射频功率放大器的制作方法

1.本实用新型涉及射频功率放大器，并且具体地，涉及支持异网漫游的5g 射频功率放大器及射频模组。


背景技术：

2.射频功率放大器芯片(power amplifier，pa)是手机智能终端中重要的元件，其主要功能是将数据信号加载到特定载波频点，然后将信号放大到一定的功率，满足远端的基站的接收要求，以保持数据传输的稳定。
3.各运营商若各自独立部署，必然带来巨大的资源浪费。各运营商间的网络共享和异网漫游将是大幅降低5g基础设施投入的有效方案，各运营商在实施异网漫游服务以后所带来的经济效益也是非常可观的。
4.3g和4g网络通信协议制式上存在不同的标准，因此在各运营商间实施异网漫游时存在技术协调等多种难度。而5g通信协议是全球统一的标准，不存在跨制式漫游的技术困难。反而，统一的技术标准为各运营商间的合作提供的便利，加速了异网漫游服务的商业实现速度。
5.异网漫游对手机等终端设备来说，要尽可能满足全网通用，覆盖全部频率使用范围，来提高异网漫游服务的使用体验。5g射频功率放大器作为手机等终端的射频前端架构的主要组成部分，要尽可能覆盖到sub-6g的所有频率使用范围，以便在附近基站缺失某些频段下，也可以满足更高速的通信体验。


技术实现要素：

6.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，包括：驱动级放大器；功率级放大器；辅助驱动级放大器；辅助功率级放大器；以及频带切换开关，其中，所述频带切换开关被配置为用于频段切换以支持异网漫游服务中涵盖的频段范围内的射频信号发射；其中，所述驱动级放大器与所述功率级放大器组成级联结构，并且被配置为用于放大射频信号，以及其中，所述辅助驱动级放大器和所述辅助功率级放大器被配置为在高功率模式下开启，以对射频信号进行放大。
7.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述频段范围包括n28频段、n1频段、n41频段、n77频段、n78频段、和n79频段。
8.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述射频功率放大器被配置为根据射频终端与基站的距离来使用不同的频段进行上下行数据传输。
9.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述射频功率放大器被配置为：当射频终端与基站的距离在第一距离范围内时，使用高频频段进行上下行数据传输；当射频终端与基站的距离在第一距离和第二距离之间时，使用中等频段进行上下行数据传输；以及当射频终端与基站的距离在第二距离之外时，使用低频频段进行上下行数据传输。
10.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述射频功率放大器还包
括驱动级偏置电路和功率级偏置电路，其中，所述驱动级偏置电路被配置为分别为所述驱动级放大器和所述辅助驱动级放大器提供偏置电流，并且所述功率级偏置电路被配置为分别为所述功率级放大器和所述辅助功率级放大器提供偏置电流，使得在高功率模式下开启所述辅助驱动级放大器和所述辅助功率级放大器。
11.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述射频功率放大器还包括输入匹配网络、级间匹配网络以及输出匹配网络。
12.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，当射频功率放大器在高功率模式下时，所述级间匹配网络和所述输出匹配网络处于高电压模式。
13.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述输入匹配网络包括t型匹配电感以及串并联结构的n个电容，n为大于3的自然数，其中，所述t型匹配电感包括在其中心处的第一电阻，以及其中，所述串并联结构的n个电容中的n1个电容构成串联结构，以及所述串并联结构的n个电容中的n2个电容构成并联结构。
14.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述级间匹配网络包括由电感器和电容器组成的π型结构，其中，所述π型结构包括：并联连接在电源电压和级间匹配网络的输入节点之间的m1个电感器；并联连接在级间匹配网络的输出节点和接地节点之间的m2个电感器；以及并联连接在级间匹配网络的输入节点和级间匹配网络的输出节点之间的m3个电容器。
