采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片的制作方法
【專利摘要】一種單片集成功率放大器芯片，包括片上微帶功分器、片上微帶合路器和兩路相同的功率放大器；本芯片的射頻輸入端連接片上微帶功分器的合路輸入端口，片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口分別連接兩路功率放大器的輸入端；兩路功率放大器的輸出端分別連接片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口，片上微帶合路器的合路輸出端口連接本芯片的射頻輸出端口，是片上微帶功分器和片上微帶合路器的結(jié)構(gòu)是相同的威爾金森結(jié)構(gòu)。所述兩路功率放大器中，每一路功率放大器都是由一個(gè)功率放大器單體構(gòu)成，或者是由多個(gè)獨(dú)立的功率放大器單體依次串聯(lián)構(gòu)成。還包括有源偏置電路，有源偏置電路的數(shù)量與功率放大器單體的數(shù)量相同，各個(gè)有源偏置電路構(gòu)成有源偏置網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)方案屬于射頻功率放大器，具體是一種采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片。

【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，射頻功率放大器是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)無線傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。當(dāng)今，電信運(yùn)營商推出了很多不同的無線通信系統(tǒng)，而不同的無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)念l率和工作的模式要求不同。因此，高功率單片集成射頻功率放大器芯片應(yīng)運(yùn)而生，以中國北斗一代5W功率放大器芯片為例，該芯片內(nèi)部采用兩路射頻功率放大器通過片上微帶功分器、合路器合成。
[0003]現(xiàn)有的技術(shù)是采用分路合路器件，在片上或片外對(duì)兩路射頻功率放大器進(jìn)行合成，現(xiàn)有的技術(shù)方案請(qǐng)參考圖1a和圖lb?，F(xiàn)有技術(shù)中采用片上分路合路器件對(duì)兩路射頻功率放大器進(jìn)行合成的方案，解決了功率放大器單片集成的需求，但是由于分路合路器件的體積和射頻損耗比較大，從而導(dǎo)致這種功率放大器芯片的輸出功率減小、效率變差，而且整個(gè)芯片的體積較大。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中功率放大器偏置電路一般是按照傳統(tǒng)的雙極型晶體管偏置電路，兩個(gè)電阻串聯(lián)分壓組成請(qǐng)參考圖lc。當(dāng)輸入功率增加時(shí)，功率管柵源端的電壓Ves電壓信號(hào)增力口，由于柵源端的P-N結(jié)二極管箝位作用，使得大的正向電壓受限，尤其信號(hào)越大該箝位作用越明顯，經(jīng)過P-N結(jié)二極管整形以后的平均電壓值Ves將會(huì)降低Λ Ves，偏置點(diǎn)將會(huì)由S點(diǎn)移動(dòng)到L1點(diǎn)，該點(diǎn)斜率將會(huì)低于S點(diǎn)的斜率，所以對(duì)應(yīng)的跨導(dǎo)降低，導(dǎo)致增益下降，相位失真。一般功率放大器經(jīng)常工作在非最大輸出功率狀態(tài)，因此功率放大器的平均效率會(huì)比較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決該現(xiàn)有技術(shù)功率放大器芯片輸出功率小、效率差等問題，本技術(shù)方案在現(xiàn)有采用片上分路合路器件功率放大器芯片的基礎(chǔ)上，將芯片內(nèi)部的分路合路器件用片內(nèi)分布式基板微帶功分器、合路器替換，既減小了芯片體積又降低了成本，同時(shí)提高了芯片的輸出功率和效率。并且通過芯片內(nèi)部采用自適應(yīng)偏置電路可以有效的提高線性輸出功率及平均效率。
[0006]本技術(shù)方案具體如下:
