应用于5G-Sub6G频段通信系统的射频功率放大器的制作方法

应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器
技术领域
1.本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器。


背景技术：

2.在无线通信系统中，关键模块是位于发射机末级的射频功率放大器(rf power amplifier)，其作用为将输出信号进行放大，由天线将被放大的信号发出。射频功率放大器直接影响和决定发射机系统的输出功率、效率、增益、线性度、工作带宽、反射系数等各项性能指标，从而影响和决定整个无线通信系统的各项性能指标。而5g无线通信系统对射频功率放大器的性能提出了更加苛刻的要求，如高功率、高增益平坦度等，而现有的功率放大器为了获得高增益，需要级联多级放大电路，而由于不同的放大电路增益频响不同，从而导致功率放大器的增益频率响应平坦度较差。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器，能够在一定程度上提高增益平坦度。
4.为了解决上述技术问题，本发明一方面提供一种应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器，包括依次串联连接的第一级匹配网络、第一晶体管q1、第二级匹配网络、第二晶体管q2、第三级匹配网络、第三晶体管q3以及输出匹配网络；
5.所述第一级匹配网络的输入端用于连接输入信号rfin，所述第一级匹配网络的输出端与第一晶体管q1的基极连接，所述第一晶体管q1的发射极接地且集电极与第二级匹配网络的输入端连接，所述第二级匹配网络的输出端与所述第二晶体管q3的基极连接，所述第二级晶体管q2的发射极接地且集电极与所述第三级匹配网络的输入端连接，所述第三级匹配网络的输出端与所述第三晶体管q3的基极连接，所述第三晶体管q3的发射极接地且集电极与所述输出匹配网络的输入端连接，所述输出匹配网络的输出端用于输出信号rfout；
6.所述第一级匹配网络包括谐振单元，所述谐振单元包括第一电容c1、第一电阻r1和第一电感l1，所述第一电容c1的一端和所述第一晶体管q1的基极并联且连接节点用于输入所述输入信号rfin，所述第一电容c1的另一端与所述第一电感l1的一端连接，所述第一电感l1的另一端接地，所述第一电阻r1并联在所述第一电感l1的两端。
7.进一步地，所述第一级匹配网络还包括第二电容c2、第三电容c3以及第二电感l2，所述第二电容c2的一端与所述第二电感l2的一端、所述第三电容c3的一端相连接，所述第二电容c2的一端与所述连接节点连接，所述第三电容c3的另一端与所述第一晶体管q1的基极连接，所述第二电感l2的另一端接地。
8.进一步地，还包括第二电阻r2和负反馈网络，所述第二电阻r2串联在所述第三电容c3和所述第一晶体管q1的基极之间，所述负反馈网络连接在所述第一晶体管q1的集电极和基极之间，并与所述第二电阻r2并联。
9.进一步地，所述负反馈网络包括第三电阻r3和第四电容c4，其中所述第三电阻r3的一端与所述第一晶体管q1的基极连接，所述第三电阻r3的另一端与所述第四电容c4的一端连接，所述第四电容c4的另一端与所述第一晶体管q1的集电极连接。
10.进一步地，所述第二级匹配网络包括第五电容c5、第六电容c6、第三电感l3以及第四电感l4；
11.所述第五电容c5和所述第六电容c6串联在所述第一晶体管q1的集电极和所述第二晶体管q2的基极之间，所述第三电感l3的一端连接所述第一晶体管q1的集电极且另一端连接电压信号vcc1，所述第四电感l4的一端连接在所述第五电容c5和所述第六电容c6之间且另一端接地；
12.其中在所述第六电容c6和所述第二晶体管q2的基极之间还串联有第四电阻r4。
13.进一步地，所述第三级匹配网络包括第七电容c7、第八电容c8、第五电感l5以及第六电感l6；
14.所述第七电容c7和所述第八电容c8串联在所述第二晶体管q2的集电极和所述第三晶体管q3的基极之间，所述第五电感l5的一端连接所述第二晶体管q2的集电极且另一端连接电压信号vcc2，所述第六电感l6的一端连接在所述第七电容c7和所述第八电容c8之间且另一端接地；
