具有高线性度和功率附加效率的射频功放模块及实现方法与流程

本发明涉及一种具有高线性度和功率附加效率的射频功率放大器模块(简称为射频功放模块)，同时也涉及一种提高射频功率放大器模块线性度和功率附加效率的方法，属于射频集成电路技术领域。

背景技术：

射频功率放大器(rfpa)广泛应用在手机等无线通信设备中。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，需要经过射频功率放大器进行放大，在获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。并且，在射频信号的传输过程中，需要保持较好的线性度和较好的功率附加效率。在上述过程中，较好控制线性度对确保无线通信的传输速率至关重要，而较高的功率附加效率可以帮助延长无线通信设备的使用时间。

目前，市面上存在多种移动通信标准或无线通信标准，例如wcdma、td-lte、wi-fi等。这些通信标准下的调制信号都有一个共同特点：在一定时间周期内，信号的功率会发生改变，即射频信号在调制模式下信号幅度会随机改变。如果射频功率放大器不能对射频信号进行等幅度放大，就会出现线性度变差的现象。具体表现为射频功率放大器在进行射频信号传输时，如果射频功率放大器的功率增益曲线随着信号输入功率增大而出现大幅度变化，射频功率放大器输出信号的线性度会很快变差。当前，各种通信标准都要求射频功率放大器能保持较好的线性度。

射频功率放大器的工作状态可以分为多个功率段，不同功率段可以通过调节射频功率放大器特性来优化线性度和功率附加效率。现有技术中，用于提高射频功率放大器低功率段和中功率段的线性度的传统方案是提高射频功率放大器的静态工作电流；而用于提高射频功率放大器高功率段的线性度的传统方案是提高射频功率放大器的动态工作电流。上述方案都会在射频功率放大器工作时降低功率附加效率，导致射频功率放大器发热及降低电池使用时间。因此，如何使射频功率放大器在获得较好的线性度的同时，提高功率附加效率是当前射频功率放大器的设计难点之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种具有高线性度和功率附加效率的射频功率放大器模块。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种提高射频功率放大器模块线性度和功率附加效率的方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种具有高线性度和功率附加效率的射频功率放大器模块，包括偏置电路、线性化电路和功率放大器电路，所述功率放大器电路与所述线性化电路连接，所述线性化电路与所述偏置电路连接，所述偏置电路与所述功率放大器电路连接；

通过所述线性化电路控制反馈到所述偏置电路的射频信号的能量大小，进而调节所述偏置电路输出的偏置电流的大小。

其中较优地，所述线性化电路由第二电容组成，或者所述线性化电路由电阻、电感、第三二极管中的任意一种与所述第二电容串联组成，或者所述线性化电路由所述第二电容与所述电阻并联组成。

其中较优地，所述第二电容为金属耦合电容、金属绝缘电容、层叠电容中的任意一种。

其中较优地，所述偏置电路包括第一二极管、第二二极管、第一电容、过通元件和镇流电阻，所述第一二极管的阳极分别与第一外部偏置电压、所述第一电容的一端、所述过通元件的基极连接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一电容的另一端分别接地，所述过通元件的集电极与第二外部偏置电压连接，所述过通元件的发射极与所述镇流电阻的一端连接，通过所述偏置电路中的第一节点使所述线性化电路的输出端与所述偏置电路连接。

其中较优地，所述功率放大器电路包括第三电容和功率晶体管，所述第三电容的一端与射频信号输入端连接，所述第三电容的另一端与所述功率晶体管的基极连接，所述功率晶体管的集电极通过第二节点分别与外部电源电压、射频信号输出端连接，所述功率晶体管的发射极接地，通过所述功率放大器电路中的第三节点、第四节点使所述功率放大器电路分别与所述线性化电路的输入端、所述偏置电路的输出端连接。

其中较优地，过通元件或功率晶体管包括但不限于异质结晶体管、高电子迁移率晶体管或赝高电子迁移率晶体管、双极结晶体管中的任意一种。

其中较优地，所述偏置电路、所述线性化电路和所述功率放大器电路分别对应设置于一个或多个芯片上，当所述偏置电路与所述功率放大器电路分别对应设置于两个芯片上时，所述偏置电路所在的芯片与所述功率放大器电路所在的芯片采用跨接或串接的方式与所述线性化电路连接。