15.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述输出匹配网络包括：并联连接在电源电压和输出匹配网络的输入节点之间的x1个电感器；并联连接在输出匹配网络的输入节点和接地节点之间的x2个电容和电感串联结构；并联连接在输出匹配网络的输入节点和中间节点之间的x3个电容器；以及并联连接在中间节点和输出匹配网络的输出节点之间的x4个电容器。
16.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述电容器通过 gaas材料形成。
17.本实用新型的一方面提供一种射频功率放大器，其中，所述电感器通过 gaas材料或者金属打线来形成。
附图说明
18.图1是示出了通信系统中上下行覆盖范围的示意图；
19.图2是示出了根据本实用新型实施例的，支持异网漫游服务中涵盖的频段范围的5g射频功率放大器的工作原理的示意图；
20.图3是根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的示意图；
21.图4是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的电路图；
22.图5是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的驱动级放大器和功率级放大器的工作原理示意图；以及
23.图6是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的输入匹配网络的电路图；
24.图7是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的级间匹配网络的电路图；以及
25.图8是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的输出匹配网络的电路图。
具体实施方式
26.在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与
……
相关联”及其派生词是指包括、包括在
……
内、互连、包含、包含在
……
内、连接或与
……
连接、耦接或与
……
耦接、与
……
通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与
……
绑定、具有、具有属性、具有关系或与
……
有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“a、b、c中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：a、 b、c、a和b、a和c、b和c、a和b和c。
27.贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。
28.在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。
29.5g通信技术中的存在一个上下行不平衡问题，具体技术解释如下：基站作为通信传输的载体，将核心网的数据向下发射到手机等终端。由于信号在空中衰减，手机等终端距离基站距离越远，其可接收到的基站信号功率越小。为了保证下行信号的传输质量和传输距离，基站可以通过提高发射功率来增加终端的接收距离，通常基站的最大发射功率可以到达50dbm以上。而手机等终端设备由于尺寸和电池容量的限制，其上行的发射功率通常不是很大。 3gpp规定4g通信协议pc3的上行发射功率最大为23dbm，5g通信协议pc2 的上行发射功率最大为26dbm，其远小于基站的发射功率。
30.图1是示出了通信系统中上下行覆盖范围的示意图。
31.参考图1，当图1中的终端1靠近基站时，其处于nr的上下行覆盖范围内，可以进行上行和下行的信号传输。若终端1和基站的距离较远，其处于 nr下行的覆盖范围内，但是超过了nr上行的覆盖范围，此时，终端1可以进行下行的信号接收，不能进行上行信号的发射，这个就是5g通信技术中的上下行不平衡问题。
32.针对5g通信技术中的上下行不平衡的问题，可以通过两种方式解决；1) 使用频率较低的频段进行上行信号发射，由于频率低，空间传输损耗小，从而增大了上行信号的覆盖范围；2)增加上行信号的发射功率，来增加上行信号的覆盖范围。这就要求手机终端中的5g射频功率放大器，可以同时满足这两种方式，支持低频的nr信号发射，同时也可以提高nr信号的发射功率。
