变换器、功率匹配网络和数字功率放大器 |
|||||||
| 申请号 | CN201580074787.9 | 申请日 | 2015-01-27 | 公开(公告)号 | CN107210714A | 公开(公告)日 | 2017-09-26 |
| 申请人 | 华为技术有限公司; | 发明人 | 钱慧珍; 罗讯; 罗伯特·斯达世斯; | ||||
| 摘要 | 一种变换器(400)，其包括：初级绕组(401)，其包括第一端口(401a)、第二端口(401b)以及连接于所述第一端口(401a)与所述第二端口(401b)之间的金属层(413)，所述金属层(413)包括具有不同电气长度和/或特性阻抗的多个区段(Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4)；以及次级绕组(402)，其以电磁方式与所述初级绕组(401)耦合，所述次级绕组(402)包括第一端口(402a)、第二端口(402b)以及连接于所述第一端口(402a)与所述第二端口(402b)之间的金属层(423)，所述金属层(423)包括具有不同电气长度和/或特性阻抗的多个区段(Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z8/θ8、Z9/θ9、Z10/θ10)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种变换器(400)，其特征在于，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 变换器、功率匹配网络和数字功率放大器技术领域背景技术[0002] 多个通信标准使用具有紧凑大小和高功率效率的宽带功率放大器。目前，使用大量宽带PA设计解决方案，例如分布式放大器、平衡放大器、高位输出匹配放大器和可调放大 器。然而，此类解决方案具有以下问题。分布式PA通常具有不良阻抗匹配，因此其具有低功 率效率。平衡PA可实现在宽带上的良好输入/输出匹配。然而，其需要耦合器将输入信号分 离到子放大器中并组合输出功率，这是复杂的，当子放大器数目增加时尤其如此，借此增加 无源损耗和芯片面积这两者。合成高位输出匹配放大器需要输出中的多个电感器以及级间 匹配电路，它还增加了无源功率损耗和芯片面积这两者。具有紧凑大小的可调放大器在匹 配网络中使用低质量因数激活电路以实现宽操作带，这会降低效率。 [0003] 需要提供用于功率有效的宽带功率放大器的紧凑型设计。 发明内容[0004] 本发明的目标为提供用于改进具有紧凑大小的宽带功率放大器的功率效率的解决方案。 [0006] 本发明中所描述的基本概念是引入具有堆叠步进式阻抗(stacked stepped-impedance，SSI)变换器的紧凑型功率放大器输出匹配网络以在跟踪宽带宽内的最佳负载 阻抗的同时改进功率效率。此解决方案具有宽带宽、高效率以及紧凑大小的显著优点。可在 各种宽带匹配网络中应用SSI变换器以改进针对紧凑大小的功率效率，所述宽带匹配网络 例如A类、B类、AB类、C类、D类、E类、E-1类、F类、F-1类、G类等。堆叠步进式阻抗(SSI)变换器具有一些特性。第一，它由步进式阻抗电感器形成。第二，初级绕组和次级绕组可位于不同金 属处；不同绕组可堆叠式耦合。第三，初级或次级绕组可使用并联绕组，其进一步改进耦合 因数和Q(质量因数)。 [0007] 为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩写和符号： [0008] PA： 功率放大器 [0009] DPA： 数字功率放大器 [0010] SSI： 堆叠步进式阻抗 [0011] Z： 特性阻抗 [0012] 电气长度 [0013] Q： 质量因数 [0014] M： 金属层 [0015] RF： 射频 [0016] 在下文中，描述以特性阻抗、电气长度和质量因数为特征的电气电路和变换器。均匀传输线的特性阻抗是沿着所述线传播的单个波的电压和电流的幅值的比，也就是说，在 不存在沿其它方向的反射的情况下，波沿一个方向行进。通过输电线的几何形状和材料确 定特性阻抗。对于均匀线，特性阻抗不取决于其长度。电气长度是指就通过在某一频率下经 由导体的传输引入的相移来说，电导体的长度。质量因数或Q因数是描述振荡器或谐振器的 欠阻尼程度或等效地表征谐振器相对于其中心频率的带宽的无量纲参数。较高Q指示能量 损耗相对于谐振器的所存储能量的较低比率，即，振荡较缓慢地逐渐消失。 [0017] 在下文中，描述供在D类放大器和E类放大器中使用的变换器。D类放大器是其中通常由MOSFET实施的例如晶体管的放大设备作为电子开关而非线性增益设备进行操作的电 子放大器。将放大的信号是一连串恒定幅值脉冲，因此有源设备在完全导电状态与非导电 状态之间来回快速地切换。在E类放大器中，晶体管作为通/断开关进行操作，且负载网络对 电压和电流波形进行塑形以防止在晶体管中同时存在高电压和高电流。此操作将尤其在开 关转变期间的功率损耗最小化。 [0018] 根据第一方面，本发明涉及一种变换器，其包括：初级绕组，其包括第一端口、第二端口以及连接于所述第一端口与所述第二端口之间的金属层，所述金属层包括具有不同宽度的多个区段；以及次级绕组，其以电磁方式与所述初级绕组耦合，所述次级绕组包括第一 端口、第二端口以及连接于所述第一端口与所述第二端口之间的金属层，所述金属层包括 具有不同宽度的多个区段。 [0019] 当在功率放大器中使用所述变换器时，可使用紧凑设计以功率高效的方式实现所述功率放大器。