申请/专利权人：株式会社村田制作所

申请日：2015-09-17

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN107078696B

主分类号：H03F1/02(20060101)

分类号：H03F1/02(20060101);H03F3/189(20060101)

优先权：["20140919 US 14/490,864"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2018.08.03#专利申请权、专利权的转移;2017.09.12#实质审查的生效;2017.08.18#公开

摘要：本发明提供了一种宽带射频功率放大器。宽带自包络跟踪功率放大器PA可以使用大于40‑MHz的信道带宽，并且将自包络跟踪PA的包络带宽限制提高十倍。PA使用包络负载网络，所述包络负载网络基于通用的多级低通滤波器。位于RF扼流圈电感器与主DC电源之间的包络负载网络提供动态调制的PA电源电压，而无需使用专用包络放大器。所述网络的输入端子经由RF扼流圈电感器将主PA连接到低通滤波器的输入端。输出端子经由包络扼流圈电感器连接到所述低通滤波器以及连接到直流DC电源。DC阻断器通过终端电阻器连接在所述低通滤波器的输出端和地之间。

主权项：1.一种宽带射频RF功率放大器PA，所述宽带RFPA包括：宽带包络负载网络，所述宽带包络负载网络还包括：输入端子，所述输入端子经由RF扼流圈电感器将主PA连接到低通滤波器的输入端；输出端子，所述输出端子经由包络扼流圈电感器连接到所述低通滤波器的输出端并且连接到直流DC电源；以及DC阻断器，所述DC阻断器连接在所述低通滤波器的所述输出端和所述包络扼流圈电感器的输入端子之间，并通过终端电阻器接地。