33.我国目前的三大电信运营商及广电所分配和其共享建设的主要5g频段范围如表1
所示(注：该表简单列举了我国当前5g通信所使用主要频段。 nr代表5g频段的简称)。移动和广电共享使用的700m低频段具有空间传输损耗低的优势，其基站和终端在上下行通信中整体信号覆盖范围是最大的。700m频段将是边远地区基站部署的最优选择。且在开通异网漫游服务情况下，电信或联通的用户使用手机终端也可以接入700m频段，使用5g 信号进行信息通信。
34.而在热点地区，手机终端最好支持三大运营商的所有使用频段，包括但不限于n28、n1、n41、n77、n78、n79等频段。这样手机终端可以使用当前所驻网的运营商进行通信，也可以在开通异网漫游服务情况下，切换到其他运营商。
35.表1.当前5g通信使用的主要频段情况
36.频段范围简称nr运营商及其合作使用情况700mn28广电、移动共享使用2.1gn1电信、联通共享使用2.6gn41移动使用3.5gn77/n78电信、联通共享使用4.9gn79移动使用
37.然而，常规结构的5g射频功率放大器存在支持nr频段较为单一的问题，其内部结构对于不同nr频段的支持范围不足，且一般无法进行功率提升或者提升发射功率的能力十分有限，尤其是在低频段工作时。由于支持的nr 频段较少，导致当前常规结构的5g射频功率放大器不能涵盖三大电信运营商及广电所提供的异网漫游服务中的所有频段，无法支持漫游到其他运营商的网络。
38.综上所述，对支持异网漫游的手机等终端上使用的5g射频功率放大器，要具有如下两点要求：
39.要求1：5g射频功率放大器要支持三大电信运营商及广电所提供的异网漫游服务中涵盖的频段范围。
40.在下文中将参考图2来描述支持异网漫游服务中涵盖的频段范围的5g 射频功率放大器的工作原理。
41.参考图2，在靠近基站区域时(例如，在距离基站的第一距离范围内)，优先使用3.5g/4.9g频段(高频率频段)进行上下行数据传输，带宽大，传输速度快，可以获得更好的网速体验效果。例如，附近基站无4.9g频段覆盖时，使用移动的手机终端用户可以漫游到3.5g频段范围，同样可以享受高速的数据传输体验。此外，在靠近基站区域，若无3.5g/4.9g中的某些频段，也可以使用2.1g/2.6g频段或者700m频段进行数据传输。
42.在远离基站区域时(例如，在距离基站的第一距离和第二距离范围之间)，超过了3.5g/4.9g的频段覆盖范围时，可以使用2.1g/2.6g频段(中等频率频段)进行上下行数据传输，也可以享受较快的传输速度。本领域技术人员应该理解，本文所述的2.1g/2.6g频段是主要频段的简称，其中可以包括 1.7g-2.7g中的众多个5g频段。
43.当手机终端距离基站距离更远(例如，在距离基站的第二距离范围之外)， 3.5g/4.9g频段和2.1g/2.6g频段均无法进行上行数据发射时，可以采用700m 频段(低频率频段)进行上行数据发射。例如，在我国偏远地区，移动部署了涵盖n28频段的5g服务基站，其附近的其他基站无3.5g/4.9g频段和 2.1g/2.6g频段覆盖时，使用联通或者电信的手机用户仍
可以漫游到n28频段范围进行数据通信，同样也可以享受5g带来的高速数据体验。本领域技术人员应该理解，本文所述的700m频段也是低频范围的简称，其中可以包括 700m-915m中的众多5g频段。
44.要求2：5g射频功率放大器要具有提升发射功率的能力。在上述一情况中，当上行覆盖距离刚刚超过最大范围一些时，基站无法接收到手机终端的上行发射信号。此时可以开启5g射频功率放大器的高功率模式，仍可以进行上行数据发射。尤其是在700m频段范围，信号空间损耗小，高功率模式可以进一步延展手机终端和基站的通信距离。
45.针对以上的问题，本实用新型以一个5g砷化镓(gaas)材料的两级射频功率放大器为例进行说明，本领域技术人员应该理解，本实用新型的概念同样也适用于其他cmos，gesi等工艺。根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器支持我国三大电信运营商及广电所提供的异网漫游服务中涵盖的5g nr频段范围，同时该5g射频功率放大器具有开启高功率模式的功能。这样，手机终端提前具备支持异网漫游的能力，会使得基站部署策略上更为灵活。而且，提高了手机终端对5g基站的广泛适应性，更易攻克异网漫游上下行通信的技术难点，降低5g基站非必要的重复建设和资源浪费。
46.图3是根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的示意图。