两个绕组通过具有不同宽度的多个区段的金属层的实施方案为功率高效的 宽带功率放大器提供紧凑设计。 [0020] 在根据第一方面的所述变换器的第一可能实施形式中，通过使所述次级绕组的至少主要部分布置在所述初级绕组下方或上方来使所述初级绕组与所述次级绕组堆叠式耦 合。 [0021] 通过使用所述堆叠式耦合，可在小空间下提供高质量因数。因此，可以紧凑方式实现功率放大器的设计。 [0022] 在根据第一方面的所述变换器的第二可能实施形式中，通过使所述初级绕组与所述次级绕组在同一平面上来使两个绕组平面式耦合。 [0023] 通过使用平面式耦合，可以高效方式制造变换器。 [0024] 在根据第一方面的所述变换器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第三可能实施形式中，所述初级绕组或所述次级绕组中的至少一者包括与所述初级绕组 或所述次级绕组中的所述至少一者并联布置的辅助绕组。 [0025] 使用此类辅助绕组改进两个绕组之间的耦合因数以及还有电感器的质量因数。 [0026] 在根据第一方面的变换器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第四可能实施形式中，所述初级绕组和/或所述次级绕组的所述金属层的所述多个区段的每 一区段具有不同局部特性阻抗。 [0027] 此设计带来通过相同电路大小调节电感的更大自由度并实现改进的质量因数。 [0028] 在根据第一方面的变换器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第五可能实施形式中，所述初级绕组和/或所述次级绕组的所述金属层的所述多个区段的每 一区段具有不同或相同电气长度。 [0029] 此设计带来通过相同电路大小调节电感的更大自由度并实现改进的质量因数。 [0030] 在根据第一方面的变换器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第六可能实施形式中，所述初级绕组的所述金属层布置在单个平面上，以及/或者所述次级绕 组的所述金属层布置在单个平面上。 [0031] 通过将所述初级绕组的所述金属层和/或所述次级绕组的所述金属层布置在单个平面上，可促进芯片设计且可高效地制造所述变换器。 [0032] 在根据第一方面的变换器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第七可能实施形式中，所述初级绕组的所述金属层相对于所述初级绕组的所述第一端口和所 述第二端口对称地布置，具体来说，相对于所述初级绕组的所述第一端口和所述第二端口 的垂直二等分线对称地布置；和/或所述次级绕组的所述金属层相对于所述次级绕组的所 述第一端口和所述第二端口对称地布置，具体来说，相对于所述次级绕组的所述第一端口 和所述第二端口的垂直二等分线对称地布置。 [0033] 通过使用此类对称设计，可容易地得到所述变换器的传输线模型，且所述设计提供高度灵活性以及准确性，所述变换器适用于差动PA电路设计。 [0034] 在变换器根据第一方面的第七实施形式的第八可能实施形式中，所述初级绕组的所述金属层的每一区段包括具有相同宽度的第一子区段和第二子区段，所述第一子区段与 所述第二子区段相对于所述初级绕组的所述第一端口和所述第二端口对称地布置；以及/ 或者所述次级绕组的所述金属层的每一区段包括具有相同宽度的第一子区段和第二子区 段，所述第一子区段与所述第二子区段相对于所述次级绕组的所述第一端口和所述第二端 口对称地布置。 [0035] 通过使用具有相等宽度的两个对称地设计的子区段，在为差动PA匹配网络提供改进的质量因数的同时可以紧凑方式设计所述变换器。 [0036] 在变换器根据第一方面的第三实施形式的第九可能实施形式中，所述辅助绕组的所述金属层与所述初级绕组或所述次级绕组中的所述至少一者的主绕组布置在同一金属 层上。 [0037] 通过此类布置，可改进所述变换器的Q因数。 [0038] 在变换器根据第一方面的第三实施形式的第十可能实施形式中，所述初级绕组或次级绕组中的所述至少一者的所述辅助绕组布置在所述初级绕组或所述次级绕组中的所 述至少一者的主绕组内部。 [0039] 通过此类设计，改进所述初级绕组与次级绕组之间的磁耦合以及因此改进耦合因数k。 [0041] 通过此类设计，所述初级绕组与次级绕组之间的磁耦合来自水平方向和垂直方向两者。这进一步改进两个绕组之间的耦合因数k以促进宽带操作。 [0042] 在根据第一方面的所述变换器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第十二可能实施形式中，所述初级绕组的所述金属层包括具有四个不同宽度的区段；所 述次级绕组的所述金属层由具有三个不同特性阻抗和四个不同电气长度的主绕组以及具 有两个不同特性阻抗和两个不同电气长度的并联辅助绕组形成，所述次级绕组的所述主绕 组堆叠在所述初级绕组下方且所述次级绕组的所述辅助绕组位于所述初级绕组内部。 [0043] 示出此类设计经以提供关于在紧凑设计下跨越较大频率范围的耦合效率的最佳结果并且还提供了改进的质量因数。 [0044] 根据第二方面本发明涉及一种功率匹配网络，所述功率匹配网络包括：根据第一方面的依据或根据第一方面的实施形式中的任一者的变换器；一对输入电容，每一输入电 容耦合到初级绕组的相应端口；以及输出电容，其耦合于次级绕组的第一端口与第二端口 之间。 [0045] 此类功率匹配网络可替换经典的E类匹配网络，借此使无源组件的数目最小化。在此匹配网络中仅需要三个固定无源组件，即，输入电容Cp(包括开关设备的寄生电容)、输出 电容Cout以及SSI变换器。将宽带基本谐振槽吸纳到功率匹配网络中，以允许基频的电流通 过。可在任何类型的功率放大器中使用所述功率匹配网络。 [0046] 根据第三方面，本发明涉及一种数字功率放大器，其包括：根据第二方面的功率匹配网络；以及差动级联开关模式晶体管阵列，其耦合到初级绕组的第一端口和第二端口，其 中负载可连接到次级绕组的第一端口和第二端口。 [0047] 在此类数字功率放大器中，所述功率匹配网络的SSI变换器执行从激活电路的最佳负载到天线负载的阻抗变换，同时组合所有DPA单元电流并充当带通匹配网络的一部分。 可以宽操作带内的低插入损耗和高电感比实施SSI变换器以实现具有高效率和高输出功率 的宽带DPA。 [0048] 根据第四方面，本发明涉及一种电感器，其包括：第一端口、第二端口以及连接在所述第一端口与所述第二端口之间的金属层，所述金属层包括具有不同宽度的多个区段。 [0049] 此电感器当在变换器中使用时为所述变换器提供紧凑设计。当在功率放大器中使用所述变换器时，可使用紧凑设计以功率高效的方式实现所述功率放大器。两个绕组通过 具有不同宽度的多个区段的金属层的实施方案为功率高效的宽带功率放大器提供紧凑设 计。 [0050] 在根据第四方面的电感器的第一可能实施形式中，所述金属层的所述多个区段的每一区段具有不同局部特性阻抗。 [0051] 此设计带来通过相同电路大小调节电感的更大自由度并实现改进的质量因数。 [0052] 在根据第四方面的电感器依据或根据第一方面的第一个实施形式的第二可能实施形式中，所述金属层的所述多个区段的每一区段具有不同电气长度。 [0053] 此设计带来通过相同电路大小调节电感的更大自由度并实现改进的质量因数。 [0054] 在根据第四方面的电感器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第三可能实施形式中，所述金属层布置在单个平面上。 [0055] 通过将所述电感器的所述金属层布置在单个平面上，可促进使用此类电感器的芯片设计，并可高效地制造使用此类电感器的变换器。 [0056] 在根据第四方面的电感器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第四可能实施形式中，所述金属层相对于所述第一端口和所述第二端口对称地布置，具体来 说，相对于所述第一端口和所述第二端口的垂直二等分线对称地布置。 [0057] 通过使用此类对称设计，可容易地得到所述电感器传输线模型，且所述设计提供高度灵活性以及准确性，所述变换器适用于差动PA电路设计。 [0058] 在根据第四方面的电感器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第五可能实施形式中，每一区段包括具有相同宽度的第一子区段和第二子区段，所述第一子 区段与所述第二子区段相对于所述第一端口和所述第二端口对称地布置。 [0059] 通过使用具有相等宽度的两个对称地设计的子区段，在提供改进的质量因数的同时可以紧凑方式设计所述电感器。 [0060] 在根据第四方面的电感器依据或根据第一方面的前述实施形式中的任一者的第六可能实施形式中，所述金属层包括分支，所述分支具有不同于所述金属层的所述区段的 宽度。 [0061] 通过使用此类分支作为具有不同宽度的额外区段，可为电感器的设计提供改进的质量因数。 [0062] 根据第五方面，本发明涉及一种变换器，其包括：初级绕组；以及次级绕组，其以电磁方式与所述初级绕组耦合，其中所述初级绕组和所述次级绕组中的至少一者包括根据第四方面的依据或根据第四方面的实施形式中的任一者的电感器。 [0063] 当在功率放大器中使用所述变换器时，可使用紧凑设计以功率高效的方式实现所述功率放大器。两个绕组通过具有不同宽度的多个区段的金属层的实施方案为功率高效的 宽带功率放大器提供紧凑设计。 [0064] 在根据第五方面的变换器的第一可能实施形式中，两个绕组包括根据第四方面的依据或根据第四方面的实施形式中的任一者的电感器，两个电感器的金属层布置在不同平 面处。 [0065] 当将两个电感器的金属层布置在不同平面处时，沿水平和垂直方向执行耦合，因此改进耦合因数k和质量因数Q。 [0066] 在根据第五方面的变换器依据或根据第五方面的第一个实施形式的第二可能实施形式中，通过使所述次级绕组布置在所述初级绕组下方或上方来使所述初级绕组与所述 次级绕组堆叠式耦合。 [0067] 当使所述次级绕组布置在所述初级绕组下方或上方时，沿水平和垂直方向执行耦合，因此改进耦合因数k和质量因数Q。 [0068] 在根据第五方面的变换器依据或根据第五方面的前述实施形式中的任一者的第三可能实施形式中，所述两个绕组中的至少一者包括主绕组以及与所述主绕组并联布置的 至少一个辅助绕组。 [0069] 使用与所述主绕组并联的辅助绕组进一步改进变换器的质量因数。 [0070] 在根据第五方面的第三实施形式的变换器的第四可能实施形式中，所述次级绕组的所述至少一个辅助绕组与所述初级绕组的所述主绕组布置在第一平面上，且所述次级绕 组的所述主绕组布置在位于所述第一平面下方或上方的第二平面上。 [0071] 通过此类设计，沿水平和垂直方向执行耦合，因此改进耦合因数k和质量因数Q。 [0072] 在根据第五方面的第四实施形式的变换器的第五可能实施形式中，所述次级绕组的所述至少一个辅助绕组布置在所述初级绕组的所述主绕组内部。 [0073] 将所述辅助绕组布置在所述主绕组内部带来非常紧凑的设计，同时改进变换器的耦合因数k。 [0074] 在根据第五方面的第五实施形式的变换器的第六可能实施形式中，所述次级绕组的所述主绕组的两个线圈布置在所述初级绕组的顶部边缘处。 [0075] 通过此类设计，所述初级绕组与次级绕组之间的磁耦合来自水平方向和垂直方向两者。这进一步改进两个绕组之间的耦合因数k以促进宽带操作。 [0076] 根据第六方面，本发明涉及一种供在数字或模拟功率放大器中使用的功率匹配网络，所述功率匹配网络包括：根据第五方面的依据或根据第五方面的实施形式中的任一者 的变换器；一对输入电容，每一输入电容耦合到初级绕组的相应端口；以及耦合在次级绕组 的第一端口与第二端口之间的输出电容。 [0077] 此类功率匹配网络可替换经典的E类匹配网络，借此使无源组件的数目最小化。在此匹配网络中仅需要三个固定无源组件，即，输入电容Cp(包括开关设备的寄生电容)、输出 电容Cout以及SSI变换器。将宽带基本谐振槽吸纳到功率匹配网络中，以允许基频的电流通 过。 附图说明[0078] 将关于以下附图来描述本发明的另外实施例，在附图中： [0079] 图1a示出说明根据实施形式的步进式阻抗电感器100的示意图； [0080] 图1b示出说明根据实施形式的图1a中所描绘的步进式阻抗电感器100的传输线模型101的框图； [0081] 图2a示出说明根据实施形式的图1a中所描绘的步进式阻抗电感器100的偶模等效电路图200的框图； [0082] 图2b示出说明根据实施形式的图1a中所描绘的步进式阻抗电感器100的奇模等效电路图201的框图； [0083] 图3示出说明包括步进式阻抗电感器100的不同电感器类型的质量因数和电感(小图)对频率的图示300； [0084] 图4a示出说明根据3维视图中的实施形式的堆叠步进式阻抗变换器400的电路图； [0085] 图4b示出说明根据实施形式的图4a中所描绘的SSI变换器400的初级绕组401的简化传输线模型的电路图； [0086] 图4c示出说明根据实施形式的图4a中所描绘的SSI变换器400的次级绕组402的简化传输线模型的电路图； [0087] 图5示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的数字功率放大器500的电路图； [0088] 图6a示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的不同变换器类型的耦合因数k对频率的图示600a； [0089] 图6b示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的不同变换器类型的电感比对频率的图示600b； [0090] 图6c示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的不同变换器类型的以百分比计的无源功率效率对频率的图示600c； [0091] 图7示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的数字极性调制器700的电路图； [0092] 图8示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的数字IQ发射器800的电路图； [0093] 图9示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的模拟功率放大器900的电路图；以及 [0094] 图10示出说明用于产生根据实施形式的变换器的方法1000的示意图。 具体实施方式[0095] 以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过说明的方式示出可以实践本发明的具体方面。应理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面， 并可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由 所附权利要求书界定。 [0096] 应理解，结合所描述的方法作出的评论对于用于执行所述方法的对应的设备或系统也可以同样适用且反之亦然。举例来说，如果描述了具体方法步骤，那么对应的设备可以 包括执行所描述的方法步骤的单元，即使此类单元未在图中明确描述或说明也是如此。另 外，应理解，除非以另外的方式专门指出，否则本文中描述的多种示例性方面的特征可以彼 此组合。 [0097] 图1a示出说明根据实施形式的步进式阻抗电感器100的示意图，且图1b示出说明步进式阻抗电感器100的传输线模型101的框图。 [0098] 步进式阻抗电感器100包括第一端口111、第二端口112以及连接于第一端口111与第二端口112之间的金属层113，所述金属层113包括具有不同宽度的多个区段121a/b、 122a/b、123a/b。金属层113的多个区段的每一区段121a/b、122a/b、123a/b可具有不同局部特性阻抗且可具有不同电气长度。在图1a的实例中，金属层113布置在单个平面上。在图1a 的实例中，金属层113相对于第一端口111和第二端口112对称地布置，具体来说，相对于第 一端口111和第二端口112的垂直二等分线AA'对称地布置。 [0099] 在图1的实例中，每一区段121a/b、122a/b、123a/b包括具有相同宽度的第一子区段121a、122a、123a与第二子区段121b、122b、123b，所述第一子区段121a、122a、123a与所述第二子区段121b、122b、123b相对于第一端口111和第二端口112对称地布置。在图1的实例 中，金属层113包括具有不同于金属层113的其它区段122a/b、123a/b的宽度的分支121a、 121b。 [0100] 图2a示出说明根据实施形式的图1a中所描绘的步进式阻抗电感器100的偶模等效电路图200的框图，且图2b示出说明根据实施形式的图1a中所描绘的步进式阻抗电感器100 的奇模等效电路图201的框图。 [0101] 此类型的电感器采用具有不同宽度(即，不同局部特性阻抗Z)和各种长度(即，电气长度θ)的区段。以下等式示出，与常规均匀阻抗电感器相比，步进式阻抗电感器100不仅 引入通过相同电路大小调节电感的更多自由度，而且实现改进后的Q，如下文关于图3所说 明。 [0102] 对于图2a中所描绘的偶模电路，可根据等式(1)计算输入阻抗Zine [0103] [0104] 其中 [0105] E2＝tanθ1tanθ2tanθ3 (2) [0106] 对于图2b中所描绘的奇模电路，可根据等式(3)计算输入阻抗Zino： [0107] [0108] 其中 [0109] [0110] 可根据等式(5)计算特性阻抗Z11： [0111] [0112] 可根据等式(6)计算质量因数Q： [0113] [0114] 图3示出说明包括步进式阻抗电感器100的不同电感器类型的质量因数对频率的图示300。第一曲线301描绘I型步进式阻抗电感器的特性，第二曲线302描绘II型步进式阻 抗电感器的特性，且第三曲线303描绘均匀阻抗的常规电感器的特性，即，具有仅单个宽度 的金属层。第二图示300a示出相应电感器类型的电感对频率特性。图3中所描绘的全波EM模 拟结果证明与常规均匀阻抗电感器303相比，步进式阻抗电感器301、302的较高Q的优点。 [0115] 图4a示出说明根据3维视图中的实施形式的堆叠步进式阻抗变换器400的电路图。图4b示出说明根据实施形式的图4a中所描绘的SSI变换器400的初级绕组401的简化传输线 模型的电路图。图4c示出说明根据实施形式的图4a中所描绘的SSI变换器400的次级绕组 402的简化传输线模型的电路图。 [0116] 变换器400包括初级绕组401，例如实施为如上文关于图1到3所描述的步进式电感器100，以及次级绕组402，例如实施为如上文关于图1到3所描述的步进式电感器100。 [0117] 初级绕组401包括第一端口401a、第二端口401b以及连接于第一端口401a与第二端口401b之间的金属层413，所述金属层413包括具有不同电气长度和特性阻抗的多个区段 Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4。次级绕组402以电磁方式与初级绕组401耦合。次级绕组402包括第一端口402a、第二端口402b以及连接于第一端口402a与第二端口402b之间的金属层423。金 属层423包括具有不同电气长度和特性阻抗的多个区段Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z8/θ8、Z9/θ9、Z10/θ10。 [0118] 请注意，关于根据本发明的电气长度和特性阻抗，以下情况可适用：所有Zi彼此不同且所有θi彼此不同；关系Zi/θi对于所有i不同；Zi是相同的且θi是不同的；Zi是不同的且θi是相同的；Zi中的一些Zi是相同的且θi中的一些θi是不同的；Zi中的一些Zi是不同的且θi中的一些θi是相同的。任何其它变化也可适用。 [0119] 在图4的实例中，通过将次级绕组402的至少一主要部分布置在初级绕组401下方或上方来使初级绕组401与次级绕组402堆叠式耦合。可通过使初级绕组401与次级绕组402 在同一平面上来使两个绕组401、402平面式耦合。 [0120] 初级绕组401或次级绕组402中的至少一者可包括与初级绕组401或次级绕组402中的至少一者并联布置的辅助绕组403。在图4a和图4c的实例中，初级绕组401包括与次级 绕组402并联布置的辅助绕组403。 [0121] 初级绕组401和/或次级绕组402的金属层413、423的多个区段Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4、Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z8/θ8、Z9/θ9、Z10/θ10的每一区段可具有不同局部特性阻抗Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10。初级绕组401和/或次级绕组402的金属层413、423的多个区段Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4、Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z8/θ8、Z9/θ9、Z10/θ10的每一区段可具有不同或相同电气长度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7、θ8、θ9、θ10。 [0122] 初级绕组401的金属层413可以布置在单个平面上，以及/或者次级绕组402的金属层423可以布置在单个平面上。