15.其中在所述第八电容c8和所述第三晶体管q3的基极之间还串联有第五电阻r5。
16.进一步地，所述输出匹配网络包括第九电容c9、第十电容c10、第七电感l7以及第八电感l8；
17.所述第九电容c9和所述第十电容c10串联且串联的一端与所述第三晶体管q3的集电极，串联的另一端用于输出信号rfout，所述第七电感l7的一端连接所述第三晶体管q3的集电极且另一端连接电压信号vcc3，所述第八电感l8的一端连接在所述第九电容c9和所述第十电容c10之间且另一端接地。
18.进一步地，还包括分别为所述第一晶体管q1的基极、所述第二晶体管q2的基极以及所述第三晶体管q3的基极提供偏置电压的第一偏置电路、第二偏置电路以及第三偏置电路；所述第一偏置电路、第二偏置电路以及第三偏置电路均为相同的偏置电路结构。
19.进一步地，所述偏置电路结构包括第四晶体管q4至第八晶体管q8、第六电阻r6至第15电阻r15，第十一电容c11至第十三电容c13；
20.其中，所述第四晶体管q4的集电极与所述第五晶体管q5的基极、所述第六电阻的一端连接，所述第五晶体管q5的集电极与所述第六晶体管q6的基极、所述第八电阻r8的一端连接，所述第六晶体管q6的集电极与所述第七晶体管q7的基极、所述第十电阻r10的一端连接，所述第六电阻r6的另一端与所述第八电阻r8的另一端、第十电阻r10的另一端均连接至电压信号vreg，所述第四晶体管q4的发射极、第五晶体管q4的发射极以及第六晶体管q6的发射极分别通过所述第七电阻r7、第九电阻r9以及第十一电阻r11接地；所述第四晶体管q4的基极与所述第十四电阻r14的一端连接，所述第十四电阻r14的另一端与所述第十二电阻r12的一端、所述第十三电容c13的一端、所述第七晶体管q7的发射极并联，所述第七晶体管q7的集电极连接电压信号vbat，所述第十二电阻r12的另一端与所述第八晶体管q8的集电极和基极连接，所述第八晶体管q8的发射极通过所述第十三电阻r13接地，所述第十三电容c13的另一端接地，所述第十一电容c11的一端与所述第七晶体管q7的基极并联且另一端
接地，所述第十二电容c12的一端与所述第七晶体管q7的发射极并联且另一端接地，所述第十五电阻r15的一端连接所述第七晶体管q7的发射极且另一端用于输出偏置电压。
21.有益效果：本发明的应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器中，包括依次串联连接的第一级匹配网络、第一晶体管q1、第二级匹配网络、第二晶体管q2、第三级匹配网络、第三晶体管q3以及输出匹配网络；所述第一级匹配网络的输入端用于连接输入信号rfin，所述第一级匹配网络的输出端与第一晶体管q1的基极连接，所述第一晶体管q1的发射极接地且集电极与第二级匹配网络的输入端连接，所述第二级匹配网络的输出端与所述第二晶体管q3的基极连接，所述第二级晶体管q2的发射极接地且集电极与所述第三级匹配网络的输入端连接，所述第三级匹配网络的输出端与所述第三晶体管q3的基极连接，所述第三晶体管q3的发射极接地且集电极与所述输出匹配网络的输入端连接，所述输出匹配网络的输出端用于输出信号rfout；所述第一级匹配网络包括谐振单元，所述谐振单元包括第一电容c1、第一电阻r1和第一电感l1，所述第一电容c1的一端和所述第一晶体管q1的基极并联且连接节点用于输入所述输入信号rfin，所述第一电容c1的另一端与所述第一电感l1的一端连接，所述第一电感l1的另一端接地，所述第一电阻r1并联在所述第一电感l1的两端，由此通过谐振单元的作用，可以提高增益平坦度。
附图说明
22.下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
23.图1是本发明实施例提供的射频功率放大器的原理图；
24.图2是本发明实施例提供的偏置单路结构的电路示意图；
25.图3是第一级匹配网络具有谐振单元和不具有谐振单元时第一级放大器的增益趋势仿真波形图；
