基于变压器匹配的三路功率合成的射频功率放大器的制作方法

1.本实用新型涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于变压器匹配的三路功率合成的射频功率放大器。


背景技术：

2.5g无线通信系统的关键模块是位于发射机末级的射频功率放大器(rf power amplifier)，射频功率放大器的作用为将信号进行放大，然后由天线将放大的信号发出。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5g无线通信系统的各项性能指标。射频功率放大器中通常会用到阻抗匹配网络，现有的匹配网络一般为一个到几个电容电感之间的串并联组合，电容电感的阻抗匹配网络的作用是使得射频功率放大器的输入输出端口与50欧姆端口连接时实现阻抗变化，根据不同放大器的需求达到最大增益传输或最大功率传输等效果。
3.现有阻抗匹配网络多为“π型”、“t型”、“l型”，然而，5g无线通信系统中的射频功率放大器的输出功率更大，因此设计和实现高功率需要更多的晶体管，增加了匹配的难度；并且在高频下的电容、电感、电阻将产生较大的寄生效应，导致器件的实际值与理想值有一定差距，由此可知高频下的阻抗匹配将更加困难；并且，若仅使用电容、电感的传统匹配结构，难以将输入回波损耗、增益匹配至一个较好的状态。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种基于变压器匹配的三路功率合成的射频功率放大器，能够降低阻抗匹配难度，且可以有效优化输入回波损耗和增益，有利于提高输出功率。
5.为了解决上述技术问题，一方面，本实用新型实施例提供一种基于变压器匹配的三路功率合成的射频功率放大器，包括输入匹配网络、第一级双路放大电路、第一级匹配网络、第二级单路放大电路、第二级变压器匹配网络、第三级双路放大电路以及输出变压器匹配网络；
6.所述第二级变压器匹配网络包括第一变压器t1，所述输出变压器匹配网络包括第二变压器t2和第三变压器t3；
7.射频输入信号rfin通过所述输入匹配网络传输至所述第一级双路放大电路的两个输入端，所述第一级双路放大电路的两个输出端分别与所述第一级匹配网络的输入端和所述第三变压器t3的一个输入端连接；所述第一级匹配网络的输出端与所述第二级单路放大电路的输入端连接，所述第一变压器t1的两个输入端分别与所述第二级单路放大电路的输出端和供电电压vcc2连接，所述第一变压器t1的两个输出端分别与所述第三级双路放大电路的两个输入端连接，所述第三级双路放大电路的两个输出端分别与所述第二变压器t2的两个输入端连接，所述第二变压器t2的两个输出端分别与地端和所述第三变压器t3的另一个输入端连接，所述第三变压器t3的一个输出端用于输出射频输出信号rfout，所述第三
变压器t3的另一个输出端接地。
8.更进一步地，所述输入匹配网络包括第四变压器t4、第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1以及两个第三电容c3；
9.所述第四变压器t4的一个输入端用于输入所述射频输入信号rfin，所述第四变压器t4的另一个输入端通过所述第一电感l1接地，所述第一电容c1和第二电容c2的一端分别与所述第四变压器t4的两个输入端连接，所述第一电容c1和第二电容c2的另一端均接地，所述第四变压器t4的两个输出端分别通过所述两个第三电容c3与所述第一级双路放大电路的两个输入端连接。
10.更进一步地，所述输入匹配网络包括两路呈镜像的π型电路，每路所述π型电路包括高通π型lc单元、第四电容c4和基极电阻r0；
11.所述高通π型lc单元的输入端用于输入射频输入信号rfin，所述高通π型lc单元的输出端依次通过所述第四电容c4和基极电阻r0与所述第一级双路放大电路的一个输入端连接。
12.更进一步地，所述第一级匹配网络包括高通t型lc单元和第二电感l2；
13.所述高通t型lc单元的输入端与所述第二电感l2的一端连接，且连接节点作为所述第一级匹配网络的输入端与所述第一级双路放大电路的一个输出端连接，所述第二电感l2的另一端连接供电电压vcc1，所述高通t型lc单元的输出端作为所述第一级匹配网络的输出端与所述第二级单路放大电路的输入端连接。
