一种带有定向耦合器的输出匹配网络电路及放大电路 |
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| 申请号 | CN201710729856.6 | 申请日 | 2017-08-23 | 公开(公告)号 | CN107404294A | 公开(公告)日 | 2017-11-28 |
| 申请人 | 广州慧智微电子有限公司; | 发明人 | 彭洋洋; 王华江; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种带有定向 耦合器 的输出匹配网络 电路 ，所述输出匹配网络电路包括至少一级匹配电路和定向耦合器；其中，所述匹配电路，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端所需的负载阻抗；所述定向耦合器，用于与所述匹配电路进行耦合，将所述匹配电路中传输的射频 信号 通过 电场 耦合和/或 磁场 耦合得到预设比例的 射频信号 输出。本发明还公开了一种带有定向耦合器输出匹配网络电路的射频功率放大电路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带有定向耦合器的输出匹配网络电路，其特征在于，所述输出匹配网络电路包括至少一级匹配电路和定向耦合器；其中，所述匹配电路，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端所需的负载阻抗；所述定向耦合器，用于与所述匹配电路进行耦合，将所述匹配电路中传输的射频信号通过电场耦合和/或磁场耦合得到预设比例的射频信号输出。 |
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| 说明书全文 | 一种带有定向耦合器的输出匹配网络电路及放大电路技术领域背景技术[0002] 现代无线通信系统中，射频功率放大器是无线射频信号传输中的关键部件，射频功率放大器用于完成射频信号的放大输出功能，因此，输出功率是射频功率放大器重要的性能指标；除此之外，输出匹配网络及输出定向耦合器分别用于完成功率匹配的匹配输出及监测的功能，是射频功率放大器中至关重要的成部分。 [0003] 在目前射频功率放大器设计中，由于移动通信终端需要兼容越来越多的通信协议，对射频功率放大器多频段多模式的设计需求也越来越强烈，射频功率放大器输出部分的设计也越来越复杂。 [0004] 目前带有定向耦合器的射频功率放大器的架构如图1所示，主要由信源101a中的前级放大器、输出晶体管102a、输出匹配网络103a及定向耦合器104a四部分构成；其中，输出匹配网络103a完成了负载阻抗到输出负载线的转换，负载线的大小决定了晶体管102a输出功率的大小；同时，由于连接在整个射频功率放大器的最末端，输出匹配网络103a的损耗直接影响到射频功率放大器的输出功率，进而还会影响到射频功率放大器的效率，所以，输出匹配网络103a的性能也在很大程度上影响整个射频功率放大器的性能。 [0005] 在现代无线通信系统中，为了提高整个移动通信终端系统的效率，通常需要对终端的发射功率进行功率监测，并进行动态控制。在目前的实现方案中，功率监测主要由检测功率放大器的输出功率来实现。具体实现方式如图1(a)，在功率放大器输出匹配网络103a之后加入定向耦合器104a，将功率放大器的输出功率耦合出与输出功率成比例的一部分送入检波电路106a，得到带有输出功率信息的直流电压信号，送入基带控制芯片，实现对移动通信终端输出功率的动态监测，并进一步实现动态控制；其中，定向耦合器一般位于射频功率放大器的输出端，因此，除耦合系数，方向性等指标之外，插入损耗也是定向耦合器的重要设计指标。 [0006] 为满足实际应用的需求，射频信号中包含有多种不同频率的射频信号，功率放大器需要针对所述多频的射频信号进行设计，在多频应用中的功率放大器设计主要有以下方案： [0007] 方案一为将多路放大器直接进行集成。此设计方法的优点是设计灵活、各模块间干扰较小；缺点是成本高、面积大、受制于封装等因素，不能做到过多频带的集成。在此方案下，输出匹配网络103b与定向耦合器104b一般采用的方法如图1(b)所示，每一路射频功率放大器输出采用独立的输出匹配网络103b及定向耦合器104b，输出匹配网络103b输出至不同频带的输出脚，与定向耦合器104b连接至耦合器的输入及输出。 [0008] 方案二为共用信号放大器102c的方法，不同频带采用独立的输出匹配网络104c及定向耦合器105c。