其中较优地，当所述射频功率放大器模块为多级射频功率放大器时，至少一级射频功率放大器设置有线性化电路。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种提高射频功率放大器模块线性度和功率附加效率的方法，包括如下步骤：

步骤s1：通过线性化电路采集射频信号，并反馈到偏置电路；

步骤s2：偏置电路根据反馈的射频信号生成相应的偏置电流，并输入功率放大器电路，以提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。

其中较优地，通过所述线性化电路控制反馈到所述偏置电路的射频信号的能量大小，进而调节所述偏置电路输出的偏置电流的大小。

本发明通过在功率放大器电路与偏置电路之间设置线性化电路，并通过采用不同结构的线性化电路，控制不同情况下反馈到偏置电路的射频信号能量大小，进而调节偏置电路输出的偏置电流的大小，从而抑制功率放大器电路在放大射频信号时产生的非线性能量，提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。本发明所提供的射频功率放大器模块及实现方法还可以运用到多级射频功率放大器中，从而有效提高多级射频功率放大器的线性度和功率附加效率。

附图说明

图1为本发明所提供的具有高线性度和功率附加效率的射频功率放大器模块的结构示意图；

图2为图1示出的射频功率放大器模块提高线性度和功率附加效率的实施步骤示意图；

图3为实施例1所提供的射频功率放大器模块的电路结构示意图；

图4a～图6b为实施例2所提供的射频功率放大器模块的电路结构示意图；

图7为本发明所提供的射频功率放大器模块中，线性化电路对功率放大器增益调节的曲线图；

图8为本发明所提供的射频功率放大器模块中，线性化电路对功率放大器线性度调节的曲线图；

图9为本发明所提供的射频功率放大器模块中，线性化电路对功率放大器功率附加效率调节的曲线图；

图10a～10e为本发明所提供的射频功率放大器模块的实现方法示意图；

图11为本发明所提供的射频功率放大器模块中，两级射频功率放大器都设置线性化电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明所提供的射频功率放大器模块包括偏置电路110、线性化电路120和功率放大器电路130，功率放大器电路130与线性化电路120连接，线性化电路120与偏置电路110连接，偏置电路110与功率放大器电路130连接。通过线性化电路120将采集的功率放大器电路130的射频信号(即射频输入信号)反馈到偏置电路110，该射频信号经偏置电路110处理后生成相应的偏置电流值。该偏置电流值将输入到功率放大器电路130中，可以抑制功率放大器电路130在放大射频信号时产生的非线性能量，提高整个射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率，从而提高无线通信的传输速率，并延长无线通信设备的使用时间。

在本发明所提供的射频功率放大器模块的基础上，本发明进一步提供了一种提高射频功率放大器模块线性度和功率附加效率的方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤s1：通过线性化电路采集射频信号，并反馈到偏置电路；

通过线性化电路120可以采集来自功率放大器输入端的射频信号，并将该射频信号反馈到与线性化电路120相连接的偏置电路110上，通过偏置电路110对该射频信号做进一步处理。

步骤s2：偏置电路根据反馈的射频信号生成相应的偏置电流，并输入至功率放大器电路，从而提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。

通过偏置电路110接收线性化电路120反馈的射频信号，并且偏置电路110可以根据所接收的射频信号生成相应的偏置电流，该偏置电流通过偏置电路110的输出端输入至功率放大器电路130中，从而使功率放大器电路130在多功率水平下，实现提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率的目的。