14.更进一步地，所述第二级变压器匹配网络还包括第五电容c5、第六电容c6、第三电感l3、两个第四电感l4以及两个第七电容c7；
15.所述第五电容c5和所述第六电容c6的一端分别与所述第一变压器t1的两个输入端连接，所述第五电容c5和所述第六电容c6的另一端均接地，所述第一变压器t1的用于接供电电压vcc2的输入端通过所述第三电感l3与所述供电电压vcc2连接，所述两个第四电感l4的一端分别与所述第一变压器t1的两个输出端连接，所述两个第四电感l4的另一端均接地，所述两个第七电容c7分别串联在所述第一变压器t1的两个输出端和所述第三级双路放大电路的两个输入端之间。
16.更进一步地，所述输出变压器匹配网络还包括两个第八电容c8、第九电容c9、第十电容c10、第五电感l5以及第六电感l6；
17.所述两个第八电容c8的一端分别与所述第二变压器t2的两个输入端连接，所述两个第八电容c8的另一端均接地，所述第二变压器t 2的接地的输出端通过所述第五电感l5接地，且所述第九电容c9的一端与所述第二变压器t2的接地的输出端连接，所述第九电容c9的另一端接地，所述第三变压器t3的接地的输出端通过所述第六电感l6接地，所述第十电容c10的一端与所述第三变压器t3的接地的输出端连接，所述第十电容c10的另一端接地。
18.更进一步地，还包括第一放大单元和级间匹配网络一；所述第一级双路放大电路中与所述第三变压器t3的输入端连接的输出端，依次通过所述级间匹配网络一和所述第一放大单元与所述第三变压器t3的输入端连接。
19.更进一步地，还包括第二放大单元和级间匹配网络二；所述第一放大单元依次通过所述级间匹配网络二和所述第二放大单元与所述第三变压器t3的输入端连接。
20.更进一步地，所述第一级双路放大电路包括两个第一晶体管q1，所述第二级单路放大电路包括一个第二晶体管q2，所述第三级双路放大电路包括两个第三晶体管q3；
21.其中所述两个第一晶体管q1的基极分别对应为所述第一级双路放大电路的两个输入端，所述两个第一晶体管q1的集电极分别对应为第一级双路放大电路的两个输出端，所述两个第一晶体管q1的发射极均接地；所述第二晶体管q2的基极和集电极分别对应为所述第二级单路放大电路的输入端和输出端，所述第二晶体管q2的发射极接地；所述两个第三晶体管q3的基极分别对应为所述第三级双路放大电路的两个输入端，所述两个第三晶体管q3的集电极分别对应为第三级双路放大电路的两个输出端，所述两个第三晶体管q3的发射极均接地。
22.有益效果：本实用新型的基于变压器匹配的三路功率合成的射频功率放大器中，包括输入匹配网络、第一级双路放大电路、第一级匹配网络、第二级单路放大电路、第二级变压器匹配网络、第三级双路放大电路以及输出变压器匹配网络；所述第二级变压器匹配网络包括第一变压器t1，所述输出变压器匹配网络包括第二变压器t2和第三变压器t3，射频输入信号rfin通过所述输入匹配网络传输至所述第一级双路放大电路的两个输入端，经过第一级双路放大电路的放大后，一路放大信号依次通过所述第一级匹配网络和所述第二级单路放大电路后，传输至所述第一变压器t1，通过第一变压器t1变换为两路差分信号，该两路差分信号经过所述第三级双路放大电路后，传输至所述第二变压器t2，通过所述第二变压器t2将两路差分信号合成为一路信号，并将该路信号传输至所述第三变压器t3的一个输入端，而经过第一级双路放大电路的放大后的另一路放大信号传输至第三变压器t3的另一个输入端，从而通过第三变压器t3进行信号合成为一路射频输出信号rfout，由此实现三路功率合成，通过上述方式，利用变压器进行阻抗匹配，能够降低阻抗匹配难度，且可以有效优化输入回波损耗和增益，还有利于提高输出功率。
附图说明
23.下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其有益效果显而易见。
24.图1是本实用新型实施例提供的射频功率放大器的一结构示意图；
25.图2是本实用新型实施例提供的射频功率放大器的另一结构示意图；
26.图3是本实用新型实施例提供的射频功率放大器的又一结构示意图；
27.图4是本实用新型实施例提供的射频功率放大器的又一结构示意图。
具体实施方式