方案二的实现架构如图1(c)所示，相比于方案一，在此方案中，不同频带共用信号放大器102c，通过输出开关103c切换至不同频段的输出匹配网络104c；相比于方案一，此方案可以减小有源电路的面积，减小制造成本。 [0009] 方案三为共用信号放大器102d及部分输出匹配网络103d，并针对于不同频段设计额外附加的匹配网络105d及定向耦合器106d。方案三的实现架构如图1(d)所示，与方案二相比，此方案除共用信号放大器102d之外，还共用一部分匹配网络103d，共用输出匹配网络103d可以将输出晶体管需要的负载阻抗匹配至较高阻抗，之后再通过输出开关104d进行不同频段匹配网络105d的切换，提高输出匹配网络的性能。同时，此方案可以在方案二的基础上进一步减小输出匹配网络电路的面积，减小制造成本。 [0010] 方案四为共用信号放大器102e，并将输出匹配网络103e设计为可调方式。此方案结构如图1(e)所示，在此方案中，采用共用的信号放大器102e，并将输出匹配网络103e设计成多频段可调的方式，此方案的优点在于不需要在匹配网络103e中进行开关切换，以可调的方式完成不同频段的匹配输出；此方案可以在方案三的基础上进一步减小输出匹配网络电路的面积，减小制造成本。 [0011] 方案五为共用信号放大器102f，并将输出匹配网络103f设计为宽带方式。此方案结构如图1(f)所示。在此方案中，采用共用的信号放大器102f，并将输出匹配103f网络设计成宽带匹配的方式，此方案的优点在于不需要在匹配网络103f中进行开关切换，以宽带的方式完成不同频段的匹配输出；此方案可以在方案三的基础上进一步减小输出匹配网络电路的面积，减小制造成本。 [0012] 从上述方案可以看出，方案一由于其设计灵活、各频段干扰较小，在多频率多模式功率放大器设计中首先被采用；但此方案受制于集成度及成本的因素。方案二由于射频放大管芯所接负载阻抗一般较低，在此处加入切换开关会引入更大的损耗，因此在设计中一般较少被采用；而其他的方案三、四、五目前已被广泛研究。显然，在方案三、四、五中，都需要在输出匹配网络之后增加定向耦合器单元，增加了射频功率放大器设计的复杂程度。同时，由于各路输出需要独立的定向耦合器，在更多频段的应用中，会使设计变的更为复杂。另外，由于定向耦合器位置射频功率放大器的输出端，额外引入的损耗会降低射频功率放大器的输出功率，影响射频功率放大器的效率。在现代无线通信终端多频段多模式的趋势下，设计一种小型化输出匹配网络及定向耦合器结构变得非常必要。 发明内容[0013] 有鉴于此，本发明实施例提供一种带有定向耦合器的输出匹配网络电路及带有定向耦合器输出匹配网络电路的射频功率放大电路，能缩小射频功率放大电路的面积、降低成本，简化射频功率放大电路的结构复杂度、提高集成度。 [0014] 为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的： [0015] 本发明实施例提供了一种带有定向耦合器的输出匹配网络电路，所述输出匹配网络电路包括至少一级匹配电路和定向耦合器；其中， [0016] 所述匹配电路，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端所需的负载阻抗； [0018] 其中，所述匹配电路包括至少一级由传输线与电容并联、或电感与电容并联组成的L形匹配电路； [0019] 所述传输线或电感的输入端与所述匹配电路的输入端连接，输出端与所述匹配电路的输出端和电容的输入端连接，所述电容的输出端接地与所述传输线或电感并联； [0020] 当所述匹配电路由包括多级由传输线与电容并联、或者电感与电容并联时，第一级匹配电路传输线或电感的输入端与所述匹配电路的输入端连接，输出端与下一级匹配电路中传输线或电感的输入端连接进行串联，以此类推，最后一级匹配电路传输线或电感输出端与所述匹配电路的输出端连接，其中，所述各级匹配电路的传输线或电感输出端与电容的输入端连接，所述电容输出端接地。 [0021] 其中，所述L形匹配电路，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端放大器所需的阻抗。 [0022] 其中，所述定向耦合器至少与所述输出匹配网络中的一级传输线或电感进行耦合。 [0023] 其中，所述定向耦合器，还用于将耦合得到的预设比例的射频信号从自身输出端发送至检波电路。 [0024] 其中，所述定向耦合器的奇偶模阻抗需满足：Z0eZ0o＝ZinZload；其中，Z0e表示耦合传输线的奇模阻抗，Z0o表示耦合传输线的偶模阻抗，Zin表示定向耦合器输入端前端负载阻抗，Zload表示定向耦合器输出端后端负载阻抗。 [0025] 其中，所述定向耦合器的耦合系数需满足： 其中，CMAX表示定向耦合器的最大耦合系数，Z0e表示耦合传输线的奇模阻抗，Z0o表示耦合传输线的偶模阻抗，Zin表示定向耦合器输入端前端负载阻抗，Zload表示定向耦合器输出端后端负载阻抗。 [0026] 其中，所述定向耦合器的耦合系数还需满足： 其中，l表示定向耦合器中耦合传输线的长度，λ表示定向耦合器工作中心频率的波长，CMAX表示定向耦合器的最大耦合系数。 [0027] 本发明实施例还提供了一种带有定向耦合器输出匹配网络电路的射频功率放大电路，所述射频功率放大电路包括信号放大器、输出开关以及输出匹配网络电路；其中，[0028] 所述信号放大器，与所述输出匹配网络电路连接，用于将信号进行放大后，输入所述输出匹配网络电路； [0029] 所述输出开关，与所述输出匹配网络电路连接，用于将信号切换至不同的频段进行发送； [0030] 所述输出匹配网络电路，与信号放大器和输出开关连接，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端放大器所需的阻抗； [0031] 所述输出匹配网络电路为本发明实施例所述的输出匹配网络电路。 [0032] 本发明实施例提供的输出匹配网络电路及射频功率放大电路，所述输出匹配网络电路的匹配电路，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端所需的阻抗；所述输出匹配网络电路的定向耦合器与所述匹配电路进行耦合，将所述匹配电路中传输的射频信号通过电场耦合和/或磁场耦合得到预设比例的射频信号输出至检波电路，如此，通过带有定向耦合器的输出匹配网络，在完成信号输出阻抗到负载阻抗匹配的同时达到定量信号耦合的目的，监测射频信号的实时输出功率。 [0033] 相比较现有技术，本发明实施例提出的带有定向耦合器的输出匹配网络电路及带有定向耦合器的输出匹配网络电路的射频功率放大电路。将定向耦合器与匹配电路设计在一起，使定向耦合器在匹配电路中准确检测出射频信号的输出功率，由于不需要设计额外的独立的定向耦合器电路，因此，减小了射频功率放大电路的面积，简化了带有定向耦合器的匹配电路的结构复杂程度，可明显缩小需要使用带有定向耦合器的匹配电路的电路尺寸，使相关电路的设计和开发更加灵活，且极大地降低无线通信终端的整体成本。附图说明 [0034] 图1(a)～(f)为现有技术中射频功率放大电路的电路结构示意图； [0035] 图2(a)～(e)为本发明实施例带有定向耦合器的输出匹配网络电路结构示意图； [0036] 图3(a)～(b)为本发明实施例二中射频功率放大电路的结构示意。 具体实施方式[0037] 为了能够更加详尽地了解本发明的特点与技术内容，下面结合附图对本发明的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明。 [0038] 实施例一 [0039] 图2为本发明实施例带有定向耦合器的输出匹配网络电路结构示意图，其中，图2(a)为本发明实施例单级带有定向耦合器的输出匹配网络结构示意图，图2(b)为本发明实施例单级匹配电路结构示意图，图2(c)为本发明实施例N级匹配电路结构示意图，图2(d)(e)为本发明实施例带有定向耦合器的多级输出匹配网络电路结构示意图。 [0040] 如图2(a)所示，本发明实施例提供的带有定向耦合器的输出匹配网络电路包括定向耦合器和输出匹配网络电路；其中，所述带有定向耦合器的输出匹配网络电路包括至少一级匹配电路和定向耦合器；其中，所述匹配电路，通过由传输线201a和电容202a并联，或电感201a和电容202a并联组成的L形匹配电路，用于将所述输出匹配网络电路输出端后端的负载阻抗匹配至所述输出匹配网络电路输入端前端所需的阻抗；所述定向耦合器，用于与所述匹配电路进行耦合，将所述匹配电路中传输的射频信号通过电场耦合和/或磁场耦合得到预设比例的射频信号输出至所述定向耦合器的耦合传输线203a，输出至检波电路中，获得带有射频信号输出功率信息的直流电压信号，基带芯片根据所述直流电压信号实现对通信终端输出功率的动态监测。 [0041] 在现有技术中，输出匹配网络电路与定向耦合器是分开进行设计的；而在本发明实施例中，将定向耦合器设计在了输出匹配网络中，因此，本发明实施例中带有定线耦合器的匹配电路在设计上减小了匹配网络电路与定向耦合器电路的面积。 [0042] 在本发明实施例中，定向耦合器的耦合传输线203a与匹配网络的传输线/电感201a进行耦合，将在匹配网络传输线上的射频信号按照预设比例耦合至定向耦合器的耦合传输线203a中；如图2(b)所示，单级输出匹配网络中包括一组由传输线201b和电容202b并联，或电感201b和电容202b并联组成的L形匹配网络电路，将负载阻抗匹配至特定的输入阻抗，但在实际应用中并不局限于此，天线的负载阻抗一般在50欧姆左右，因此，匹配网络通常设计为由多级串联的传输线与电容并联，或电感与电容并联组成，如图2(c)所示通过调节不同的级间阻抗满足匹配网络的插入损耗或频宽的设计需求。 [0043] 图2(d)为本发明实施例应用于多级匹配网络结构的带有定向耦合器的匹配网络结构示意图，包括用于阻抗匹配的传输线/电感(201d，203d)、电容(202d，204d)以及用于耦合的耦合传输线(205d)。多级输出匹配网络在实际应用中，如图2(e)所示，定向耦合器可以耦合匹配网络的一级或多级，其中，图2(d)中定向耦合器的耦合传输线205d与匹配电路中的第一级传输线/电感201d进行耦合，图2(e)中定向耦合器的耦合传输线205e与匹配电路的第2级至最后一级匹配电路的传输线/电感203e进行耦合，在实际应用中，定向耦合器的耦合传输线不限定于耦合多级匹配网络中特定的某一级或几级，并且，定向耦合器两端不再是现有技术中的标准负载阻抗，因此，本发明实施例中的定向耦合器的奇偶模特征阻抗需要分别满足以下条件： [0044] [0045] 其中， 表示耦合传输线的奇模阻抗， 表示耦合传输线的偶模阻抗，Zin表示定向耦合器输入端前端负载阻抗，Zload表示定向耦合器输出端后端负载阻抗； [0046] [0047] 其中，CMAX表示定向耦合器的最大耦合系数， 表示耦合传输线的奇模阻抗，表示耦合传输线的偶模阻抗，Zin表示定向耦合器输入端前端负载阻抗，Zload表示定向耦合器输出端后端负载阻抗； [0048] [0049] 其中，l表示定向耦合器中耦合传输线的长度，λ表示定向耦合器工作中心频率的波长，CMAX表示定向耦合器的最大耦合系数。 [0050] 在实际应用中，本发明实施例所提出的带有定向耦合器的输出匹配网络电路可以采用砷化镓(GaAs)工艺、绝缘体硅(SOI)工艺、互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺、集成无源器件(IPD)工艺等半导体工艺实现，也可以在聚四氟乙烯(FR4)等基板上实现。 [0051] 实施例二 [0052] 在实施例一的基础上，如图3所示，本发明实施例提供了一种带有定向耦合器的输出匹配网络电路的射频功率放大电路，其中，图3(a)为本发明实施例为天线前端带有定向耦合器的射频功率放大电路结构示意图，图3(b)为本发明实施例单定向耦合器射频功率放大电路结构示意图。其中， [0053] 如图3(a)所示，本发明实施例提供的射频功率放大电路包括：信号放大器302a、输出开关304a、检波电路307a以及带有定向耦合器的匹配网络电路303a；其中，[0054] 所述信号放大器302a，与所述匹配网络电路303a连接，用于将信号进行放大，向所述匹配网络303a输入； [0055] 所述输出匹配网络电路303a，与信号放大器302a和输出开关304a连接，用于将阻抗匹配网络的负载阻抗变换为功率放大器的负载线阻抗； [0056] 所述输出开关304a，与所述匹配网络电路303a连接，用于将信号切换至不同的频段进行发送； [0057] 所述检波电路307a，与所述匹配网络电路303a连接，用于将带有定向耦合器的匹配网络电路303a的输出功率耦合出预设比例的输出功率转换为直流电压信号； [0058] 这里，所述输出匹配网络303a具体可参照实施例一中输出匹配网络电路的相关描述进行理解，这里不再赘述。 [0059] 在实际应用中，如图3(a)所示，本发明实施例提供的射频功率放大电路中信号经输出开关后可以再根据实际需求将射频信号再一次经过输出匹配网络进行匹配，进一步将天线的阻抗匹配至输出端的负载阻抗；或，如图3(b)所示，为简化射频功率放大电路的设计，射频信号经过输出开关后直接将射频信号在天线负载上发送。 [0060] 本发明实施例提供的功率控制电路，通过将定向耦合器与匹配电路设计为一个整体，在完成负载阻抗变换的同时达到定量信号耦合的目的，相比较现有技术，有效减小了匹配网络的复杂程度，可明显缩小射频功率放大器模块的尺寸，从而极大的降低无线通信终端的整体成本，使射频功率放大电路的设计更加灵活。 [0061] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 |
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