一种双频高效率功率放大器及芯片

1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种双频高效率功率放大器及芯片。


背景技术：

2.在现代和未来的无线通信系统中，5g通信技术与前几代移动通信技术相比，其主要区别在于频谱资源的分配。其中5g网络将分别在sub-6g高频段和毫米波频段进行部署，这使得5g通信具有更宽的频谱资源，因此对具有宽带或多频段能力的电路和子系统的要求也随之提高。毫米波(mm wave)频谱正在吸引人们对5g和未来卫星通信等应用的极大兴趣，这些应用在投资和潜在商业方面远远超出了军事和科学用途的传统领域。毫米波一方面特点是频谱可用性，这在电子信息系统的容量方面提供了巨大的优势；另一方面，极高的工作频率给系统和电路设计带来了重大挑战。而功率放大器(pa)是最关键的电路组件之一，它的性能指标需达到输出功率的同时满足其他要求，如效率，线性度和功耗。在毫米波频段，功率损耗、元件的敏感性，以及晶体管自身技术的物理限制，都使得功率放大器的设计比低频时更具挑战性。
3.5g系统中的基站要求高集成度，需要具有高输出功率的紧凑功率放大器。而氮化镓gan hemt技术能够实现高效率、大击穿电压、高功率密度，并且由于更高的转换频率和更小的外围而显著提高宽带性能，从而产生更小的输入和输出电容以及更少的寄生。因此，gan单片微波集成电路(mmic)是一个很好的选择。
4.为了使无线通信系统能够平滑的过渡和升级，满足高容量数据快速准确且无失真传输，兼容第二代到第四代通信系统中现存的设备，现阶段要求射频前端可以满足多频或者宽带工作。这使得实现覆盖多个频带同时又能保持高效率的宽带或双频pa显得尤为重要。


技术实现要素：

5.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种双频高效率功率放大器及芯片。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种双频高效率功率放大器，包括输入级电路、第一放大电路、第二放大电路和输出级电路，所述第一放大电路和所述第二放大电路的电路结构相同，且相对称；
8.所述第一放大电路包括依次连接的第一双频匹配电路、第一放大晶体管、第二双频匹配电路、第二放大晶体管以及第三双频匹配电路；
9.所述第一双频匹配电路的输入端连接所述输入级电路的输出端，所述第三双频匹配电路的输出端连接所述输出级电路的输入端。
10.进一步地，所述输入级电路包括微带线m0；所述微带线m0的第一端与射频信号输入端连接，所述微带线m0的第二端与所述第一双频匹配电路的输入端连接。
11.进一步地，所述第一双频匹配电路包括依次串联的微带线m1、电容c1、微带线m5；
12.所述微带线m1的第一端连接至所述输入级电路的输出端，所述微带线m1的第二端通过电容c1连接至所述微带线m5的第一端，所述微带线m5的第二端连接至所述第一放大晶体管q1的栅极。
13.进一步地，所述双频高效率功率放大器还包括电容c0和微带线m2；
14.所述电容c0的第一端与所述输入级电路的输出端连接，所述电容c0的第二端接地；所述微带线m2的第一端连接在所述微带线m1和电容c1之间的连接点上，所述微带线m2的第二端接地。
15.进一步地，所述第二双频匹配电路包括依次串联的微带线m6、电容c4、微带线m9；
16.所述第一放大晶体管q1的漏极与所述微带线m6的第一端连接，所述微带线m6的第二端通过所述电容c4连接至所述微带线m9的第一端，所述微带线m9第二端连接至所述第二放大晶体管q2的栅极。
17.进一步地，所述第三双频匹配电路包括依次串联的微带线m10、微带线m12、微带线m14；
18.所述微带线m10的第一端连接至所述第二放大晶体管q2的漏极，所述微带线m10的第二端通过所述微带线m12连接至所述微带线m14的第一端，所述微带线m14的第二端连接至所述输出级电路的输入端。
19.进一步地，所述输出级电路包括串联的微带线m15、电容c9；
20.所述微带线m15的第一端与第三双频匹配电路的输出端连接，所述微带线m15的第二端通过所述电容c9连接至射频信号输出端。
21.进一步地，所述第一放大电路和所述第二放大电路之间还设有第一隔离电路和第二隔离电路；
22.所述第一隔离电路包括依次串联的微带线m41、电阻r0和微带线m42；所述微带线m41的第一端与所述第一双频匹配电路连接，所述微带线m41的第二端与所述电阻r0的第一端连接，所述电阻r0的第二端与所述微带线m42连接，所述微带线m41和所述微带线m42对称地设置在所述电阻r0的两侧；