28.请参照图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本实用新型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实用新型具体实施例，其不应被视为限制本实用新型未在此详述的其它具体实施例。
29.参阅图1，本实用新型实施例提供的一种基于变压器匹配的三路功率合成的射频功率放大器，该射频功率放大器100包括输入匹配网络11、第一级双路放大电路12、第一级匹配网络13、第二级单路放大电路14、第二级变压器匹配网络15、第三级双路放大电路16以及输出变压器匹配网络17。
30.其中，所述第二级变压器匹配网络15包括第一变压器t1，所述输出变压器匹配网络包括第二变压器t2和第三变压器t3。可以理解的是，第一级双路放大电路12和第三级双路放大电路16均为具有两路放大电路的电路，都具有两个输入端和两个输出端，第二级单路放大电路14为一路放大电路。
31.射频输入信号rfin通过所述输入匹配网络11传输至所述第一级双路放大电路12的两个输入端，所述第一级双路放大电路12的两个输出端分别与所述第一级匹配网络13的输入端和所述第三变压器t3的一个输入端连接；所述第一级匹配网络13的输出端与所述第二级单路放大电路14的输入端连接，所述第一变压器t1的两个输入端分别与所述第二级单路放大电路14的输出端和供电电压vcc2连接，所述第一变压器t1的两个输出端分别与所述第三级双路放大电路16的两个输入端连接，所述第三级双路放大电路16的两个输出端分别与所述第二变压器t2的两个输入端连接，所述第二变压器t2的两个输出端分别与地端和所述第三变压器t3的另一个输入端连接，所述第三变压器t3的一个输出端用于输出射频输出信号rfout，所述第三变压器t3的另一个输出端接地。
32.由此，经过第一级双路放大电路12放大的两路放大信号，一路放大信号依次通过所述第一级匹配网络13和所述第二级单路放大电路14后，传输至所述第一变压器t1，通过第一变压器t1的作用再变换为两路差分信号，该两路差分信号与经过第一级双路放大电路12放大后的另一路放大电路形成了三路信号。其中，该两路差分信号经过所述第三级双路放大电路后，传输至所述第二变压器t2，通过所述第二变压器t2的作用将两路差分信号合成为一路信号，并将该路信号传输至所述第三变压器t3的一个输入端，而经过第一级双路放大电路12的放大后的另一路放大信号传输至第三变压器t3的另一个输入端，从而通过第三变压器t3进行信号合成为一路射频输出信号rfout，由此实现三路功率合成。通过上述方式，利用变压器进行阻抗匹配，能够降低阻抗匹配难度，且可以有效优化输入回波损耗和增益，还有利于提高输出功率。
33.在本实用新型的一些实施例中，所述输入匹配网络11包括第四变压器t4、第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1以及两个第三电容c3。在本实施例何种，射频输入信号rfin为单端信号。所述第四变压器t4的一个输入端用于输入所述射频输入信号rfin，所述第四变压器t4的另一个输入端通过所述第一电感l1接地，所述第一电容c1和第二电容c2的一端分别与所述第四变压器t4的两个输入端连接，所述第一电容c1和第二电容c2的另一端均接地，所述第四变压器t4的两个输出端分别通过所述两个第三电容c3与所述第一级双路放大电路12的两个输入端连接。
34.由此，通过第四变压器t4的作用，可以实现将单端的射频输入信号rfin变为两路信号，该两路信号输入至第一级双路放大电路12进行放大。
35.继续参阅图1，所述第一级匹配网络13包括高通t型lc单元和第二电感l2。
36.所述高通t型lc单元包括电容ca、电容cb和电感la，电容ca的一端作为所述高通t型lc单元的输入端与所述第二电感l2的一端连接，且连接节点作为所述第一级匹配网络13的输入端与所述第一级双路放大电路12的一个输出端连接，所述第二电感l2的另一端连接供电电压vcc1。电容ca的另一端与电容cb的一端、电感la的一端连接，电容cb的另一端为所述高通t型lc单元的输出端，也是所述第一级匹配网络13的输出端，与所述第二级单路放大电路14的输入端连接。电感la的另一端接地。