全文数据：宽带射频功率放大器技术领域[0001]本发明总体上涉及非常（very宽带的RF功率放大器PA，并且更具体地，涉及将PA用于无线通信的宽带和多频带操作。背景技术[0002]由于新兴的无线通信技术，对非常宽的信号带宽一10-100MHZ射频RF功率放大器的需求已经显著增加。成本有效的解决方案是单个功率放大器，所述单个功率放大器可以支持现有的通信技术诸如，宽带码分多址WCDMA、和全球移动通信系统GSM、和一个频带中的增强型数据速率GSM演进EDGE以及其它频带中的新的长期演进LTE技术）。然而，对于高性能的非常宽带RF功率放大器的低成本实现，存在许多设计挑战。[0003]在传输非常高的峰均功率比PAPR信号的无线通信技术中，平均功率效率特别重要。在常规线性PA中，高PAPR信号的平均功率效率显著低于峰值功率效率，因为功率效率基本上与输出功率成比例。例如，如果峰值功率效率在峰值输出功率处为60%，则在理想A类PA的情况下，6dB输出功率回退back-off时的功率效率仅为30%，表现出大于50%的损耗。有源元件始终保持导通。对于具有40-MHz聚合带宽的并发双频带LTE信号来说其具有高于IOdB的PAPR，理想A类PA的平均效率仅为大约6%。[0004]图1示出了现有技术包络跟踪PA，其显著改善了高PAPR信号的平均功率效率，参见例如，US8,737,940、US8,626,091、US8,600,321和JP2011109233。包络跟踪功率放大器系统通常包括由101DC阻断电容器blockcapacitor和RF扼流圈（choke102、RF扼流圈电感器103、主RFPA120和包络放大器110组成的直流DC偏置网络。[0005]从RF信号104的数字基带或直接从模拟RF信号提取包络信号幅度1060-2VPA，同时将输入信号105馈送到包络放大器110以对PA电源电压107进行调制。因为包络放大器110对PA电源电压进行动态调制，所以PA120总是在给定电源电压下提供最大输出功率。因此，理想包络跟踪功率放大器的平均功率效率理论上与主功率放大器的峰值效率相同，这是关键的优点。[0006]然而，包络跟踪功率放大器系统对于必须以高功率效率和宽带宽操作的包络放大器来说具有极具挑战性的设计要求。与常规线性PA相比，包络跟踪PA的缺点是由包络放大器产生的有限的带宽和效率。虽然努力改善包络放大器在输出功率与带宽之间的设计折衷例如，参见US20130217345、US20130200865和US6,043,707，但是使用包络跟踪PA用高于20MHz的信道带宽来发送RF信号是非常具有挑战性的。由于包络放大器110的复杂性，包络跟踪PA的另一个缺点是增加的实现成本和波形因数formfactor。[0007]图2示出了现有技术的自包络跟踪PA，所述自包络跟踪PA通过使用输入网络200和自包络负载网络210来去除包络放大器。因此，与图1所示的包络跟踪PA相比，图2所示的自包络跟踪PA可以实现成本和尺寸两者的显著降低。[0008]自包络跟踪PA的操作如下。RF输入信号205通过DC阻断器201被施加。RF输入信号的包络幅度被反转206,并且然后通过另一个DC阻断器203来施加。通过使用在RF频率处提供高阻抗的电感器202来防止RF输入信号205通向DC电源。主PA220的栅极偏置由电阻器204建立，该电阻器204将DC栅极偏置与RF输入信号205和包络信号206二者隔离。包络信号206对RF扼流圈电感器221与自包络负载网络210的电感器212之间的节点处的PA电源电压213进行调制。由电容器211和电感器212形成的LC回路tank的谐振频率被调谐到信号的CDF累积分布函数约为50%的频率。自包络跟踪PA的另一个优点是可以使用低电源电压；可以通过使用低于常规包络跟踪PA的电源电压Vpa的电源电压Vdd来获得PA输出信号222,进一步提高系统功率效率。[0009]图3示出了现有技术自包络跟踪PA的一个缺点。因为自包络负载网络210具有谐振频率fQ，所以自包络跟踪PA300的功率效率在谐振频率fo处最高。因此，自包络跟踪PA的带宽受到限制。超过交叉频率f。，自包络跟踪PA300的功率效率变得甚至低于所提供的固定电压PA的功率效率。对于常规自包络负载网络210,交叉频率f。通常低于IOMHz。发明内容[0010]本发明的实施方式提供了一种宽带自包络跟踪功率放大器PA，宽带自包络跟踪功率放大器PA克服了常规自包络跟踪PA的有限带宽的问题。