26.图4是第一级匹配网络具有谐振单元和不具有谐振单元时射频功率放大器的输入回波损耗和输出回波损耗的仿真波形图。
具体实施方式
27.请参照图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的运算环境中来举例说明。以下的说明是基于所例示的本发明具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。
28.在5g通信技术中，5g频段划分为两大范围，分别为450mhz～6ghz(简称sub6g)和24.25ghz～52.6ghz(毫米波频段)，本发明实施例的射频功率放大器主要应用于工作在sub6g频段的5g无线通信系统。
29.参阅图1和图2，本发明实施例中的应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器100，包括依次串联连接的第一级匹配网络11、第一晶体管q1、第二级匹配网络12、第二晶体管q2、第三级匹配网络13、第三晶体管q3以及输出匹配网络14。
30.其中，所述第一级匹配网络11的输入端用于连接输入信号rfin，所述第一级匹配网络11的输出端与第一晶体管q1的基极连接，所述第一晶体管q1的发射极接地且集电极与第二级匹配网络12的输入端连接，所述第二级匹配网络12的输出端与所述第二晶体管q3的
基极连接，所述第二级晶体管q2的发射极接地且集电极与所述第三级匹配网络13的输入端连接，所述第三级匹配网络13的输出端与所述第三晶体管q3的基极连接，所述第三晶体管q3的发射极接地且集电极与所述输出匹配网络14的输入端连接，所述输出匹配网络14的输出端用于输出信号rfout。
31.其中，第一晶体管q1、第二晶体管q2以及第三晶体管q3分别用于实现第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器的放大功能，用于对射频输入信号rfin进行放大，即第一晶体管q1对应为第一级放大器的实现电路，第二晶体管q2对应为第二级放大器的实现电路，第三晶体管q3对应为第三级放大器的实现电路，放大后的信号经由输出匹配网络14输出。可以理解的是，第一晶体管q1、第二晶体管q2以及第三晶体管q3的数量可以是一个，也可以是多个，当具有多个时，比如，当具有多个第一晶体管q1时，多个第一晶体管q1为并联连接结构，即多个晶体管q1的基极并联连接，集电极并联连接，发射极并联连接。
32.其中，所述第一级匹配网络11作为输入阻抗匹配，其包括谐振单元11，所述谐振单元11包括第一电容c1、第一电阻r1和第一电感l1，所述第一电容c1的一端和所述第一晶体管q1的基极并联且连接节点用于输入所述输入信号rfin，所述第一电容c1的另一端与所述第一电感l1的一端连接，所述第一电感l1的另一端接地，所述第一电阻r1并联在所述第一电感l1的两端。由此，第一电容c1与第一电感l1串联到地组成一个谐振单元，可调节射频功率放大器的增益平坦度。
33.更具体而言，在没有谐振单元的情况下，每一级放大器的增益趋势都是增益随频率增大而降低，即低频增益高、高频增益低。若三级放大器的增益趋势都是如此，那么三级放大器级联之后，增益叠加在一起，增益趋势也会叠加，将产生低频增益比高频增益高出很多的情况。本发明实施例中，通过在第一晶体管q1之前的输入阻抗匹配网络中增加谐振单元11，从而可以将第一级放大器的增益改为逆趋势，即低频增益低、高频增益高，也就是通过设置谐振单元11，可以使得第一级放大器的增益趋势为低频增益低、高频增益高。如图3所示的仿真图，其中，图3的a图表示在第一级匹配网络中增加谐振单元时的第一级放大器的增益趋势仿真波形图，图3的b图表示在第一级匹配网络中没有谐振单元的第一级放大器的增益趋势仿真波形图，其中纵坐标s(2，1)表示增益，横坐标表示频率，从图中可看出，在3.9ghz处，没有谐振单元时的放大器的增益为39.347，而具有谐振单元时的第一级放大器的增益为30.907，同理地，在4.4ghz、和4.7ghz处，具有谐振单元的第一级放大器的增益都比没有谐振单元的放大器的增益要低，即实现了低频增益低的目的，而在5.0ghz处，具有谐振单元的第一级放大器的增益比没有谐振单元的放大器增益稍高，即实现了高频增益高，从图中的仿真波形图也可以明显看出，与没有谐振单元的放大器的增益趋势相比，本发明实施例具有谐振单元的第一级放大器的增益趋势为低频增益低、高频增益高。
