一種多模功率放大器及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及射頻功率放大器設計技術領域，具體的說是一種高效率高線性度的兼容3G及4G應用的寬窄帶可調多模功率放大器及其應用。
【背景技術】
[0002]射頻發射前端模塊是射頻終端器件實現信號傳輸的關鍵元器件。當前隨著全球無線通信用戶的快速增長及用戶對無線通信的更高端的體驗需求，市場對無線通信的帶寬的需求快速增長。為了解決這種市場需求，全球開放出來的專用無線通信頻段越來越多并且越來越擁擠。頻段利用率高的調制解調方式，例如:3G的寬帶碼分多址(Wideband CodeDivis1n Multiple Access，WCDMA)，帶碼分多址(Code Divis1n Multiple Access ,CDMA)，時分同步碼分多址(Time Divis1n Synchronous Code Divis1n MultipleAccess,TD-SCDMA)，以及逐漸取代3G技術成為市場主流的4G技術的Long term evolut1n,LTE包括成對頻譜模式(Frequency domain duplexing，FDD)及非成對頻譜模式(Timedomain dupleXing，TDD)。這些頻段利用率高的各種調制解調方式都對無線通信終端提出更高的要求，例如:高質量的語音通話，減少數據通信中的錯誤，快速的語音數據傳輸的切換，等等。對于射頻發射前端的主力元器件射頻功率放大器及其模塊來說，就意味著在新的頻段利用率高的調制解調方式下，功率放大器必須具有較高的線性度來保障射頻信號能夠放大傳輸并且能夠盡量少信號失真。一般功率放大器的高線性度意味著降低其輸出功率來減少輸出晶體管器件的非線性諧波的產生，這導致了功率放大器不能工作在其高輸出功率以及最高效率區間。此外由于無線移動終端與基站的距離遠近變化會導致基站對接收信號強度需求變化，一般在遠距離需要高功率時射頻功率放大器效率較高，在較近距離需要較低功率時功率放大器效率較低。較低的放大器效率會導致手機發熱，嚴重影響手機續航時間。因此，多模功率放大器需要為射頻功率放大器的偏置電路設計至少兩種或兩種以上的模式使得在不同輸出功率下，射頻功率放大器都有較高的效率。
[0003]市場現有的射頻多模功率放大器以及包含該多模功率放大器的射頻前端模塊主要有以下兩種。圖1顯示的三路功率放大器102/106/109分別代表高功率/中功率/低功率的射頻放大通路中的放大器單元，104/108/111分別代表三路各自的射頻開關。高功率輸出時，102/104開通，射頻信號能經過102放大并且通過輸出匹配電路103最優化的傳輸到射頻開關104后傳輸到天線。中功率輸出時，106/108開通，射頻信號能經過106放大并且通過輸出匹配電路107最優化的傳輸到射頻開關108后傳輸到天線。低功率輸出時，109/111開通，射頻信號能經過109放大并且通過輸出匹配電路110最優化的傳輸到射頻開關111后傳輸到天線。三種輸出通路各自獨立，所以可以各自優化以達到在不同輸出功率下的最佳性能。三種通路其中優化的參數包括功率放大器102/106/109以及射頻開關104/108/111均可采用不同設計，輸出匹配電路103/107/110均可以分別為不同功率輸出設計優化到不同的匹配阻抗。在既定輸出功率時，功率模式控制電路提供偏置電壓開通一路通路，其中包括功率放大器PA及相應通路的射頻開關SW，同時關閉另外兩路通路。但是該方案因為采用三個功率放大器以及三個射頻開關芯片，大大增加了模塊的面積以及產品的成本。這種電路的集成性能較低，不能滿足手機部件小型化的需求，已經逐漸被市場淘汰。
[0004]圖2顯示的是市場常見的無射頻開關高低雙模功率放大器及其模塊，202及203代表高功率射頻放大通路中的第一級以及第二級放大器，204及205代表低功率的射頻放大通路中的第一級以及第二級放大器，206/207/208分別代表阻抗匹配單元。高功率輸出時，202/203開通，射頻信號能經過202/203級聯放大并且通過輸出匹配電路206/207及輸出匹配電路209最優化的傳輸到天線。低功率輸出時，204/205開通，射頻信號能經過204/205級聯放大并且通過輸出匹配電路206/208及輸出匹配電路209最優化的傳輸到天線。這高低兩種功率輸出通路并非各自獨立，所以不能如同圖1的方案能夠可以各自功率通路優化以達到在不同輸出功率下的最佳性能，設計中不但要考慮到開通路的負載優化，還需要考慮到關閉路電路的存在對開通路的負載影響。第二種方案是種無射頻開關的設計，相比于第一種方案，其優勢是芯片面積小，成本低，已經成為市場同類產品的主流。但是由于采用了至少兩個一級放大器和至少兩個二級放大器來實現多功率的控制，放大器芯片沒有得到較好的重復利用。此外負載匹配電路不能兼容寬帶和窄帶的應用。
[0005]以上兩種方案的功率放大器一般采用GaAsHBT的工藝，功率模式控制電路通常是CMOS工藝，輸出匹配電路可以采用無源分立元件或半導體無源器件。第一種方案中的射頻開關通常是采用GaAs pHEMT工藝或是SOI技術。
[0006]輸出匹配電路設計一般采用一級電感電容連接如圖3所示。302是電路中的電源電壓VCC，305是電路中的地GND，301是電感用于RF Choke,301/303/304組成Pi型輸出匹配電路，阻抗由功率放大器的低阻抗變換到天線端的高阻抗，這是常用的窄帶射頻放大器輸出匹配電路設計。但是該窄帶負載匹配電路在帶寬要求稍高的環境下只能在部分帶寬頻率下工作。
[0007]寬帶射頻放大器可以采用兩級或多級電感電容連接如圖4所示，由于多級電感電容級聯所以可以逐級逐漸變換阻抗，所以每級匹配對Q值要求不高，最終達到寬帶的輸出匹配。但是這種負載匹配損耗較大，在僅需要窄帶工作的環境下功率放大器的效率較低。

【發明內容】

[0008]本發明為解決上述現有技術中存在的不足之處，提供了一種集成度更高、更靈活、可調節功率及工作帶寬的多模功率放大器及其應用，以期能簡化多功率多模射頻放大器及其模塊的結構設計，從而實現功率放大器的功率模式及工作帶寬模式的調節來滿足多種通信制式的需求。
[0009]本發明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0010]本發明一種多模功率放大器的特點是包括:M級級聯放大電路和輸出匹配電路;所述Μ級級聯放大電路的第i個級聯的放大電路中包含化個并聯連接的單位放大單元；1 < i <Μ且 Μ > 2 ；
[0011]射頻信號從所述Μ級級聯放大電路的第i個級聯的放大電路的輸入端進入并經過化個并聯連接的單位放大單元的放大后，再輸出至第i+Ι個級聯的放大電路的輸入端進行放大，直到經過第Μ個級聯的放大電路的放大后，獲得級聯放大信號并傳遞給所述輸出匹配電路；
[0012]所述輸出匹配電路對所述級聯放大信號進