻挡网络之间，其排除带外信号。产生的匹配网络可以同时地在不同频带实现在放大器的输出和负载之间的最佳阻抗匹配。无需使用现有技术中必有损耗的调谐或开关元件。具体地，多频带匹配网络(MN)包括一组并联连接的阻抗变换器分支。每个变换器分支包括L形LC MN，适于所要求的工作频带之一。在每个LC MN芯之前和之后增加频率阻挡网络，避免彼此之间的干扰。NM同时在多个频带提供用于PA的最佳阻抗匹配，无需使用任何有源调谐或开关元件。用于三频带PA的丽工作在700MHz、1.7GHz和2.6GHz的LTE频带。丽被设计为实现大于40%的最大功率附加效率(PAE)，具有超过28dBm的峰值输出功率，并且可以被用在多频带终端的最后RF PA级中。技术效果本发明提供用于RF功率放大器(PA)的同时多频带匹配，无需集成任何调谐或开关元件。在三个工作频带，PA显 示出大于28dBm的峰值输出功率以及大于40%的最大PAE。这个电路可以同时放大来自多个频带的信号。
图1是根据本发明的实施方式的用于移动终端中的多频带功率放大器的匹配网络(MN)的不意图；图2是根据本发明的实施方式的用于多频带MN的阻抗变换分支的详细示意图；图3A-3C是根据本发明的实施方式的示例性L形丽芯的示意图；以及图4是作为频率函数的功率增益和S21的图形。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的实施方式的用于移动终端(收发器)中的多频带功率放大器(PA)的匹配网络(MN)IOO。MN可以被用在收发器(移动终端)的发送器或接收器中，或者二者。MN的目的是将RF源(例如功率放大器)的输出阻抗与负载的输入阻抗匹配，以最大化功率传输和/或最小化来自负载的反射。多频带MN包括并联连接的一组N个阻抗变换器分支101，其中N表示工作频带信号的数量。在MN 100的输入端口 102，多频带PS放大器输出的在输出处的阻抗是针对频带η的Ζη，以及在输出端口 103，针对频带η的负载的阻抗是Zta。对于每个第η个分支，在每个第η个丽芯120之前具有第一个N_1个频率阻挡元件111，以及在每个第η个MN芯120之后具有第二个N-1个频率阻挡元件111’。也就是说，MN芯被串联在第一和第二频率阻挡元件之间。频率阻挡元件排除来自放大器输出和负载的带外频率，以避免由其它并联的变换器分支产生的阻抗偏差。对于第η个频带，放大器的输出是用于MN的第η个分支，同时所有其它的并联的分支出现作为在输出端口 103处的开路。这样同样适用于输入。结果，对于在处于分析中的频带，所有其它的分支可以被忽略。在芯之前的频率阻挡元件将阻抗Zn转换为τ:，同时，在芯之后的频率阻挡元件将负载阻抗从Zui转换为Zu/。丽芯11将2 与211’共轭匹配。因此，在第η个频带实现最佳匹配。相同的分析应用到其它分支。整个MN在一组N个频带同时实现最佳匹配。示例电路
图2示出了根据本发明的实施方式的三频带MN分支101的一个阻抗变换器的例子。可以用相似的电路实现其它分支。频率阻挡元件包括两个LC网络111，所述两个LC网络111连接到丽芯120的任何一侧。三个工作频带的中心频率分别表示为f\、f2和f3。Ln和Cn在频率fn谐振。在这个谐振频率，串联的LC网络作为开路出现。为了简化，负载阻抗被选择为对于所有工作频带都相同的阻抗4。在频率，放大器的最佳输出阻抗是Zp频带I的频率成分被L1C1网络阻挡。结果，第二和第三变换器分支作为放大器输出和负载的开路出现。频带I的频率成分能够通过L2C2网络和L3C3网络。然而，L2C2和L3C3将放大器的输出阻抗从阻抗Z1转换到Z/，而负载阻抗从Z0转换至IJ Z01，。LC电路112可以跟随或者先于LC网络111。电路抑制频带外频率，例如Z (f J =O 且 Z(f 古 f) =°°。是L形LC匹配网络的在LC网络之间的丽芯I将Z/与Z。/共轭匹配，以实现输出和负载之间的最大功率传送。相同的分析应用到分别在频率f2和f3工作的其它分支。三个变换器分支的并联连接产生三频带MN，该三频带MN在三个工作频带同时最佳匹配负载阻抗到放大器输出，无需任何调谐或开关元件。三频带PA的设计三频带PA工作 在700MHz、L 7GHz和2.6GHz频带。在输入端口 102的场效应晶体管(FET)是高电子迁移率晶体管(HEMT)。HEMT可以传输在2GHz具有14.8dB增益的30dBm输出功率，以及4.5V的电源电压。PA被设计为在本领域公知的AB类模式中工作。也就是两个有源元件，操作大于一半的时间，用作降低B类放大器的交叉失真的装置。在设置DC偏置后，在三个频带中的每一个频带执行负载牵引和源牵引模拟，以查找最佳负载和源阻抗。在负载牵引中，可变的AC负载被直接连接到FET的输出。负载阻抗在整个史密斯(Smith)图上扫频。在每个点测量相应的输出功率和功率附加效率(PAE)，并生成相应的分布线。基于输出功率和PAE模拟结果，确定每个频带的最佳负载阻抗，如表I中所示(标准化为Ztl)。表I三个频带的最佳负载阻抗(标准化)