[0007]—種采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片，包括片上微帶功分器、片上微帶合路器和兩路相同的功率放大器；本芯片的射頻輸入端連接片上微帶功分器的合路輸入端口，片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口分別連接兩路功率放大器的輸入端；兩路功率放大器的輸出端分別連接片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口，片上微帶合路器的合路輸出端口連接本芯片的射頻輸出端口 ；片上微帶功分器和片上微帶合路器的結(jié)構(gòu)是相同的威爾金森結(jié)構(gòu)；威爾金森結(jié)構(gòu)的合路端口為片上微帶功分器的合路輸入端口，威爾金森結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分路端口為片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口 ；威爾金森結(jié)構(gòu)的合路端口為片上微帶合路器的合路輸出端口，威爾金森結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分路端口為片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口 ；所述兩路功率放大器中，每一路功率放大器都是由一個(gè)功率放大器單體構(gòu)成，或者是由多個(gè)獨(dú)立的功率放大器單體依次串聯(lián)構(gòu)成，其特征是還包括有源偏置電路，有源偏置電路的數(shù)量與功率放大器單體的數(shù)量相同，各個(gè)有源偏置電路構(gòu)成有源偏置網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于任一有源偏置電路包括如下器件:
[0008]三個(gè)晶體管Ml、M2和M3 ;其中，對(duì)于晶體管Ml和M2，它們各自的柵極和漏極連接；
[0009]電容Cl ；
[0010]電阻町、1?2和R_bias ;
[0011]所述晶體管Ml的漏極通過電阻Rl連接參考電壓Vref ;晶體管Ml的柵極通過電容Cl接地；
[0012]所述晶體管M2的漏極連接晶體管Ml的源極；晶體管M2的源極接地；
[0013]所述晶體管M3的漏極連接電源VCC ;晶體管M3的柵極通過電容Cl接地；晶體管M3的源極通過電阻R2接地；所述電阻R_bias的一端連接晶體管M3的源極；
[0014]對(duì)于所述功率放大器單體，功率放大器單體的信號(hào)輸入端連接R_bias的另一端，同時(shí)，功率放大器單體的輸入信號(hào)通過隔直電容C2傳到功率放大器單體的信號(hào)輸入端。
[0015]有源偏置電路結(jié)構(gòu)的原理是，通過有源偏置電路結(jié)構(gòu)補(bǔ)償電壓AVes和補(bǔ)償電流I.，保持大信號(hào)與小信號(hào)的跨導(dǎo)一致。通過分壓電阻R2及隔直電阻R_bias連接到功率管柵極，起電壓補(bǔ)償作用的主要是M3管的柵源二極管及濾波電容Cl，當(dāng)輸入信號(hào)功率增加時(shí)，由于功率管柵源二極管的整流作用，功率管柵源間的平均直流電壓Ves降低。
[0016]同理隨著輸入功率增加，通過R2進(jìn)入M3管的信號(hào)功率也增加，由于M3管柵源二極管的整流作用，M3的柵源平均直流電壓也是降低的，但是VP點(diǎn)的直流電壓基本保持不變，因此也就起到了 DC補(bǔ)償?shù)男Ч?，反之亦然。Ml與M3是兩個(gè)柵極和漏極相連的MOS 二極管，通過電阻Rl與參考電壓Vref相連，主要作用就是提供一個(gè)比較穩(wěn)定的參考電壓。因此，通過芯片內(nèi)部采用自適應(yīng)偏置電路可以有效的提高最大線性輸出功率及平均效率。
[0017]所述威爾金森結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)相同的傳輸線段，每個(gè)傳輸線段是1/4波長(zhǎng)傳輸線段，該威爾金森結(jié)構(gòu)的特征阻抗為Ztl，則每個(gè)傳輸線段的阻抗為2"2? ;且兩個(gè)傳輸線段的合路端口連接，兩個(gè)傳輸線段的分路端口之間連接有隔離電阻。
[0018]在現(xiàn)有采用片上分路合路器件功率放大器芯片的基礎(chǔ)上，將芯片內(nèi)部的分路合路器件用片內(nèi)分布式基板微帶功分器、合路器替換，既減小了芯片體積又降低了成本，同時(shí)提高了芯片的輸出功率和效率。片內(nèi)分布式微帶功分器、合路器都采用威爾金森功分器結(jié)構(gòu)，直接設(shè)計(jì)在功率放大器芯片的基板上。