47.参考图3，本实用新型的构成主要由两部组成，包括虚线框内的5g射频功率放大模块和频段切换开关。其中5g射频功率放大模块由驱动级、功率级、驱动级偏置电路、功率级偏置电路、输入匹配网络、级间匹配网络和输出匹配网络组成。根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器具有覆盖5g 频段范围大，且可以进一步提升发射功率的能力。
48.参见图3，根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的频段切换开关中包括了nr1到nr4,共4个开关，但是本领域技术人员应该理解，此处是作为示例图来表述，本实用新型可以具有其他数量的开关。该频段切换开关的作用满足三大运营商所使用的频段进行切换的功能。其开关数量可以是2 个或者多个，应该以三大运营商及广电最终所开通的异网漫游服务的频段为参考。
49.此外，本领域技术人员应该理解，本实用新型以两级结构为例，当然也可以是由三级或者多级结构组成。
50.图4是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的电路图。
51.参考图4，虚线框代表整个5g射频功率放大模块的结构。射频信号(rfin) 进入输入匹配网络，选择性的输入需要被放大发射的射频信号。射频信号进入驱动级，驱动级偏置电路(bias1m)开启驱动级功率单元dm，并且为驱动级功率单元dm提供偏置电流；vcc1对驱动级功率单元dm进行供电。这里d是驱动级简称，m代表由多个驱动级的子单元组成。射频信号进入级间匹配电路，该级间匹配结构作为驱动级的负载结构，可以将驱动级的发射功率调整到合适的值，使其作为功率级的推动功率。射频信号进入功率级，功率级偏置电路(bias2m)开启功率级功率单元pm并且为功率级功率单元 pm提供偏置电流，vcc2对功率级功率单元pm进行供电。这里p是功率级简称，m代表由多个功率级的子单元组成。输出匹配网络作为功率级的负载结构，可以将需要发射的5g射频信号(rfout)调整到需要发射的功率范围内。最后，5g射频信号(rfout)经过频段切换开关，发射出去所需要的nr 频段信号。根据本实用新型实施例的5g射频功率放大模块结构中的输入匹配网络、级间匹配网络和输出匹配网络均采用宽带匹配结构，同时频段切换开关也支持三大运营商及广电最终所开通的
异网漫游服务的频段，这样该5g 射频功率放大器具有支持异网漫游的功能。
52.当由于基站和手机的距离较远时，如果手机终端的发射功率无法满足5g 基站的接收条件，射频功率放大器可以通过开启驱动级功率单元dm和功率级功率单元pm的同时，再通过偏置电路(bias1n和bias2n)开启驱动级功率单元dn和功率级功率单元pn，通过为驱动级功率单元dn和功率级功率单元pn提供偏置电流来继续提高发射功率。这里dn代表由n个驱动级的子单元组成，pn代表由n个功率级的子单元组成。再此基础上，也可以通过提高vcc1和vcc2的工作电压(高电压模式)，来进一步实现提高发射功率的目的。根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器通过开启高功率模式的功能，使得手机终端具备支持异网漫游的能力，会使得基站部署策略上更为灵活。
53.图5是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的驱动级放大器和功率级放大器的工作原理示意图。
54.参考图5，在射频功率放大器处于正常发射功率模式时，其发射功率如, 图5中(a)所示，此时仅开启驱动级功率单元dm和功率级功率单元pm。考虑到功耗问题，一般在常规工作时，射频功率放大器处于此模式下。当需要提高发射功率时，可以通过额外开启驱动级功率单元dn和功率级功率单元pn，使得射频功率放大器处于高功率模式时，如图5中(b)所示。当需要再进一步提高发射额功率时，可以在开启驱动级功率单元dm、dn和功率级功率单元pm、pn的同时，提高供电电压vcc1和vcc2，使得发射功率再进一步提升，如图5中(c)所示。
55.图6是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的输入匹配网络的电路图。