在图4a、4b和4c的实例中，初级绕组401的金属层413相对于 初级绕组401的第一端口401a和第二端口401b对称地布置，具体来说，相对于初级绕组401 的第一端口401a和第二端口401b的垂直二等分线AA'(在图4b/c中示出)对称地布置。在图 4a、4b和4c的实例中，次级绕组402的金属层423相对于次级绕组402的第一端口402a和第二 端口402b对称地布置，具体来说，相对于次级绕组402的第一端口402a和第二端口402b的垂 直二等分线AA'对称地布置。 [0123] 在图4a、4b、4c的实例中，初级绕组401的金属层413的每一区段Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4包括具有相同尺寸的第一子区段和第二子区段。第一子区段和第二子区段相对于初级绕组401的第一端口401a和第二端口401b对称地布置。次级绕组402的金属层的每一区段 Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z8/θ8、Z9/θ9、Z10/θ10包括具有相同尺寸的第一子区段和第二子区段。第一子区段和第二子区段相对于次级绕组402的第一端口402a和第二端口402b对称地布置。 [0124] 辅助绕组403的金属层可与初级绕组401或次级绕组402中的至少一者的主绕组布置在同一金属层413、423上。初级绕组401或次级绕组402中的至少一者的辅助绕组403可以 布置在初级绕组401或次级绕组402中的至少一者的主绕组内部。 [0125] 在图4c的实例中，次级绕组402的主绕组的两个匝布置在初级绕组401的主绕组的顶部边缘处。可使用任何其它匝数。在图4b的实例中，初级绕组401的金属层413包括具有四 个不同电气长度和特性阻抗的区段Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4。可使用不同于四个的任何其它数目。在图4c的实例中，次级绕组402的金属层423由具有三个不同特性阻抗Z5、Z6、Z7和四个不同电气长度θ5、θ6、θ7、θ10的主绕组以及具有两个不同特性阻抗Z8、Z9和两个不同电气长度θ8、θ9的并联辅助绕组403形成。次级绕组402的主绕组堆叠在初级绕组401下方，且次级绕组 402的辅助绕组403位于初级绕组401内部。也可对所述主绕组和辅助绕组使用任何其它数 目的宽度和电气长度。 [0126] 在图4的实例中，为改进变换器的Q因数，使用两个步进式阻抗电感器形成初级绕组401和次级绕组402。初级绕组401位于具有4个不同电气长度和特性阻抗Zk/θk的超厚金属 M7处，k＝1、…、4。次级绕组402由两个并联绕组403形成。在金属M6处的具有4个不同特性阻抗和电气长度Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z10/θ10的一个主绕组堆叠于初级绕组401下方。同时，在M7处的具有2个不同区段Z8/θ8、Z9/θ9的并联绕组403实施于初级绕组401内部，因此初级绕组 401与次级绕组402之间的磁耦合来自水平方向和垂直方向两者。这进一步改进两个绕组 401、402之间的耦合因数k以促进宽带操作。还归因于并联绕组403而减小次级绕组402的总 串联电阻以改进Q。此外，次级主绕组402的两个线圈处于初级绕组401的顶部边缘以减小绕 组间寄生电容。 [0127] 图5示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的数字功率放大器500的电路图。数字功率放大器500包括：功率匹配网络501；以及差动级联开关模式晶体 管阵列502，其耦合到初级绕组401的第一端口401a和第二端口401b。负载RL可连接到次级 绕组402的第一端口402a和第二端口402b。功率匹配网络501包括：变换器400，例如，如上文关于图4所描述的变换器400；一对输入电容Cp，每一输入电容Cp耦合到初级绕组401的相应 端口401a、401b；以及输出电容Cout，其耦合于次级绕组402第一端口402a与第二端口402b之间。驱动电压VDD连接到初级绕组401的中间区段401c。中间区段401c位于第一端口401a与 第二端口401b之间的金属层413的中间。 [0128] 功率匹配网络501是如在图5的上部部分中所描绘的具有宽带谐振槽521的E类匹配网络520的实施方案。此E类匹配网络520包括：RF扼流器523，其耦合于驱动电压VDD与E类 匹配网络520的输入端524之间，所述E类匹配网络520通过外围电容Cp1耦合到地面；宽带谐 振槽521，其耦合于E类匹配网络520的输入端524与阻抗变换网络522之间且经由辅助电感 Lx耦合到阻抗变换网络522的输入端，所述阻抗变换网络522的输出端526可耦合到负载RL。 匹配网络520的输入端524可耦合到交换网络525。 [0129] 差动级联开关模式晶体管阵列502包括并联连接的多个射频(RF)开关RFM1+、RFM31+、RFM1-、RFM31-、RFL1+、RFL7+、RFL1-、RFL7-。每一射频开关包括串联连接于控制电压VG与地电位之间的一对晶体管511、512。 [0130] 图5示出数字功率放大器(DPA)中的SSI变换器400的实施实例。将DPA设计和优化为E类以实现高效率。将经典的具有宽带谐振槽521的E类匹配网络520转换成新拓朴501以 最小化无源组件的数目。在此匹配网络中仅需要三个固定无源组件，即Cp(包括开关设备的 寄生电容)、Cout和SSI变换器400。