下面结合图3～图11，并通过不同的实施例对本发明所提供的具有高线性度和功率附加效率的射频功率放大器模块及实现方法进行详细说明。

实施例1

如图3所示，本实施例所提供的射频功率放大器模块包括偏置电路110、线性化电路120和功率放大器电路130。其中，偏置电路110包括第一二极管114、第二二极管115、第一电容116、过通元件112和镇流电阻113。其中，过通元件112可以为砷化镓(gaas)衬底上或者锗硅(sige)衬底上制作的异质结晶体管(hbt)、高电子迁移率晶体管(hemt)或赝高电子迁移率晶体管(p-hemt)中的任意一种。另外，该过通元件112还可以为双极结晶体管(bjt)。偏置电路110中各元器件之间的连接关系如下：第一二极管114的阳极分别与第一外部偏置电压a、第一电容116的一端、过通元件112的基极连接，第一二极管114的阴极与第二二极管115的阳极连接，第二二极管115的阴极与第一电容116的另一端分别接地，过通元件112的集电极与第二外部偏置电压b连接，过通元件112的发射极与镇流电阻113的一端连接，镇流电阻113的另一端作为偏置电路110的输出端，用于将偏置电路110生成的偏置电流进行输出。

线性化电路120包括第二电容121，第二电容121可以为金属耦合电容(momcapacitor)、金属绝缘电容(mimcapacitor)、层叠电容(stackcapacitor)中的任意一种。第二电容121的一端作为线性化电路120的输入端，用于采集功率放大器电路130的射频信号；第二电容121的另一端作为线性化电路120的输出端，该输出端通过偏置电路110中的第一节点111分别与第一电容116、过通元件112基极连接。通过第一节点111将线性化电路120输入端采集的功率放大器电路130的射频信号反馈至偏置电路110中，通过偏置电路110将根据该射频信号生成偏置电流，从而抑制功率放大器电路在放大射频信号时产生的非线性能量，即提高功率放大器电路130的射频信号输出端输出的射频信号的线性度以及功率放大器电路130的功率附加效率。

功率放大器电路130包括第三电容132和功率晶体管131。其中，功率晶体管131可以为砷化镓(gaas)衬底上或者锗硅(sige)衬底上制作的异质结晶体管(hbt)、高电子迁移率晶体管(hemt)或赝高电子迁移率晶体管(p-hemt)中的任意一种，功率晶体管131还可以为双极结晶体管(bjt)。功率放大器电路130中各元器件之间的连接关系如下：第三电容132的一端与射频信号输入端连接，第三电容132的另一端与功率晶体管131的基极连接，功率晶体管131的集电极通过第二节点133分别与外部电源电压、射频信号输出端连接，功率晶体管131的发射极接地。线性化电路120输入端(第二电容121的一端)通过第三节点135分别与射频信号输入端、第三电容132的一端连接，通过第三节点135将来自功率放大器电路130的射频信号输入端的射频信号被线性化电路120采集。偏置电路110的输出端(镇流电阻113的另一端)通过第四节点134分别与第三电容132、功率晶体管131基极连接，偏置电路110生成的偏置电流通过第四节点134输入至功率放大器电路130的功率晶体管131的基极，用于提高功率放大器电路130输出的射频信号的线性度以及功率附加效率。

实施例2

如图4a～图6b所示，本实施例所提供的射频功率放大器模块包括偏置电路110、线性化电路120和功率放大器电路130。其中，偏置电路110与功率放大器电路130的结构及偏置电路110与功率放大器电路130之间的连接关系同实施例1所述，在此不再赘述。线性化电路120在实施例1中所述的线性化电路120结构的基础上，通过额外加入电阻122、电感123、第三二极管124中任意一种元器件组成不同结构的线性化电路120，并通过上述的电阻122、电感123、第三二极管124中的任意一种元器件可以控制不同情况下反馈到偏置电路110中的射频信号能量的大小，进而实现调节偏置电路110的过通元件112输出的偏置电流的大小。下面结合如图4a～图6b，对本实施例所提供的线性化电路120的不同结构做具体说明。