23.所述第二隔离电路包括依次串联的微带线m111、电阻r3和微带线m112；所述微带线m111的第一端与所述第三双频匹配电路连接，所述微带线m111的第二端与所述电阻r3的第一端连接，所述电阻r3的第二端与所述微带线m112连接，所述微带线m111和所述微带线m112对称地设置在所述电阻r3的两侧。
24.进一步地，所述第一放大电路还包括第一栅极偏置电路、第一漏极偏置电路、第二栅极偏置电路和第二漏极偏置电路；
25.所述第一栅极偏置电路包括微带线m3、电阻r1；所述微带线m3的第一端与直流输入vg1连接，所述微带线m3的第二端与所述电阻r1的第一端连接，所述电阻r1的第二端连接在所述第一双频匹配电路上；
26.所述第一漏极偏置电路包括微带线m7、电容c2、电容c3；所述微带线m7的第一端与所述第二双频匹配电路连接，所述微带线m7的第二端与直流输入vd1连接；所述电容c2的一端连接直流输入vd1，另一端接地；所述电容c3的一端连接直流输入vd1，另一端接地；
27.所述第二栅极偏置电路包括微带线m8、电阻r2；所述微带线m8的第一端与直流输入vg2连接，所述微带线m8的第二端与所述电阻r2的第一端连接，所述电阻r2的第二端连接
在所述第二双频匹配电路上；
28.所述第二漏极偏置电路包括微带线m13、电容c6、电容c7；所述微带线m13的第一端与所述第三双频匹配电路连接，所述微带线m13的第二端与直流输入vd2连接；所述电容c6的一端连接直流输入vd2，另一端接地；所述电容c7的一端连接直流输入vd2，另一端接地。
29.本发明所采用的另一技术方案是：
30.一种通信芯片，包括如上所述的双频高效率功率放大器。
31.本发明的有益效果是：本发明采用了两路两级对称结构，第一级放大电路为增益级，能提供电路足够的增益，第二级放大电路为功率级，能提供电路足够高的输出功率；且末级两路功率合成结构实现了3w的输出功率。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
33.图1是本发明实施例中一种双频高效率功率放大器的结构示意图；
34.图2是本发明实施例中一种双频高效率功率放大器的整体电路原理图；
35.图3是本发明实施例中双频输入匹配电路的示意图；
36.图4是本发明实施例中双频输入匹配电路s参数仿真结果示意图；
37.图5是本发明实施例中双频级间匹配电路的示意图；
38.图6是本发明实施例中双频级间匹配电路s参数仿真结果示意图；
39.图7是本发明实施例中双频输出匹配电路的示意图；
40.图8是本发明实施例中双频输出匹配电路s参数仿真结果示意图；
41.图9是本发明实施例中小信号仿真结果示意图；
42.图10是本发明实施例中电路稳定性仿真结果示意图；
43.图11是本发明实施例在28ghz与39ghz处输出功率(pout)随输入功率(pin)变化的仿真结果示意图；
44.图12是本发明实施例在28ghz与39ghz处功率附加效率(pae)随输出功率(pout)变化的仿真结果示意图；
45.图13是本发明实施例在28ghz与39ghz处大信号增益(gain)随输出功率(pout)变化的仿真结果示意图。
具体实施方式
46.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
49.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
50.如图1和图2所示，本实施例提供一种双频高效率功率放大器，可选地，该放大器为基于0.15um gan hemt工艺，工作在28ghz和39ghz双频高效率功率放大器。该双频高效率功率放大器包括：输入级电路、第一放大电路、第二放大电路、输出级电路。
51.本实施例采用第一放大电路、第二放大电路两路电路构成信号通路，所述第一放大电路、第二放大电路均采用两级放大，所述第一放大电路和第二放大电路两路并联之后，左端接输入级电路的输出端，右端接输出级电路的输入端，所述输入级电路的输入端接射频信号输入端，输出级电路的输出端为射频信号输出端。
52.所述第一放大电路采用两级放大结构，包括：第一双频匹配电路、第一栅极偏置电路、第一隔离电路、第一放大晶体管、第一漏极偏置电路、第二双频匹配电路、第二栅极偏置电路、第二放大晶体管、第二漏极偏置电路、第二隔离电路和第三双频匹配电路；其中，第一双频匹配电路在左端合路点与输入级电路的输出端连接，第一放大晶体管的漏极与第二双频匹配电路的输入端连接，第二双频匹配电路的输出端与第二放大晶体管的栅极连接，第三双频匹配电路在右端合路点与输出级电路的输入端连接。
