一种适用于5G系统的高线性功率放大器的制作方法

本发明属于射频前端设备的，具体涉及一种适用于5g系统的高线性功率放大器。

背景技术：

1、随5g（第五代移动通信） 技术凭借其高速率，低时延，高移动性，高连接能力，高流量密度，高能效及低成本等优势，为人类进入工业 4.0 时代奠定了坚实的无线通信技术基础。5g系统采用了多入多出（mimo）架构，由于 5g 需要实现超高的传输速度，拓宽频谱带宽和提高频谱利用率是增加无线传输速度的两种办法。但信号的频率提高，带宽增加，调制方式愈加复杂，峰均比进一步增大，这些复杂场景对射频前端的线性化技术提出了更高的性能需求。因此，这都要求 5g 系统中的功率放大器具有高线性特性，以减少通信系统的误码率和寄生干扰。

2、功率放大器作为发射机末端的关键器件，直接决定着发射机的性能，又因为功率放大器是整个无线通信系统中非线性最强的器件，所以提高功率放大器的线性化水平能够显著提高整个通信系统的线性度。

3、由于hbt 器件在sub-6ghz 频段具备高功率密度、较高的击穿电压、较高的电流放大系数β、可单电源供电等优点，gaas hbt在sub-6ghz 频段功率放大器设计中得到了广泛应用。如图1所示，传统线性功率放大器由于单级放大器不能满足系统对器件功率增益的要求，一般采用2级或者3级级联放大结构。hbt晶体管的发射结电压随着输入功率增加而降低，而工作点漂移会导致跨导降低，进而产生增益压缩和相位失真。hbt晶体管q2a、hbt晶体管q3a、hbt晶体管q4a、电阻r1a、电阻r2a和电容c3a组成第一级放大器的自适应偏置、hbt晶体管q6a、hbt晶体管q7a、hbt晶体管q8a、电阻r3a、电阻r4a和电容c4a组成第二级放大器的自适应偏置，自适应偏置结构可以很好的抑制hbt晶体管由于自热效应产生的偏置点漂移，改善功率放大器的线性度，提高输出功率。

4、传统线性功率放大器采用的自适应偏置结构在工作频率内对射频信号体现为高阻，从而避免偏置电路对射频信号产生调制作用。但由于传统线性功率放大器中的自适应偏置结构中的电阻r4a与hbt晶体管q5a栅极连接，使得射频信号包络频率阻抗值较高，对于射频信号的包络频率而言，由于其与射频载波信号的二阶交调刚好落在信号的旁带，所以自适应偏置结构的引入，极易造成偏置电路发生包络调制，产生明显的记忆效应，并随着输出功率的变大和信号带宽的提高而越发明显，造成线性功率放大器的线性度指标显著变差。目前，随着5g工作带宽的大幅提升，导致记忆效应对功率放大器线性度的影响愈发严重，严重限制了线性功率放大器在大信号带宽下的设计与应用。因此，该问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于5g系统的高线性功率放大器，旨在解决上述问题。

2、本发明主要通过以下技术方案实现：

3、一种适用于5g系统的高线性功率放大器，包括射频放大单元、自适应偏置单元、偏置电压检测单元和低包络阻抗单元；所述射频放大单元包括若干个级联的放大电路，所述自适应偏置单元对应若干个放大电路设置有若干个自适应偏置电路；放大电路包括hbt晶体管qn，所述hbt晶体管qn的发射极接地，末级的放大电路的hbt晶体管qn的集电极与输出匹配网络连接；自适应偏置电路通过电阻rm+1与放大电路的hbt晶体管qn的基极连接；所述偏置电压检测单元的一端设置在末级的自适应偏置电路与电阻rm+1之间，且另一端与低包络阻抗单元连接；

4、所述低包络阻抗单元包括电阻rt、电感lt、电容ct和phemt晶体管mt，phemt晶体管mt的栅极通过电阻rt与偏置电压检测单元连接，且源极与电感lt的第一端连接，且漏极分别与与末级的自适应偏置电路连接的电阻rm+1以及末级的放大电路的hbt晶体管qn的基极连接；电感lt的第二端与电容ct的第一端连接，电容ct的第二端接地；