如图4a～4c所示，线性化电路120的第一种结构包括第二电容121(实施例1中所述的第二电容121)与电阻122，其中，第二电容121与电阻122可以串联或并联在一起。具体地，在线性化电路120中，如图4a所示，可以将第二电容121的一端作为线性化电路120的输入端，第二电容121的另一端与电阻122的一端连接，电阻122的另一端作为线性化电路120的输出端。如图4b所示，还可以将电阻122的一端作为线性化电路120的输入端，电阻122的另一端与第二电容121的一端连接，第二电容121的另一端作为线性化电路120的输出端。如图4c所示，还可以将电阻122与第二电容121的一端连接在一起作为线性化电路120的输入端，电阻122与第二电容121的另一端连接在一起作为线性化电路120的输出端。通过该线性化电路120实现控制反馈到偏置电路110的射频信号能量的大小，进而调节偏置电路110输出的偏置电流的大小，从而抑制功率放大器电路在放大射频信号时产生的非线性能量，提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。

如图5a和5b所示，线性化电路120的第二种结构包括第二电容121(实施例1中所述的第二电容121)与电感123，其中，第二电容121与电感123串联在一起。具体地，在线性化电路120中，如图5a所示，可以将第二电容121的一端作为线性化电路120的输入端，第二电容121的另一端与电感123的一端连接，电感123的另一端作为线性化电路120的输出端。如图5b所示，还可以将电感123的一端作为线性化电路120的输入端，电感123的另一端与第二电容121的一端连接，第二电容121的另一端作为线性化电路120的输出端。通过该线性化电路120实现控制不同频率处反馈到偏置电路110的射频信号能量的大小，进而调节偏置电路110输出的偏置电流的大小，从而抑制功率放大器电路在放大射频信号时产生的非线性能量，提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。

如图6a和6b所示，线性化电路120的第三种结构包括第二电容121(实施例1中所述的第二电容121)与第三二极管124，其中，第二电容121与第三二极管124串联在一起。具体地，在线性化电路120中，如图6a所示，可以将第二电容121的一端作为线性化电路120的输入端，第二电容121的另一端与第三二极管124的阳极连接，第三二极管124的阴极作为线性化电路120的输出端。如图6b所示，还可以将第三二极管124的阳极作为线性化电路120的输入端，第三二极管124的阴极与第二电容121的一端连接，第二电容121的另一端作为线性化电路120的输出端。通过该线性化电路120控制不同射频信号能量下反馈到偏置电路110的射频信号能量的大小，进而调节偏置电路110输出的偏置电流的大小，从而抑制功率放大器电路在放大射频信号时产生的非线性能量，提高射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。

同样，线性化电路120的输入端通过功率放大器电路130中的第三节点135分别与功率放大器电路130的射频信号输入端及第三电容132的一端连接，通过第三节点135将来自功率放大器电路130射频信号输入端的射频信号被线性化电路120采集。线性化电路120的输出端通过偏置电路110中的第一节点111分别与偏置电路110的第一电容116及过通元件112基极连接。通过第一节点111将线性化电路120输入端采集的功率放大器电路130的射频信号反馈至偏置电路110中，通过偏置电路110将根据该射频信号生成偏置电流。该偏置电流通过功率放大器电路130中的第四节点134输入至功率放大器电路130的功率晶体管131的基极，从而提高功率放大器电路130输出的射频信号的线性度以及功率附加效率。

众所周知，通过为偏置电路110分别提供第一外部偏置电压a和第二外部偏置电压b，以及为功率放大器电路130提供外部电源电压，可以使功率放大器电路130对射频信号放大前进入待机状态。当射频信号被发射进入功率放大器电路130时，由于射频信号在调制模式下信号幅度会随机改变，如果功率放大器电路130不能对射频信号进行等幅度放大，就会出现线性度变差的现象。具体表现为功率放大器电路130在对射频信号进行放大时，如果功率放大器电路130的功率增益曲线随着功率放大器电路130输出功率增大而出现大幅度变化时，功率放大器电路130输出的射频信号的线性度会很快变差。