[0019]技術(shù)效果:本技術(shù)方案既減小了芯片體積又降低了成本，同時(shí)提高了芯片的輸出功率和效率，并且通過芯片內(nèi)部采用特定的自適應(yīng)偏置電路可以有效的提高線性輸出功率及平均效率。另外本芯片還有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):
[0020](I)該芯片采用的是5V單電源供電的功率放大器芯片；
[0021](2)輸出功率可調(diào)，2?5W,最大功率可以達(dá)到5W ；
[0022](3)該芯片帶片內(nèi)匹配電路，減少了外部器件的使用及調(diào)測(cè)的困難；
[0023](4)該芯片采用開路保護(hù)電路，提高了芯片的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1a是現(xiàn)有的技術(shù)方案中，采用片上分路合路器件功率放大器芯片示意圖；
[0025]圖1b是現(xiàn)有的技術(shù)方案中，采用片外分路合路器件功率放大器合成示意圖；
[0026]圖1c是現(xiàn)有的技術(shù)方案中，電阻分壓式偏置電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本技術(shù)方案示意圖；
[0028]圖3是本技術(shù)方案威爾金森結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4是本技術(shù)方案的自適應(yīng)的偏置電路結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本技術(shù)方案進(jìn)一步說明如下:
[0031]如圖2，一種采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片，包括片上微帶功分器、片上微帶合路器和兩路相同的功率放大器；本芯片的射頻輸入端連接片上微帶功分器的合路輸入端口，片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口分別連接兩路功率放大器的輸入端；兩路功率放大器的輸出端分別連接片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口，片上微帶合路器的合路輸出端口連接本芯片的射頻輸出端口。如圖3，片上微帶功分器和片上微帶合路器的結(jié)構(gòu)是相同的威爾金森結(jié)構(gòu)，該威爾金森結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)相同的傳輸線段，每個(gè)傳輸線段是1/4波長(zhǎng)傳輸線段，該威爾金森結(jié)構(gòu)的特征阻抗為Ztl，則每個(gè)傳輸線段的阻抗為2172? ;且兩個(gè)傳輸線段的合路端口連接，兩個(gè)傳輸線段的分路端口之間連接有隔離電阻；威爾金森結(jié)構(gòu)的合路端口為片上微帶功分器的合路輸入端口，威爾金森結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分路端口為片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口 ；威爾金森結(jié)構(gòu)的合路端口為片上微帶合路器的合路輸出端口，威爾金森結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分路端口為片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口。
[0032]所述兩路功率放大器中，每一路功率放大器都是由一個(gè)功率放大器單體構(gòu)成，或者是由多個(gè)獨(dú)立的功率放大器單體依次串聯(lián)構(gòu)成，其特征是還包括有源偏置電路，有源偏置電路的數(shù)量與功率放大器單體的數(shù)量相同，各個(gè)有源偏置電路構(gòu)成有源偏置網(wǎng)絡(luò)；如圖4，對(duì)于任一有源偏置電路，其結(jié)構(gòu)如下:
[0033]三個(gè)晶體管Ml、M2和M3 ;其中，對(duì)于晶體管Ml和M2，它們各自的柵極和漏極連接；電容Cl ;電阻R1、R2和R_bias ；
[0034]所述晶體管Ml的漏極通過電阻Rl連接參考電壓Vref ;晶體管Ml的柵極通過電容Cl接地；所述晶體管M2的漏極連接晶體管Ml的源極；晶體管M2的源極接地；所述晶體管M3的漏極連接電源VCC ;晶體管M3的柵極通過電容Cl接地；晶體管M3的源極通過電阻R2接地；所述電阻R_bias的一端連接晶體管M3的源極；對(duì)于所述功率放大器單體，功率放大器單體的信號(hào)輸入端連接R_bias的另一端，同時(shí)，功率放大器單體的輸入信號(hào)通過隔直電容C2傳到功率放大器單體的信號(hào)輸入端。