常规自包络跟踪PA不需要专用的包络放大器，但提供了可比较的平均效率、具有不超过IOMHz信道带宽的RF信号。考虑到诸如LTE-Advanced的现代通信信号可以利用大于40MHz的信道带宽，自包络跟踪PA的带宽是关键的限制。本发明将自包络跟踪PA的常规包络带宽限制改进十倍或更多，使得可以通过具有增加的功率效率的自包络跟踪PA来传输先进的现代通信信号。[0011]本发明的关键使能元件是一种基于通用多级低通滤波器的新型包络负载网络。包络负载网络位于RF扼流圈电感器与主DC电源之间，其提供动态调制的PA电源电压，而无需使用专用包络放大器。[0012]常规自包络跟踪PA使用基于谐振回路的包络负载网络。与谐振回路包络负载相比，本发明的基于多级低通滤波器的包络负载网络为基带包络信号提供了大得多的带宽。在包络负载网络中使用低通滤波器的主要挑战是滤波器的一个端点不能利用具有合理幅度DC电源的有限阻抗来终止，该有限阻抗与包络负载网络进行接口连接，并且呈现到低通滤波器的非常低的阻抗。当低通滤波器的任一端接近短路时，低通滤波器的通带显著失真，使得不能实现宽包络带宽。[0013]作为第一个优点，本发明通过使用AC终端termination来解决这个设计挑战，AC终端使用滤波器终端阻抗来提供宽带低通频率响应，同时避免任何DC功耗。[00M]自包络跟踪PA的第二个优点是可以使用低电源电压，这是在电池操作的移动设备中的重要优点。为了产生相同的输出功率，本发明中的自包络跟踪PA的必要电源电压通常比常规线性PA和包络跟踪PA两者低20-30%。[0015]宽带自包络跟踪PA的第三个优点是可以提供较高的输出功率，这在电池操作的移动设备中也是非常重要的优点。当传输高PAPR信号时，平均输出功率电平显著低于峰值输出功率。因此，在移动设备中利用高PAPR信号实现必要的平均输出功率是具有挑战性的任务，因为电池电压随时间缓慢地降低。与具有相同电源电压的常规线性PA和包络跟踪PA相比，本发明的自包络跟踪PA通常可以提供l-2dB的较高输出功率。附图说明[0016][图1]图1是现有技术包络跟踪功率放大器PA的示意图。[0017][图2]图2是现有技术自包络跟踪PA的示意图。[0018][图3]图3是作为现有技术的自包络跟踪PA的频率的函数的功率效率的曲线图。[0019][图4]图4是根据本发明的实施方式的宽带包络负载网络的示意图。[0020][图5]图5是根据本发明的一些实施方式的示例包络负载网络的示意图。[0021][图6A]图6A是根据本发明的一些实施方式的宽带自包络跟踪PA的示意图。[0022][图6B]图6B是根据本发明的一些实施方式的具有级间匹配的宽带自包络跟踪驱动放大器的示意图。[0023][图7]图7是根据本发明的一些实施方式的作为宽带自包络跟踪PA的包络频率的函数的功率效率的曲线图。[0024][图8]图8是针对具有20-MHz间隔的双音信号的根据本发明的一些实施方式的作为宽带自包络跟踪PA的输出功率的函数的功率效率的曲线图。具体实施方式[0025]图4示出了本发明的宽带包络负载网络400,所述宽带包络负载网络400包括具有输出端output405的低通滤波器401、AC终端410和包络扼流圈电感器402。包络负载网络400的输入端子（inputterminal403连接到RF扼流圈电感器430,所述RF扼流圈电感器430在RF频率处向主PA440提供高阻抗。包络负载网络400的输出端子outputterminal404连接到具有非常低的输出阻抗的DC电源420。因此，在没有包络扼流圈电感器402的情况下，低通滤波器401以非常低的阻抗终止，这进而显著地使低通滤波器401的通带频率响应失真。AC终端410防止由DC电源420的低输出阻抗引起的这种不期望的通带频率失真。AC终端410中的DC阻断器可以通过耦合的传输线或电容器来实现。电阻器412向滤波器401提供必要的终端阻抗。由于DC阻断器411，电阻器412不消耗DC能量，维持高PA功率效率。[0026]图5示出了本发明的宽带包络负载网络400的实施方式。低通滤波器401被实现为LC低通滤波器500,所述LC低通滤波器500包括电感器502和504以及电容器501和503JC终端510中的DC阻断器利用电容器505和电阻器506来实现。输入端子511与滤波器输出节点512之间的频率响应是平坦的，直到低通滤波器500的截止频率为止。