在图7和图8示出的线性化电路对功率放大器增益及线性度调节的曲线图中，曲线301为不带有线性化电路120的功率放大器电路130的增益曲线，曲线401为不带有线性化电路120的功率放大器电路130的输出线性度曲线，由曲线301和曲线401可知，当功率放大器电路130的输出功率小于18dbm时，功率放大器电路130的功率增益基本没有变化，此时，功率放大器电路130的输出线性度小于-45dbc。当功率放大器电路130的输出功率大于18dbm时，功率放大器电路130的功率增益增大速度会明显变快，此时功率放大器电路130的输出线性度随着功率放大器电路130的输出功率的增大而快速变差，在功率放大器电路130的输出功率介于23dbm～28dbm之间时无法满足线性度指标曲线403的要求。当功率放大器电路130的输出功率等于28dbm时，功率放大器电路130的功率增益达到最大；在功率放大器电路130的输出功率介于18dbm～28dbm范围内时，功率放大器电路130的功率增益总共变化了1.3db，变化幅度较大，曲线301的近饱和功率增益滚降点为28dbm，在功率放大器电路130的输出功率大于28dbm时，功率放大器电路130的功率增益会快速下降。

同样如图7和图8所示，曲线302为带有线性化电路120的功率放大器电路130的增益曲线，曲线402为带有线性化电路120的功率放大器电路130的输出线性度曲线，由曲线302和曲线402可知，当功率放大器电路130的输出功率小于20dbm时，功率放大器电路130的功率增益会降低0.5db，此时，功率放大器电路130的输出线性度小于-44dbc。当功率放大器电路130的输出功率大于20dbm时，功率放大器电路130的功率增益会增大，此时功率放大器电路130的输出线性度随着功率放大器电路130输出功率的增大会有一定程度上变差，但都能满足线性度指标曲线403的要求。当功率放大器电路130的输出功率等于30dbm时，功率放大器电路130的功率增益达到最大。在功率放大器电路130的输出功率介于20dbm～30dbm范围内时，功率放大器电路130的功率增益总共变化了0.7db，变化幅度明显小于曲线301。曲线302的近饱和功率增益滚降点为30dbm，在功率放大器电路130的输出功率大于30dbm时，功率放大器电路130的功率增益会快速下降。由于该近饱和功率增益滚降点大于曲线301的近饱和功率增益滚降点，因此，线性度曲线401在功率放大器电路130的输出功率大于29dbm时超过线性度指标曲线403，而线性度曲线402在功率放大器电路130的输出功率大于30dbm时才超过线性度指标曲线403的要求。

在图9示出的线性化电路对功率放大器的功率附加效率调节的曲线图中，曲线501为不带有线性化电路120的功率放大器电路130的功率附加效率曲线，曲线502为带有线性化电路120的功率放大器电路130的功率附加效率曲线。当有射频信号进入带有线性化电路120的功率放大器电路130的输入端时，线性化电路120会采集一部分射频信号能量，并将该射频信号能量通过第一节点111反馈到偏置电路110中，随着射频信号能量的增大，反馈到偏置电路110中的射频信号能量也会变化。如果采用实施例1所提供的线性化电路120，则反馈到偏置电路110中的射频信号能量增大，使得偏置电路110中过通元件112的输出电流会随之减小，而功率放大器电路130的动态工作电流也随之减小，使得功率放大器电路130的功率增益随之减小，功率放大器电路130的功率附加效率随之变高。如果采用实施例2所提供线性化电路120，则可以控制反馈到偏置电路110中的射频信号能量的大小，进而调节偏置电路110的过通元件112输出的偏置电流的大小，实现对功率放大器电路130的功率附加效率的调节。

本发明所提供的射频功率放大器模块中，偏置电路110、线性化电路120和功率放大器电路130的具体实现方式有多种。例如，如图10a所示，偏置电路110、线性化电路120和功率放大器电路130可以设计制作于同一芯片200上。如图10b所示，还可以将偏置电路110与线性化电路120设计制作于芯片200a上，功率放大器电路130设计制作于芯片200b上，通过将芯片200a与芯片200b对应连接，组成本发明所提供的射频功率放大器模块。如图10c所示，还可以将偏置电路110设计制作于芯片200a上，线性化电路120和功率放大器电路130设计制作于芯片200b上，通过将芯片200a与芯片200b对应连接，组成本发明所提供的射频功率放大器模块。如图10d所示，还可以将偏置电路110设计制作于芯片200a上，功率放大器电路130设计制作于芯片200b上，线性化电路120通过跨接方式与芯片200a和芯片200b的连接。如图10e所示，还可以将偏置电路110设计制作于芯片200a上，功率放大器电路130设计制作于芯片200b上，线性化电路120通过串联连接方式与芯片200a和芯片200b的连接。