53.所述第二放大电路的信号通路结构、版图布局、元器件参数设置、功能实现与第一放大电路均相同，所述第一放大电路、第二放大电路关于射频信号输入端、射频信号输出端上下两路对称，上下两路信号的相位和幅度，减小了输出端上下两路信号功率合成的损耗。
54.所述第一双频匹配电路、第二双频匹配电路的输出端分别设有第一栅极偏置电路、第二栅极偏置电路，所述第二双频匹配电路、第三双频匹配电路的输入端分别设有第一漏极偏置电路、第二漏极偏置电路；其中，所述第一栅极偏置电路、第二栅极偏置电路的上端分别连接直流输入vg1端、vg2端，所述第一漏极偏置电路、第二漏极偏置电路的上端分别连接直流输入vd1端、vd2端；所述第一放大晶体管、第二放大晶体管的源极均接地。
55.所述输入级电路包括微带线m0；其中，微带线m0左端与射频信号输入端连接，右端与第一双频匹配电路的输入端连接；所述输入级电路用于将射频信号输入端口的输入阻抗匹配到50欧姆。
56.所述第一双频匹配电路，即双频输入匹配电路如图3所示，包括依次串联的微带线m1、电容c1、微带线m5，所述微带线m1和微带线m0之间设有电容c0，所述微带线m1和电容c1之间设有微带线m2；其中，电容c0左端与输入级电路的输出端连接，右端接地，微带线m2的一端接在微带线m1和电容c1之间，另一端接地，微带线m5的输出端与第一放大晶体管q1的栅极连接；其中，该结构从左端到右端，接地电容c0与串联微带线m1在28ghz处提供谐振点，
接地微带线m2与串联电容c1在39ghz处提供谐振点，右端串联微带线m5为该双频输入匹配电路提供调谐，且串联电容c1同时充当了隔直电容的作用，能够有效防止上下两路直流输入vg1之间的影响，也阻隔了直流信号流入射频输入端；本发明的双频输入匹配电路s参数仿真结果示意图如图4所示。
57.所述第一栅极偏置电路包括微带线m3、电阻r1；其中，微带线m3的上端与直流输入vg1连接，电阻r1的下端接在电容c1和微带线m5之间；所述第一栅极偏置电路起到栅极通直流和阻止射频信号流入供电端口的作用；其中，由于射频输入信号均被电阻r1所阻隔，微带线m3的长度可调，以满足布局的要求。
58.所述第一隔离电路连接在第一放大电路和第二放大电路的第一双频匹配电路之间，包括依次串联的上下对称的两微带线m4、电阻r0；其中，微带线m4的一端接在电容c1和微带线m5之间；隔离电阻r0为152欧姆，所述第一隔离电路起到了减少双频输入匹配电路输出端的能量反射损耗的作用。
59.所述第二双频匹配电路，即双频级间匹配电路如图5所示，包括依次串联的微带线m6、电容c4、微带线m9，所述微带线m6和电容c4之间设有微带线m7，所述电容c4和微带线m9之间设有电容c5；其中，电容c5的一端接在电容c4和微带线m9之间，另一端接地，微带线m6的输入端第一放大晶体管q1的漏极连接，微带线m9的输出端与第二放大晶体管q2的栅极连接；其中，该结构从右端到左端，串联微带线m9与接地电容c5在28ghz处提供谐振点，串联电容c4与接地微带线m7在39ghz处提供谐振点，左端串联微带线m6为该双频级间匹配电路提供调谐，且串联电容c4同时充当了级间隔直电容的作用，能够有效防止第一级漏极直流输入vd1与第二级栅极直流输入vg2之间的影响；本发明的双频级间匹配电路s参数仿真结果示意图如图6所示。
60.所述第一漏极偏置电路包括微带线m7、电容c2、电容c3；其中，电容c2、电容c3的右端与直流输入vd1连接，微带线m7的下端接在微带线m6和电容c4之间；第一漏极偏置电路对第一放大晶体管q1的漏极进行供电，同时防止了射频信号进入直流输入vd1端，其中，电容c2，电容c3均为1.77pf，以满足扼制射频信号进入直流的作用，且微带线m7参与了双频级间匹配电路的阻抗匹配。
61.所述第二栅极偏置电路包括微带线m8、电阻r2；其中，微带线m8的上端与直流输入vg2连接，电阻r2的下端接在电容c4和微带线m9之间；第二栅极偏置电路与第一栅极偏置电路结构相同，参数不同，通过调节优化来满足所需仿真要求。
62.所述第三双频匹配电路，即双频输出匹配电路如图7所示，包括依次串联的微带线m10、微带线m12、微带线m14，所述微带线m12和微带线m14之间设有微带线m13，所述微带线m14和输出级电路之间设有电容c8；其中，微带线12的输入端与第二放大晶体管q2的漏极连接，电容c8的右端与输出级电路的输入端连接，左端接地；其中，该结构从右端到左端，接地电容c8与依次串联的微带线m14、微带线m12在39ghz处提供谐振点，接地微带线m13与串联微带线m12在28ghz处提供谐振点，左端串联微带线m10为该双频输出匹配电路提供调谐；所述双频输出匹配网络在末端进行两路信号的功率合成，并且优化输出回波损耗，使本发明实现最大输出功率；本发明的双频输出匹配电路s参数仿真结果示意图如图8所示。