34.另外，第二级放大器的增益趋势较为平坦，第三级放大器的增益趋势则仍为低频增益高、高频增益低，因此，本发明实施例中，三级放大器的增益叠加之后第一级放大器与第三级放大器的增益趋势相互弥补或者抵消，而由于第二级放大器的增益趋势较为平坦，从而最后的叠加结果则为一条平坦直线。因此，通过谐振单元11的作用，可以提高整体电路的增益平坦度。
35.此外，将增益趋势改为逆趋势会对整个电路带来的的负面影响，相比于在其他级放大器前增加谐振单元，本发明实施例通过在第一级放大器之前(即第一级匹配网络)增加
谐振单元11，可以降低此种负面影响。其中，以射频功率放大器的输入回波损耗s(1,1)和输出回波损耗s(2,1)两个参数为例，如图4所示，图4的a图表示在第一级匹配网络中增加谐振单元时的射频功率放大器100的输入回波损耗和输出回波损耗的仿真波形图，图4的b图表示在第一级匹配网络中没有谐振单元的射频功率放大器100的输入回波损耗和输出回波损耗的仿真波形图，其中，在增加谐振单元11之后，如图4的a图所示，输入回波损耗s(1,1)的最低值小于-20，电路匹配结果较好，因此即使增加谐振单元11，对整体的电路的影响较小。
36.其中第一电容c1对低频的增益影响较大，而第一电感l1对整体增益影响均较大，第一电阻r1与第一电感l1并联，通过设置不同大小的第一电阻r1可获得不同谐振的带宽。
37.进一步地，所述第一级匹配网络11还包括第二电容c2、第三电容c3以及第二电感l2，用于形成输入级的阻抗匹配。其中，所述第二电容c2的一端与所述第二电感l2的一端、所述第三电容c3的一端相连接，所述第二电容c2的一端与所述连接节点连接，所述第三电容c3的另一端与所述第一晶体管q1的基极连接，所述第二电感l2的另一端接地。
38.其中，在第一晶体管q1的基极还串联有第二电阻r2，所述第二电阻r2串联在所述第三电容c3和所述第一晶体管q1的基极之间。射频功率放大器100还包括反馈网络15，所述负反馈网络15连接在所述第一晶体管q1的集电极和基极之间，并与所述第二电阻r2并联。可选地，负反馈网络15可以采用rc结构实现，例如可以包括第三电阻r3和第四电容c4，其中所述第三电阻r3的一端与所述第一晶体管q1的基极连接，所述第三电阻r3的另一端与所述第四电容c4的一端连接，所述第四电容c4的另一端与所述第一晶体管q1的集电极连接。
39.通过负反馈网络15，可以调节第一级放大器的增益平坦度并增加第一级放大器和整体功率放大器的稳定性，通过设置不同阻值的第三电阻r3可调节反馈深度。
40.进一步地，所述第二级匹配网络12包括第五电容c5、第六电容c6、第三电感l3以及第四电感l4。所述第五电容c5和所述第六电容c6串联在所述第一晶体管q1的集电极和所述第二晶体管q2的基极之间，所述第三电感l3的一端连接所述第一晶体管q1的集电极且另一端连接电压信号vcc1，所述第四电感l4的一端连接在所述第五电容c5和所述第六电容c6之间且另一端接地。其中在所述第六电容c6和所述第二晶体管q2的基极之间还串联有第四电阻r4。
41.所述第三级匹配网络13包括第七电容c7、第八电容c8、第五电感l5以及第六电感l6。所述第七电容c7和所述第八电容c8串联在所述第二晶体管q2的集电极和所述第三晶体管q3的基极之间，所述第五电感l5的一端连接所述第二晶体管q2的集电极且另一端连接电压信号vcc2，所述第六电感l6的一端连接在所述第七电容c7和所述第八电容c8之间且另一端接地。其中在所述第八电容c8和所述第三晶体管q3的基极之间还串联有第五电阻r5。
42.所述输出匹配网络14包括第九电容c9、第十电容c10、第七电感l7以及第八电感l8。所述第九电容c9和所述第十电容c10串联且串联的一端与所述第三晶体管q3的集电极，串联的另一端用于输出信号rfout，所述第七电感l7的一端连接所述第三晶体管q3的集电极且另一端连接电压信号vcc3，所述第八电感l8的一端连接在所述第九电容c9和所述第十电容c10之间且另一端接地。