本发明所提供的射频功率放大器模块及实现方法可以运用到多级功率放大器结构中。其中，至少一级射频功率放大器设置有线性化电路。下面以多级功率放大器为两极射频功率放大器为典型实施例对本发明所提供的射频功率放大器模块如何运用到多级功率放大器结构中做具体说明。

如图11所示，将两个实施例1所提供的射频功率放大器模块通过输出匹配网络b耦合在一起，其中，第一个射频功率放大器模块包括偏置电路110a、线性化电路120a和功率放大器电路130a。偏置电路110a包括第一二极管114a、第二二极管115a、第一电容116a、过通元件112a和镇流电阻113a。线性化电路120a包括第二电容121a，功率放大器电路130a包括第三电容132a和功率晶体管131a。第二个射频功率放大器模块包括偏置电路110b、线性化电路120b和功率放大器电路130b。偏置电路110b包括第一二极管114b、第二二极管115b、第一电容116b、过通元件112b和镇流电阻113b。线性化电路120b包括第二电容121b，功率放大器电路130b包括第三电容132b和功率晶体管131b。由于两个射频功率放大器模块结构同实施例1所述，在此不再赘述。在第一个射频功率放大器模块的射频信号输入端与节点135a之间设置有匹配网络a，该匹配网络为作为功率放大器130a的输入匹配网络，用于滤除射频信号中的干扰以及实现阻抗匹配。当有射频信号发射至功率放大器电路130a时，线性化电路120a将通过节点135a采集射频信号，并将该射频信号通过节点111a反馈至偏置电路110a中，偏置电路110a根据反馈的射频信号成产相应的偏置电流，该偏置电流通过节点134a输入至功率放大器电路130a中，从而提高功率放大器电路130a的线性度和功率附加效率。功率放大器电路130a输出的射频信号经过匹配网络耦合至第二个射频功率放大器模块中，此时，线性化电路120b通过节点135b采集该射频信号，并将该射频信号通过节点111b反馈至偏置电路110b中，偏置电路110b根据反馈的射频信号成产相应的偏置电流，该偏置电流通过节点134b输入至功率放大器电路130b中，从而抑制功率放大器电路130b在放大射频信号时产生的非线性能量，提高射频功率放大器电路130b的线性度和功率附加效率。

图11所示的结构还可以演化为另外两种结构，其中一种结构为：将第一个射频功率放大器模块中的线性化电路120a去掉后，通过匹配网络b与第二个射频功率放大器模块耦合在一起。另一种结构为，将第二个射频功率放大器模块中的线性化电路120b去掉后，通过匹配网络b与第一个射频功率放大器模块耦合在一起。该两种结构的工作原理同上所述，在此不再赘述。

本发明所提供的射频功率放大器模块通过在功率放大器电路与偏置电路之间设置线性化电路，利用线性化电路采集来自功率放大器电路的射频信号输入端输入的射频信号，并将所采集的射频信号反馈至偏置电路，由偏置电路根据反馈的射频信号生成相应的偏置电流。该偏置电流输入至功率放大器电路，提高了射频功率放大器模块输出信号的线性度和功率附加效率。同时，通过采用不同结构的线性化电路控制不同情况下反馈到偏置电路的射频信号能量大小，进而调节偏置电路输出的偏置电流的大小，从而抑制功率放大器电路在放大射频信号时产生的非线性能量。

另外，本发明所提供的射频功率放大器模块及实现方法还可以运用到多级射频功率放大器中，从而提高多级射频功率放大器的线性度和功率附加效率。

以上对本发明所提供的具有高线性度和功率附加效率的射频功率放大器模块及实现方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。