与在基于谐振LC回路的常规自包络跟踪PA中使用的包络负载网络相比，该设计的优点在于可以提供较宽的包络带宽。较宽的包络宽度进而为占用较宽带宽信道的传输信号提供功率附加效率PAE改进。包络扼流圈电感器507将包络负载网络与连接在节点513处的DC电源的非常低输出阻抗隔离。[0027]图6A示出了根据一些实施方式的宽带自包络跟踪PA，所述宽带自包络跟踪PA基于本发明的包络负载网络。宽带自包络跟踪PA包括输入网络600、包络负载网络610、主PA621和RF扼流圈电感器622AF输入信号602通过耦合电容器603与DC偏置点隔离。DC偏置点以及由单独的信号源601给出的RF输入信号的包络振幅通过电感器604被施加，所述电感器604将信号源601与RF输入信号602隔离。包络信号601对PA电源电压616进行调制。[0028]包络扼流圈电感器611连接到具有Vdd的输出电压的DC电源。包络负载网络还包括电容器612和615、电感器614和电阻器613。包络负载网络提供PA电源电压Vpa，PA电源电压Vpa由于谐振而高于DC电源输出电压Vdd。因此，主PA输出623具有2Vpa的输出摆动。[0029]图6B示出了根据一些实施方式的宽带自包络跟踪驱动放大器，所述宽带自包络跟踪驱动放大器基于本发明的包络负载网络。宽带自包络跟踪驱动放大器包括输入网络600、包络负载网络610、和RF扼流圈电感器622IF输入信号602通过耦合电容器603与DC偏置点隔离。DC偏置点以及由单独的信号源601给出的RF输入信号的包络振幅通过电感器604被施加，所述电感器604将信号源601与RF输入信号602隔离。包络信号601对驱动放大器电源电压616进行调制。[0030]驱动放大器641输出端通过级间匹配网络642连接到末级放大器643的输入端，所述级间匹配网络642用于匹配驱动器与末级放大器之间的最大功率输送条件。在该配置中，驱动放大器级的总排列（line-up功率效率被提高，如针对图6A的实施方式所描述。因此，当自负载网络610用于为两个放大器级提供电压时，包括驱动器和最终放大器级二者的整个RF排列效率被提高。[0031]图7示出了作为本发明的宽带自包络跟踪PA的包络频率的函数的功率效率。与常规自包络跟踪PA的功率效率曲线702相比，本发明的功率效率曲线703对于宽得多的带宽来说是高的。功率效率曲线701用于没有应用包络跟踪技术的常规PA。自包络跟踪PA的功率效率曲线满足常规PA的功率效率的交叉频率被表示为fc。本发明的宽带自包络跟踪PA的交叉频率可以被设计为超过现有技术的自包络跟踪PA的交叉频率多达10倍。[0032]具有谐振包络负载网络的常规自包络跟踪PA的峰值效率通常高于本发明中的宽带自包络跟踪PA的峰值效率，这是出于两个原因。首先，基于多级低通滤波器的宽带包络负载网络具有比谐振包络负载网络低的Q因数。第二，宽带包络负载网络可以包括在主PA与主DC电源之间串联的多个电感器。由于这些串联电感器的寄生串联电阻被加载有主PA的漏极电流，因此功率效率降低。[0033]利用用较宽带宽传输信号实现的功率效率改进的宽带自包络跟踪PA的优点在重要性上超过outweigh常规自包络跟踪PA的较高峰值功率效率。[0034]图8示出了针对具有20-MHz间隔的双音信号的本发明的自包络跟踪PA的功率效率相对于输出功率回退的关系。将本发明的宽带自包络跟踪PA的双音功率效率曲线801与没有包络跟踪技术的常规PA的双音功率效率曲线802进行比较。根据输出功率回退，对于输出功率回退小于IOdB的情况，可以实现5-10%的功率效率提高。利用现有技术常规自包络跟踪PA，由于自包络跟踪负载网络的有限带宽，具有20-MHz间隔的双音信号的功率效率将低于功率效率曲线802。

权利要求：1.一种宽带射频RF功率放大器PA，所述宽带RFPA包括：宽带包络负载网络，所述宽带包络负载网络还包括：输入端子，所述输入端子经由RF扼流圈电感器将主PA连接到低通滤波器的输入端；输出端子，所述输出端子经由包络扼流圈电感器连接到所述低通滤波器并且连接到直流DC电源；以及DC阻断器，所述DC阻断器通过终端电阻器连接在所述低通滤波器的输出端和地之间。2.根据权利要求1所述的宽带RFPA，其中，所述宽带RFPA还包括：宽带驱动放大器，所述宽带驱动放大器通过级间匹配网络连接到末级放大器以提高总排列功率效率。

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