63.所述第二漏极偏置电路包括微带线m13、电容c6、电容c7；其中，电容c6、电容c7的右端与直流输入vd2连接，微带线m13的下端接在微带线m12和微带线m14之间；第二漏极偏
置电路与第一漏极偏置电路结构相同，参数不同，通过调节优化来满足所需设计要求；第二漏极偏置电路对第二放大晶体管q2的漏极进行供电，同时防止了射频信号进入直流输入vd2端，其中，电容c6，电容c7均为1.77pf，以满足扼制射频信号进入直流的作用，且微带线m13参与了双频输出匹配电路的阻抗匹配。
64.所述第二隔离电路连接在第一放大电路和第二放大电路的第三双频匹配电路之间，包括依次串联的上下对称的两微带线m11、电阻r3；其中，微带线m11的一端接在微带线m10和微带线m12之间；所述第二隔离电路与第一隔离电路结构相同，参数不同；隔离电阻r3为152欧姆，起到了减少双频输出匹配电路输入端的能量反射损耗的作用。
65.所述输出级电路包括串联的微带线m15、电容c9；其中，微带线m15左端与第三双频匹配电路的输出端连接，电容c9右端与射频信号输出端连接，起到了隔直电容作用，有效防止了漏极直流输入vd2流入射频输出端。
66.所述第一放大晶体管q1的栅宽为4*50um，第二放大晶体管q2的栅宽为4*100um；由于想要获得4w的输出功率，设计中考虑了各种匹配损耗并留有足够余量的损耗，且随着晶体管的总栅宽增加，晶体管输出功率的能力增强，但同时晶体管的增益下降，最终权衡性能，折衷选取了上述尺寸的两种晶体管；且晶体管的静态工作点均设定为：上下两路均为ab类，第一栅极直流电压为vg1＝-1.7v，第二栅极直流电压为vg2＝-1.5v，漏极直流电压vd1、vd2均为28v。
67.根据图9、图10所示的小信号仿真和电路稳定性仿真结果示意图，可以看出在28ghz处，小信号增益s21大于26db；在39ghz处，小信号增益s21大于15db；两个频率的输入回波损耗s11均在-11db以下；两个频率的输出回波损耗s22在-17db以下；且stabfact均大于1，说明了该电路整体的匹配度和稳定性达到了优秀的效果。
68.根据图11所示的28ghz与39ghz处输出功率(pout)随输入功率(pin)变化的仿真结果示意图，可以看出随着输入功率的不断增加，两工作频率的饱和输出功率均达到了35dbm，即3w的输出功率。
69.根据图12所示的28ghz与39ghz处功率附加效率(pae)随输出功率变化的仿真结果示意图，可以看出随着输出功率的增加，28ghz处的峰值pae达到了38％，39ghz处的峰值pae达到了29％。
70.根据图13所示的28ghz与39ghz处大信号增益(gain)随输入功率变化的仿真结果示意图，可以看出随着输出功率的增加，两工作频率的大信号增益从线性增益缓慢下降。
71.该功率放大器实现了1.6mm*1.2mm的尺寸，相比于现有的gan工艺功率放大器具有尺寸小的特征。
72.综上所述，本实施例的双频高效率功率放大器相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
73.(1)本发明采用了两路两级对称结构，其中，第一级放大电路为增益级，能提供电路足够的增益，第二级放大电路为功率级，能提供电路足够高的输出功率；且末级两路功率合成结构实现了3w的输出功率。
74.(2)本发明在整体电路稳定性和增益之间进行了权衡，由于各无源器件及有源器件的寄生参数带来的损耗足以使电路达到稳定，本发明减少了传统的rc并联稳定电路，从而使增益得到了提高。
75.(3)本发明整体电路采用了微带线和电容进行双频输入、级间、输出匹配电路的设计，调节优化简单可行，且由于在毫米波频段，接地电感可以等效为短路微带线，接地电容可以等效为开路微带线，通过用微带线等效替代非必要集总元件，大大减少了元器件自身带来的损耗。
76.(4)本发明采用的漏极偏置电路与双频匹配电路复用了同一条微带线，不仅提供了直流信号输入，还参与了电路的阻抗匹配，综合考虑上述因素，本发明在满足各项性能参数的同时并缩小了电路尺寸。
77.本实施例还提供一种通信芯片，该芯片包括如图1所示的双频高效率功率放大器。
78.本实施例的一种通信芯片与上述的一种双频高效率功率放大器具有对应的关系，因此具备放大器实施例中对应的功能和有益效果。
79.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
80.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
81.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。