37.其中，所述第二级变压器匹配网络15还包括第五电容c5、第六电容c6、第三电感l3、两个第四电感l4以及两个第七电容c7。所述第五电容c5和所述第六电容c6的一端分别与所述第一变压器t1的两个输入端连接，所述第五电容c5和所述第六电容c6的另一端均接地，所述第一变压器t1的用于接供电电压vcc2的输入端通过所述第三电感l3与所述供电电压vcc2连接，所述两个第四电感l4的一端分别与所述第一变压器t1的两个输出端连接，所述两个第四电感l4的另一端均接地，所述两个第七电容c7分别串联在所述第一变压器t1的两个输出端和所述第三级双路放大电路16的两个输入端之间。
38.其中，所述输出变压器匹配网络17还包括两个第八电容c8、第九电容c9、第十电容c10、第五电感l5以及第六电感l6。所述两个第八电容c8的一端分别与所述第二变压器t2的两个输入端连接，所述两个第八电容c8的另一端均接地，所述第二变压器t 2的接地的输出端通过所述第五电感l5接地，且所述第九电容c9的一端与所述第二变压器t 2的接地的输出端连接，所述第九电容c9的另一端接地，所述第三变压器t3的接地的输出端通过所述第六电感l6接地，所述第十电容c10的一端与所述第三变压器t3的接地的输出端连接，所述第十电容c10的另一端接地。
39.进一步地，所述输出变压器匹配网络17还包括第十一电容c11、第十二电容c12、第七电感l7以及第八电感l8，其中，所述第一级双路放大电路12的一个输出端依次通过所述第十一电容c11和第七电感l7与所述第三变压器t3的输入端连接。所述第十二电容c12的一端连接在所述第十一电容c11和第七电感l7之间，另一端接地。所述第八电感l8的一端连接在所述第一级双路放大电路12的输出端与所述第十一电容c11之间，另一端连接供电电压vcc1。
40.本实用新型的一些实施例中，所述第一级双路放大电路12包括两个第一晶体管q1，所述第二级单路放大电路14包括一个第二晶体管q2，所述第三级双路放大电路16包括两个第三晶体管q3。
41.其中所述两个第一晶体管q1的基极分别对应为所述第一级双路放大电路12的两个输入端，所述两个第一晶体管q1的集电极分别对应为第一级双路放大电路12的两个输出端，所述两个第一晶体管q1的发射极均接地；所述第二晶体管q2的基极和集电极分别对应为所述第二级单路放大电路14的输入端和输出端，所述第二晶体管q2的发射极接地；所述两个第三晶体管q3的基极分别对应为所述第三级双路放大电路16的两个输入端，所述两个第三晶体管q3的集电极分别对应为第三级双路放大电路16的两个输出端，所述两个第三晶体管q3的发射极均接地。
42.因此，本实用新型的实施例中，第一级双路放大电路12采用两个第一晶体管q1分别实现两路放大电路，而在其他实时方式中，第一级双路放大电路12的每一路放大电路可以采用多个并联的第一晶体管q1实现，每一路中多个并联的第一晶体管q1的基极并联在一起，集电极并联在一起，发射极接地。同理地，其他级的放大电路中的每一路放大电路均可采用多个并联的晶体管实现。
43.其中，第一晶体管q1、第二晶体管q2以及第三晶体管q3的基极均可连接用于提供偏置电压的偏置电路，如第一晶体管q1的基极可连接偏置电路bias1，第二晶体管q2的基极可连接偏置电路bias2，第三晶体管q3的基极可连接偏置电路bias3。
44.本技术实施例中，射频功率放大器100可作为5g通信中n77频段(3.3～4.2ghz)的
功率放大器，通过采用变压器匹配的方式，能够显著的提高功率放大器的增益、输出功率，并解决了放大电路级间匹配较难的问题。
45.其中，射频功率放大器100由三级放大电路构成以此获得高增益，各级放大电路上的晶体管的基极电流约为100μa，均为ab类静态工作点，以此增加整体射频功率放大器的功率附加效率。其中，输入匹配网络11为变压器匹配，可将单端输入信号转为差分信号，其中电容c1、c2、c3和电感l1与第四变压器t4一起组成变压器匹配网络，两个电容c3可调节第一级双路放大电路12的增益趋势，其中，两个第一晶体管q1可以根据需要设置为相同或不同的晶体管，若两个第一晶体管q1相同则两个电容c3也相同，反之两个电容c3不相同。第一级双路放大电路12输出的两个差分信号，一个经过第一级匹配网络13和第二级单路放大电路14后进入第二级变压器匹配网络15，另一路直接进入输出变压器匹配网络17。第一级匹配网络13为两阶lc匹配，第二级变压器匹配网络15将第二级单路放大电路14的单端输出信号转为差分输出信号，其中两个电容c7可调节第三级双路放大电路16的增益趋势。输出变压器匹配网络17由两个变压器组成，其中第二变压器t2将第三级双路放大电路16输出的差分信号转为单端信号，该信号再与另一路第一级双路放大电路12的输出信号经过第三变压器t3合成为一路，以此得到高输出功率。其中，可以通过调节第一级双路放大电路12的一路输出功率，以此达到调节整体输出功率的目的。