宽带基本谐振槽521(L0和C0)被吸纳到新网络501中以允许传送基频的电流。SSI变换器400执行从激活电路的最佳负载到50欧姆天线负载的阻抗变 换，同时组合所有DPA单元电流并充当带通匹配网络的一部分。为实现具有高效率和高输出 功率的宽带DPA，使用在宽操作带内具有低插入损耗和高电感比的变换器。 [0131] 在一实例中，DPA包括使用差动级联开关模式PA阵列的具有例如5位MSB和3位LSB的2个片段的8位DPA核心。可例如基于基频负载-牵拉模拟预测将DPA阵列的drain+节点处 的优化负载阻抗维持于3.5GHz到9.5GHz的示例性频率范围内的6.5+j3欧姆的示例性值下。 因此，可为变换器选择约3.8的电感比(50/(2х6.5))。 [0132] 图6a示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的不同变换器类型的耦合因数k对频率的图示600a。图6b示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI 变换器400的不同变换器类型的电感比对频率的图示600b。图6c示出说明根据实施形式的 包括图4中所描绘的SSI变换器400的不同变换器类型的以百分比计的无源功率效率对频率 的图示600c。曲线601说明如上文关于图4所描述的SSI变换器，曲线602说明堆叠式耦合变 换器(无并联绕组和步进式阻抗)，且曲线603说明平面式耦合变换器。 [0133] 图6a/b/c示出与平面式耦合变换器603和堆叠式耦合变换器602相比具有较高耦合因数的SSI变换器601。具有类似大小，SSI变换器601还呈现较高电感比的优点，因此实现 从3GHz到10GHz的约3.8的设计目标。比较3种类型的变换器的总无源匹配网络501的效率 (包括Cp、Cout和级联设备510漏极的寄生电容)。基于全波EM模拟，匹配网络501呈现77％峰 值效率，在高于4.5GHz的频率下超过60％。其维持从3GHz到11GHz的宽带宽。 [0134] 图7示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的数字极性调制器700的电路图。数字极性调制器700包括CORDIC单元710以提供输入信号的相位和幅值。相 位调制器711处理相位，幅值调制器712处理幅值。调制后的幅值传送到温度计解码器713a、 713b，且调制后的相位信号传送到输入平衡-不平衡转换器714。第一温度计解码器713a的 MSB输出传送到第一驱动器以及驱动器和放大器单元702的功率放大器阵列715a。第一温度 计解码器713a的LSB输出传送到第二驱动器以及驱动器和放大器单元702的功率放大器阵 列715b。第二温度计解码器713b的MSB输出传送到第三驱动器以及驱动器和放大器单元702 的功率放大器阵列715c。第二温度计解码器713b的LSB输出传送到第四驱动器以及驱动器 和放大器单元702的功率放大器阵列715d。驱动器和放大器单元702的输出传送到可对应于 上文关于图4所描述的SSI变换器的SSI变换器400。 [0135] 输入到温度计解码器713a、713b的数字包络信号控制DPA切换单元。为布局对称布线使用两个解码器713a、713b。具有RF载波频率的相位调制信号通过输入平衡-不平衡转换 器714产生差动RF信号。数字“与”门组合RF载波与数字包络信号以形成方波向量，所述方波向量馈送实施为D类放大器的DPA驱动器。驱动器702由对于不同大小的DPA单位单元具有优 化驱动能力的逆变器链715a、715b、715c、715d构成。其对于系统效率优化是关键的，这是因为其功率消耗随着操作频率变高而显著地增加。因此，MSB PA单元的驱动器702大小是LSB PA单元的驱动器的3.5倍。驱动器接着馈送E类PA输出级而无需任何级间匹配。 [0136] 图8示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的数字IQ发射器800的电路图。输入信号的同相部分I传送到受本地振荡器LO控制的第一射频数模转换器 RF-DAC 802a。输入信号的正交部分Q传送到受同一本地振荡器LO控制的第二射频数模转换 器RF-DAC 802b。第一射频数模转换器RF-DAC 802a和第二射频数模转换器RF-DAC 802b的 两个输出传送到SSI变换器400的输入，所述SSI变换器400的输出端耦合到与输出电容Cout 并联的负载RL。SSI变换器400可对应于上文关于图4所描述的SSI变换器。 [0137] 图9示出说明根据实施形式的包括图4中所描绘的SSI变换器400的模拟功率放大器900的电路图。输入信号RFin传送通过功率放大器激活电路902，所述功率放大器激活电路 902的输出端连接到SSI变换器400的输入端。SSI变换器400的输出端耦合到与输出电容Cout 并联的负载RL。SSI变换器400的输入端经由电容903a、903b耦合到地面。SSI变换器400产生 输出信号RFout，作为输入信号RFin的功率放大后的版本。SSI变换器400可对应于上文关于图 4所描述的SSI变换器。 [0138] 具有SSI变换器400的模拟PA 900可以是任何类型的操作类别，例如包括A类、B类、AB类、C类、D类、E类、E-1类、F类、F-1类、G类等。 [0139] 图10示出说明用于产生根据实施形式的变换器的方法1000的示意图。