43.因此，本发明实施例中的匹配网络均为lc结构，且通过第二电阻r2、第四电阻r4以及第五电阻r5有利于增加每一级放大器的稳定性，并降低每一级放大器的匹配难度。
44.进一步地，射频功率放大器100还包括分别为所述第一晶体管q1的基极、所述第二
晶体管q2的基极以及所述第三晶体管q3的基极提供偏置电压的第一偏置电路16、第二偏置电路17以及第三偏置电路18。所述第一偏置电路、第二偏置电路以及第三偏置电路均为相同的偏置电路结构，当然，在其他实施方式中，各偏置电路也可以采用不同的电路结构实现。
45.如图2所示，第一偏置电路16、第二偏置电路17以及第三偏置电路18可以均采用同一偏置电路结构实现，该偏置电路结构包括第四晶体管q4至第八晶体管q8、第六电阻r6至第15电阻r15，第十一电容c11至第十三电容c13。
46.其中，所述第四晶体管q4的集电极与所述第五晶体管q5的基极、所述第六电阻的一端连接，所述第五晶体管q5的集电极与所述第六晶体管q6的基极、所述第八电阻r8的一端连接，所述第六晶体管q6的集电极与所述第七晶体管q7的基极、所述第十电阻r10的一端连接，所述第六电阻r6的另一端与所述第八电阻r8的另一端、第十电阻r10的另一端均连接至电压信号vreg，所述第四晶体管q4的发射极、第五晶体管q4的发射极以及第六晶体管q6的发射极分别通过所述第七电阻r7、第九电阻r9以及第十一电阻r11接地；所述第四晶体管q4的基极与所述第十四电阻r14的一端连接，所述第十四电阻r14的另一端与所述第十二电阻r12的一端、所述第十三电容c13的一端、所述第七晶体管q7的发射极并联，所述第七晶体管q7的集电极连接电压信号vbat，所述第十二电阻r12的另一端与所述第八晶体管q8的集电极和基极连接，所述第八晶体管q8的发射极通过所述第十三电阻r13接地，所述第十三电容c13的另一端接地，所述第十一电容c11的一端与所述第七晶体管q7的基极并联且另一端接地，所述第十二电容c12的一端与所述第七晶体管q7的发射极并联且另一端接地，所述第十五电阻r15的一端连接所述第七晶体管q7的发射极且另一端作为输出端用于对第一晶体管q1、第二晶体管q2或第三晶体管q3输出偏置电压vb。
47.当射频功率放大器100的输入功率增大时，第一至第三晶体管的基极电流增大，导致基极电位降低，同时部分射频主路线上的动态信号会泄露至偏置电路，通过本实施例的偏置电路，信号经电阻r15流至晶体管q7，通过电容c11、c12到地，或信号经电阻14流至晶体管q4，通过电容c13到地，因此偏置电路不受射频信号影响。射频主线路上的晶体管q1至q3因其自热效应，使得基极电位下降，因此晶体管q1至q3的基极静态电流随之增大，晶体管q1至q3的基极-发射极间的电压小，因此，晶体管q4的基极电位减小，晶体管q4的集电极电流下降，电阻r6与晶体管q4串联，电阻r6上的电流减小，即r6两端所加电压减小；而晶体管q5的基极电压随之升高，晶体管q5集电极电流增大，电阻r8两端所加电压增大；晶体管q6的基极电压随之降低，晶体管q6的集电极电流降低，电阻r10两端所加电压减小；晶体管q7的基极电压增大，从射频主线路泄露进晶体管q7的动态信号使得晶体管q7的基极电压降低。本实施例的偏置电路结构通过反馈结构，使得射频主线路上晶体管q1至q3的偏置电压基本保持不变。通过调节电阻r6至电阻r11的电阻值大小，可以调节各电阻对应串联电路上的晶体管的基极电位大小，达到控制偏置电路电流大小与电压补偿值。通过本发明实施例的偏置电路，可以对功率放大器中的晶体管q1至q3的热效应有较好的改善，并且可以提供稳定的电流。
48.以上对本发明实施例所提供的一种应用于5g-sub6g频段通信系统的射频功率放大器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术
人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。