46.参阅图2，本实用新型的射频功率放大器100的另一实施例中，与图1所示的射频功率放大器的不同之处在于输入匹配网络11的结构不同，图1的实施例中输入匹配网络11输入的单个射频输入信号rfin，然后由第四变压器t4变为两路差分信号，本实施例中，输入信号直接是两路差分结构的射频输入信号rfin，一路为射频输入信号rfin ，另一路为射频输入信号rfin-。
47.更具体地，本实施例中，输入匹配网络11两路呈镜像的π型电路111，每路所述π型电路111包括高通π型lc单元1111、第四电容c4和基极电阻r0；
48.所述高通π型lc单元1111的输入端用于输入射频输入信号rfin，所述高通π型lc单元1111的输出端依次通过所述第四电容c4和基极电阻r0与所述第一级双路放大电路12的一个输入端连接。其中，高通π型lc单元1111包括一个电容和两个电感，两个电感的一端分别与电容的两端连接，且电容两端分别为高通π型lc单元的输入端和输出端，两个电感的另一端接地。
49.参阅图3，本实用新型的射频功率放大器100的又一实施例中，射频功率放大器100还可以包括第一放大单元18和级间匹配网络一19。
50.所述第一级双路放大电路12中与所述第三变压器t3的输入端连接的输出端，依次通过所述级间匹配网络一19和所述第一放大单元18与所述第十一电容c11和第八电感l8的连接节点连接。
51.其中，如图所示，第一放大单元18的具体结构可以与第二级单路放大电路14的结构相同，即第一放大单元18也可以采用一个第二晶体管q2实现，级间匹配网络一19的结构和第一级匹配网络13的结构基本相同，也包括高通t型lc单元和电感元件，不同之处在于级间匹配网络一19中具有一个基极电阻r1，基极电阻r1串联在高通t型lc单元和第二晶体管q2的基极之间。
52.本实施例中，通过设置所述级间匹配网络一19和所述第一放大单元18，从而与第
一级双路放大电路12的一路放大电路(即图1所示的下半部分的第一晶体管q1)构成两级放大电路，由此可提供更大的增益和输出功率，并且通过级间匹配网络19也可优化输入回波损耗s11。
53.可以理解的是，图3所示的输入匹配网络也可以采用如图2所示的输入匹配网络的结构。
54.参阅图4，本实用新型的射频功率放大器100的又一实施例中，还包括第二放大单元20和级间匹配网络二21。所述第一放大单元18依次通过所述级间匹配网络二21和所述第二放大单元20与所述第十一电容c11和第八电感l8的连接节点连接。其中，级间匹配网络二21的结构与级间匹配网络一19的结构相同，在此不进行一一赘述，第二放大单元20可以采用一个第三晶体管q3实现。其中，图4所示的输入匹配网络也可以采用如图2所示的输入匹配网络的结构。
55.本实施例中，通过在图3所示的基础上增加第二放大单元20和级间匹配网络二21，由此可与第一级双路放大电路12的一路放大电路(即图1所示的下半部分的第一晶体管q1)以及第一放大单元18共同构成三级放大电路，从而可以提供更大的增益和输出功率，同时可优化输入回波损耗s11。
56.以上对本实用新型实施例所提供的一种基于变压器匹配的三路功率合成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实用新型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实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本实用新型的思想，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实用新型的限制。