方法1000包括形成1001包括第一端口401a、第二端口401b以及连接于第一端口401a与第二端口401b之 间的金属层413的初级绕组401，金属层413包括具有不同电气长度和特性阻抗的多个区段 Z1/θ1、Z2/θ2、Z3/θ3、Z4/θ4。方法1000进一步包括形成1002以电磁方式与初级绕组401耦合的次级绕组402，次级绕组402包括第一端口402a、第二端口402b以及连接于第一端口402a与 第二端口402b之间的金属层423，金属层423包括具有不同电气长度和特性阻抗的多个区段 Z5/θ5、Z6/θ6、Z7/θ7、Z8/θ8、Z9/θ9、Z10/θ10。 [0140] 方法1000可包括通过将次级绕组的至少主要部分布置在初级绕组下方或上方来使初级绕组与次级绕组堆叠式耦合。方法1000可包括通过将初级绕组和次级绕组布置在同 一平面上来使所述两个绕组平面式耦合。 [0141] 方法1000可包括将初级绕组或次级绕组中的至少一者的辅助绕组与初级绕组或次级绕组中的至少一者并联地布置。初级绕组和/或次级绕组的金属层的多个区段的每一 区段可具有不同局部特性阻抗。初级绕组和/或次级绕组的金属层的多个区段的每一区段 可具有不同或相同电气长度。 [0142] 方法1000可包括将初级绕组的金属层布置在单个平面上和/或将次级绕组的金属层布置在单个平面上。 [0143] 方法1000可包括相对于初级绕组的第一端口和第二端口对称地布置初级绕组的金属层，具体来说，相对于初级绕组的第一端口和第二端口的垂直二等分线对称地布置初 级绕组的金属层；以及/或者相对于次级绕组的第一端口和第二端口对称地布置次级绕组 的金属层，具体来说，相对于次级绕组的第一端口和第二端口的垂直二等分线对称地布置 次级绕组的金属层。 [0144] 初级绕组的金属层的每一区段可包括具有相同宽度的第一子区段和第二子区段。方法1000可包括相对于初级绕组的第一端口和第二端口对称地布置第一子区段和第二子 区段。 [0145] 次级绕组的金属层的每一区段可包括具有相同宽度的第一子区段和第二子区段。方法1000可包括相对于次级绕组的第一端口和第二端口对称地布置第一子区段和第二子 区段。 [0146] 方法1000可包括将辅助绕组的金属层与初级绕组或次级绕组中的至少一者的主绕组布置在同一金属层上。方法1000可包括将初级绕组或次级绕组中的至少一者的辅助绕 组布置在初级绕组或次级绕组中的至少一者的主绕组内部。方法1000可包括将次级绕组的 主绕组的两个匝布置在初级绕组的主绕组的顶部边缘处。 [0147] 初级绕组的金属层可包括具有四个不同宽度的区段。方法1000可包括由具有三个不同特性阻抗和四个不同电气长度的主绕组以及具有两个不同宽度的并联辅助绕组形成 次级绕组的金属层，次级绕组的主绕组堆叠在初级绕组下方，且次级绕组的辅助绕组位于 初级绕组内部。 [0148] 本发明还支持包括计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，所述计算机可执行代码或计算机可执行指令在执行时致使至少一个计算机执行本文中所描 述的执行和计算步骤，具体来说，如上文关于图10所描述的方法1000以及上文关于图1到9 所描述的技术。此类计算机程序产品可包括将程序代码存储于其上以供计算机使用的可读 存储媒体。所述程序代码可执行如上文关于图10所描述的方法1000。 [0149] 尽管可能已经结合数种实施方案中的仅一种实施方案揭示了本发明的特定特征或方面，但只要对于任何给定或特定的应用可为有需要或有利的，此类特征或方面便可以 和其它实施方案中的一个或多个其它特征或方面相结合，。此外，就在详细描述或权利要求 书中使用术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形来说，这类术语和术语“包括”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性”、“举例来说”和“例如”仅表示为实例，而非最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应理解，这些术语可用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管其是直接物理或电气接触，还是彼此不直接接触。 [0150] 尽管本文中已说明和描述了具体方面，但所属领域的一般技术人员将了解，多种替代及/或等效实施方案可在不脱离本发明的范围的情况下替代所示出和描述的具体方 面。本申请案意欲覆盖本文中所论述的具体方面的任何修改或变化。 [0151] 尽管所附权利要求书中的元素是借助对应的标签按照特定顺序列举的，但除非对权利要求的叙述另有暗示用于实施部分或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素并不一 定限于以所述特定顺序来实施。 [0152] 按照以上教示的许多替代、修改及变体对于所属领域技术人员来说是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其 它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识 到在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明做出许多改变。因此，应理解，只要是在所附 权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