Z1*Z2*Z3*
0.236-0.388j 0.321-0.667j 0.248+0.429j根据源牵引模拟，源侧对于频率变化不那么敏感。对于全部三个频带，源阻抗被设置为0.11-0.1lj0这对于放大器的功率传输特性具有最小的影响。下一步是确定被用作频率阻挡元件的LC电路的LC值。LC电路影响整个系统的带宽。以下等式表示f；、L和C之间的关系。
_1] ⑴当 L1' L2 和 L3 都被设置为 2nH，C” C2 和 C3 的值分别是 1.87pF、4.38pF 和 25.9pF。在确定LC电路的LC值之后，我们可以利用史密斯图基于Zn和Zm确定Zn’和Zra/。在图3A-3B中示出了示例的L形丽芯。还可以使用更多复杂的拓扑，例如π或者T形丽。丽拓扑的选择影响放大器的带宽。我们选择L形是出于简化的原因。三频带PA模拟在图4中示出了基于大信号和小信号频率响应的模拟，利用功率增益和S21对比频率；Χ400表示三个频率的最大可实现功率增益。除了 S参数模拟，基于谐波平衡模拟的大信号分析被用于解决高功率工作产生的非线性。在功率增益和S21中都具有在0.7GHz、1.7GHz和2.6GHz处的三个峰值。这个PA在0.7GHz、1.7GHz和2.6GHz的工作频带分别达到13.4dB、ll.2dB和8.7dB功率增益。随着频率增加而减少的功率增益是由于在较高频率的FET的固有S21退化。图4中示出的在每个频带可实现的最大功率增益是基于负载牵引模拟结果。附加峰值出现在目标频带之间。因为目标是实现在预期频带的最佳匹配，所以频带外增益不成为问题，只要PA保持在稳定区域。发明效果本发明提供RF功率放大器(PA)的同时多频带匹配，无需集成任何调谐或开关元件。在三个工作频带，PA显示出大于28dBm的峰值输出功率以及大于40%的最大PAE。这个电路可以同时放大来自多个频带的信号。
权利要求
1.一种用于多频带功率放大器的阻抗匹配网络MN形式的装置，所述装置包括: 输入端口，所述输入端口被构造为从射频RF放大器接收一组N个频带信号； 输出端口，所述输出端口被构造为输出一组N个频带信号； 在所述输入端口和所述输出端口之间并联连接的一组N个变换器分支，其中，每个变换器分支在一个频带中进行匹配，并且还包括: 在去往所述MN的所述输入端口中阻挡除了频带fn之外的频率的第一频率阻挡元件； 阻挡除了频带fn之外的频率的第二频率阻挡元件；以及 MN芯，所述MN芯连接在所述第一频率阻挡元件和所述第二频率阻挡元件之间，以将阻抗Zn与Zta共轭匹配，实现所述输入端口和所述输出端口之间的最大功率传输， 并且，每个变换器分支在所述输入端口和所述输出端口中排除带外频率，以避免由其它分支产生的阻抗偏差。
2.如权利要求1所述的装置，其中，每个变换器分支排除带外信号，使来自负载的反射最小。
3.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括: 具有所述装置作为最后RF功率放大器级的多频带终端。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述频率阻挡元件包括串联连接到所述MN芯的任一侧的N-1个LC网络。
5.如权利要求4所述的装置，其中，N个工作频带的中心频率被分别表示为f\、f2、…和fN，所述LC网络的Ln和Cn在频率fn处谐振。
6.如权利要求4所述的装置，其中，串联连接的LC网络表现为开路。
全文摘要
本发明涉及用于多频带功率放大器的阻抗匹配网络形式的装置。用于RF功率放大器的多频带匹配网络利用并联连接的多个阻抗变换器分支。每个变换器分支在一个频带实现匹配。每个变换器分支的芯连接在频率阻挡网络之间，其排除带外信号。
文档编号H03F1/56GK103199805SQ201310041030
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月9日 优先权日2012年1月10日
发明者段春杰, 龙翕, 张坤好 申请人:三菱电机株式会社