5、所述偏置电压检测单元用于检测末级的自适应偏置电路的电压信号并放大后输入到低包络阻抗单元，作为低包络阻抗单元的phemt晶体管mt的栅极控制信号，以为末级的放大电路的hbt晶体管qn输入端提供可控的低阻包络频率到地通路，从而抑制记忆效应对线性功率放大器线性度的不良影响。

6、为了更好地实现本发明，进一步地，所述偏置电压检测单元包括电阻rh、电阻rh+1、电阻rh+2、电阻rh+3、电阻rh+4、二极管dh和hbt晶体管qh；所述电阻rh的第一端设置在末级的自适应偏置电路与电阻rm+1之间，且第二端分别与电阻rh+2的第一端、二极管dh的正极连接，所述二极管dh的负极与电阻rh+1的第一端连接，电阻rh+1的第二端接地；电阻rh+2的第二端与hbt晶体管qh的基极连接，hbt晶体管qh的发射极与电阻rh+4的第一端连接，电阻rh+4的第二端接地，电阻rh+3的第一端与电源连接，且第二端分别与hbt晶体管qh的集电极、电阻rt的第一端连接。

7、为了更好地实现本发明，进一步地，所述自适应偏置电路包括hbt晶体管qm、hbt晶体管qm+1、hbt晶体管qm+2、电阻rm和电容cm；电阻rm的第一端与电源连接，且第二端与hbt晶体管qm的集电极、基极以及电容cm的第一端、hbt晶体管qm+2的基极连接；hbt晶体管qm的发射极与hbt晶体管qm+1的基极、集电极连接，晶体管qm+1的发射极接地，电容cm的第二端接地；hbt晶体管qm+2的集电极与电源连接，且发射极与电阻rm+1的第一端连接；所述偏置电压检测单元的电阻rh的第一端分别与与末级的自适应偏置电路连接的电阻rm+1的第一端以及末级的自适应偏置电路的hbt晶体管qm+2的发射极连接。

8、为了更好地实现本发明，进一步地，所述放大电路还包括电感ln、电容cn，所述hbt晶体管qn的集电极与电感ln的第一端连接，且电感ln的第二端与电源连接；第一级的放大电路的电容cn的第一端与信号输入端inn连接，且第二端与输入匹配网络的第一端连接，输入匹配网络的第二端与第一级的放大电路的hbt晶体管qn的基极连接；末级的放大电路的电容cn的第一端与电感ln的第一端连接，且第二端与信号输出端outn连接。

9、为了更好地实现本发明，进一步地，所述射频放大单元包括两个级联的放大电路，所述自适应偏置单元对应设置有两个自适应偏置电路。

10、为了更好地实现本发明，进一步地，所述输入匹配网络与第一级的放大电路的hbt晶体管qn的基极之间设置有第一级的自适应偏置电路；所述第一级的放大电路的hbt晶体管qn的集电极与末级的放大电路的hbt晶体管qn的基极之间设置有级间匹配网络，所述级间匹配网络与末级的放大电路的hbt晶体管qn的基极之间设置有末级的自适应偏置电路。

11、为了更好地实现本发明，进一步地，所述电感ln为扼流电感，用于为放大电路供电。

12、本发明的有益效果如下：

13、本发明在传统线性功率放大器的基础上，增加偏置电压检测单元和低包络阻抗单元，可以在大工作带宽下，降低记忆效应对线性功率放大器的影响，提高线性功率放大器的线性度。

14、线性功率放大器记忆效应主要是由于末级放大管输入端信号产生包络调制所致。在输出功率较小时，由于线性功率放大器本身线性度较高，记忆效应较小，对发射机输出射频信号的线性度几乎没有影响，所以为了兼顾线性功率放大器的小信号增益，温度稳定性等常规电特性，低包络阻抗单元中的phemt晶体管呈现高组态。随着输出功率的逐渐增大，由偏置电压检测单元将检测到逐渐增大的电压信号，经放大后成为低包络阻抗单元中的phemt晶体管的栅极控制信号，通过phemt晶体管的导通程度，控制接入信号通路中低包络阻抗通道阻抗值的大小。由于低包络阻抗单元具备选频特性，在功率放大器工作频率恒定呈现高组态，在基带频率为线性功率放大器末级放大管输入端提供可控的低阻包络频率到地通路，从而抑制记忆效应对线性功率放大器线性度的不良影响。