56.参考图6，根据本实用新型实施例的输入匹配网络结构由t型匹配电感 l1、l2和l3组成，其中r1电阻在t型结构中心，起到调整t型电感网络 q值的作用。t型匹配电感具有选频功能，对异网漫游以外的频段具有抑制作用。t型匹配电感右边为串并联的电容结构，由c1、c2、c3和c4组成，其中c1、c2和c3是串联结构，c3和c4是并联结构。该结构使得输入匹配网络具有了可调谐的能力。当虚线连线为断路时，其等效为c1、c2和c3电容的串联结构，实现了电容串联最大化；而当虚线连线为通路时，c1和c2 被短路，无电容作用，其等效为c3和c4电容的并联结构，实现了电容并联最大化。该电容结构除了具有同t型电感组合，一起构成输入阻抗匹配的作用，也起到了阻断直流信号进去驱动级的作用。c1和c2电容可以由两个或者多个串联结构组成。c3和c4电容可以由两个或者多个并联结构组成。虽然在本实用新型中示出的c1电容、c2电容、c3电容和c4电容在gaas材料上实现，但是本领域技术人员应该理解，l1、l2和l3电感，可以在gaas 材料上实现，也可以通过金属打线的等效电感来实现。
57.图7是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的级间匹配网络的电路图。
58.参考图7，根据本实用新型实施例的级间匹配网络是高q值宽带可调谐匹配网络，该匹配网络具有损耗低且宽带的特点。根据本实用新型实施例的级间匹配网络结构由π型结构组成，电感l1和l2、电感l3和l4分别为双并联结构，其中间部分由c1、c2、c3和c4电容组构成。电感l1和l2的并联结构可以有效降低直流供电的损耗，同时并联结构也具有q值高的优势。 c1、c2、c3和c4并联电容组，具有高q值的优势，同时可以调整c3和 c4电容间的连接线，来打开或者关闭c4电容，使得级间匹配网络具有可调节能力。l3和l4电感原理同l1和l2
电感一样，具有高q值作用。这样的π型结构组成高q值匹配网络，可以有效降低射频功率在级间匹配的能量损耗。当射频功率放大器在异网漫游服务中需要开启大功率模式时，高q值的级间匹配网络可以有效提升发射功率。
59.参考图7，根据本实用新型实施例，c1、c2、c3和c4电容可以由至少两个或者多个并联结构组成。c4电容具有打开或者关闭的功能，其可以由一个或者多个并联结构组成。l1和l2并联电感结构由两个或者多个并联结构组成，l3和l4并联电感结构由两个或者多个并联结构组成。虽然在本实用新型中示出的c1、c2、c3和c4电容在gaas材料上实现，但是本领域技术人员应该理解，l1、l2和l3、l4电感可以在gaas材料上实现，也可以通过金属打线的等效电感来实现。
60.图8是示出了根据本实用新型实施例的5g射频功率放大器的输出匹配网络的电路图。
61.参考图8，根据本实用新型实施例的输出匹配网络是高q值宽带可调谐匹配网络，该匹配网络具有频带外谐波抑制、频带内损耗低且带宽的特点。根据本实用新型实施例，c5电容和l5电感串联结构，其组合具有带外谐波抑制的能力，c6电容和l6电感串联结构，其组合同样也具有带外谐波抑制的能力。该结构的作用可以对异网漫游频段外的谐波进行抑制。通过两个或者多个结构组成，可以增大谐波抑制范围，并提高谐波抑制能力。电感l7 和l8的并联结构可以有效降低直流供电的损耗，同时并联结构也具有q值高的优势。c1、c2、c3、c4和c5并联电容组，具有高q值的优势，同时可以调整c4和c5电容间的连接线，来打开或者关闭c5电容，使得输出匹配网络具有可调节能力。l1、l2、l3和l4电感原理同l7和l8电感一样，具有高q值作用。当在异网漫游服务中，需要切换nr频段时，l1、l2、 l3和l4可以分别接到不用的nr开关端口，进行nr信号发射。这样的输出级匹配网络结构，可以有效降低射频功率在输出级的能量损耗。当射频功率放大器在异网漫游服务中需要开启大功率模式时，高q值的输出匹配网络可以有效提升发射功率。
62.根据本实用新型的实施例，c1、c2、c3、c4和c5电容可以由至少两个或者多个并联结构组成。c5电容具有打开或者关闭的功能，其可以由一个或者多个并联结构组成。l7和l8并联电感结构由两个或者多个并联结构组成， l1、l2、l3和l4并联电感结构由至少两个或者多个并联结构组成。虽然在本实用新型中示出的c1、c2、c3、c4和c5电容要在gaas材料上实现，但是本领域技术人员应该理解，l1、l2、l3、l4和l7、l8电感可以在gaas 材料上实现，也可以通过金属打线的等效电感来实现。
63.尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。
64.本实用新型中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。