[0035]本發(fā)明在現(xiàn)有采用片上分路合路器件功率放大器芯片的基礎(chǔ)上，將芯片內(nèi)部的分路合路器件用片內(nèi)分布式基板微帶功分器、合路器替換、并采用自適應(yīng)的偏置電路結(jié)構(gòu)。射頻信號(hào)從芯片輸入端口輸入，首先經(jīng)過威爾金森微帶功分器，信號(hào)等幅同相分為兩路，然后分別輸入到芯片內(nèi)部?jī)陕饭β史糯笃?，?dāng)信號(hào)功率不斷變化時(shí)通過自適應(yīng)偏置電路結(jié)構(gòu)，適當(dāng)改變功率放大器的直流工作點(diǎn)，可以有效提高最大線性輸出功率及平均效率，最后通過放大后的信號(hào)在功率放大器輸出端通過威爾金森微帶合成器，把兩路等幅同相的功率信號(hào)合二為一作為芯片的最終輸出。此發(fā)明既減小了芯片體積又降低了成本，同時(shí)提高了芯片的最大線性輸出功率和平均效率。片內(nèi)分布式微帶功分器、合路器都采用威爾金森功分器結(jié)構(gòu)，直接設(shè)計(jì)在功率放大器芯片的基板上。
【權(quán)利要求】
1.一種采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片，包括片上微帶功分器、片上微帶合路器和兩路相同的功率放大器；本芯片的射頻輸入端連接片上微帶功分器的合路輸入端口，片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口分別連接兩路功率放大器的輸入端；兩路功率放大器的輸出端分別連接片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口，片上微帶合路器的合路輸出端口連接本芯片的射頻輸出端口 ；片上微帶功分器和片上微帶合路器的結(jié)構(gòu)是相同的威爾金森結(jié)構(gòu)；威爾金森結(jié)構(gòu)的合路端口為片上微帶功分器的合路輸入端口，威爾金森結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分路端口為片上微帶功分器的第一、二分路輸出端口 ；威爾金森結(jié)構(gòu)的合路端口為片上微帶合路器的合路輸出端口，威爾金森結(jié)構(gòu)的兩個(gè)分路端口為片上微帶合路器的第一、二分路輸入端口 ；所述兩路功率放大器中，每一路功率放大器都是由一個(gè)功率放大器單體構(gòu)成，或者是由多個(gè)獨(dú)立的功率放大器單體依次串聯(lián)構(gòu)成，其特征是還包括有源偏置電路，有源偏置電路的數(shù)量與功率放大器單體的數(shù)量相同，各個(gè)有源偏置電路構(gòu)成有源偏置網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于任一有源偏置電路包括如下器件: 三個(gè)晶體管Ml、M2和M3 ;其中，對(duì)于晶體管Ml和M2，它們各自的柵極和漏極連接； 電容Cl ；
電阻 R1、R2 和 R_bias ； 所述晶體管Ml的漏極通過電阻Rl連接參考電壓Vref ;晶體管Ml的柵極通過電容Cl接地； 所述晶體管M2的漏極連接晶體管Ml的源極；晶體管M2的源極接地； 所述晶體管M3的漏極連接電源VCC ;晶體管M3的柵極通過電容Cl接地；晶體管M3的源極通過電阻R2接地；所述電阻R_bias的一端連接晶體管M3的源極； 對(duì)于所述功率放大器單體，功率放大器單體的信號(hào)輸入端連接R_bias的另一端，同時(shí)，功率放大器單體的輸入信號(hào)通過隔直電容C2傳到功率放大器單體的信號(hào)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用片上微帶分路合路器的單片集成功率放大器芯片，其特征是所述威爾金森結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)相同的傳輸線段，每個(gè)傳輸線段是1/4波長(zhǎng)傳輸線段，該威爾金森結(jié)構(gòu)的特征阻抗為Ztl，則每個(gè)傳輸線段的阻抗為2"2? ;且兩個(gè)傳輸線段的合路端口連接，兩個(gè)傳輸線段的分路端口之間連接有隔離電阻。
【文檔編號(hào)】H03F3/20GK203933548SQ201420260064
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】袁立凱, 葉松 申請(qǐng)人:江蘇博納雨田通信電子有限公司