基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种用于无线通信的基于Cat1模组架构的多模多频(Multimode Multiband，MMMB)功率放大器(Power Amplifier，PA)。

背景技术

多模多频功率放大器，简称MMMB PA，这种模组通常应用在4G LTE通信系统中。

根据不同的应用场景及需求制定了Category X(简称Cat X)标准，而最常见的用于终端的LTE标准包括Cat1和Cat4。相比于Cat4，一方面，Cat1和Cat4的应用频段相同，因此具有和Cat4相同的传输时延，无需对当前基站升级，可以无缝接入当前LTE网络，无覆盖成本；另一方面，Cat1要求的通信速率更低，这使得模组架构具有更多选择性，可以实现更高的集成度，有效优化芯片和外围硬件成本。

由于对其成本的要求，使得芯片及模组必须小型化和高集成化，这带来一定的设计挑战。出于上述的理由，需要一种不同于Cat4分立模块化的模组架构的多模多频功率放大器。

发明内容

本专利提出一种应用于通信系统中的基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，包括：控制器单元，其被配置为给功率放大器单元提供不同的偏置电压或电流；同时控制开关单元，以选择不同开关口输出，从而实现不同档位和不同频段的切换；功率放大器单元，其包括LB功率放大器、MB功率放大器PA和HB功率放大器PA，不同频段的输入信号被输入到LB功率放大器、MB功率放大器和HB功率放大器中相应的一个，并且所述功率放大器单元根据控制器单元提供的不同的偏置电压或电流来对输入信号进行放大；输出匹配网络，其连接到功率放大器单元的输出端，并且被配置为包括电容和电感以为功率放大器单元提供阻抗匹配；以及开关单元，其连接到功率放大器单元的输出端，并且被配置为根据控制单元来操作，以选择不同开关口输出，其中，所述输出匹配网络中的电容被配置在与功率放大器单元相同的芯片上，并且所述述输出匹配网络中的电感通过分立的电感走线来配置，所述电容和所述电感通过焊盘连接。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述控制器单元通过单独的CMOS控制器芯片来实现。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述功率放大器单元可通过GaAs HBT、CMOS、BJT、BiCMOS、GaN工艺中的一种来实现。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述功率放大器单元还包括被配置在相同的芯片中的输入匹配网络和级间匹配网络。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述开关单元包括LB开关、MB开关和HB开关。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述开关单元通过单独的SOI开关芯片来实现。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述输出匹配网络包括LB输出匹配网络、MB输出匹配网络和HB输出匹配网络。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述输出匹配网络包括二次谐波分量谐振网络、三次及以上的高次谐波分量谐振网络以及连接在所述二次谐波分量谐振网络和三次及以上的高次谐波分量谐振网络之间的T型谐振网络。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，其中，所述二次谐波分量谐振网络包括第一电容C1和第一电感L1，所述第一电容C1和第一电感L1串联连接在所述功率放大器单元的输出端和接地节点之间以过滤二次谐波分量；所述T型谐振网络包括第二电容C2、第二电感L2和第三电感L3，其中，第二电容C2的一端与所述功率放大器单元的输出端连接，第二电感L2的一端连接到接地节点，并且第三电感L3的一端连接到所述开关单元；以及所述三次及以上的高次谐波分量谐振网络包括第四电感L4和第三电容C3，所述第四电感L4和第三电容C3串联连接在第三电感L3的输出端与接地节点之间，以滤掉三次及以上的高次谐波分量。

根据本发明的实施例，提供了一种基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器，所述输出匹配网络还包括第五电感L5，其的一端连接到第三电感L3的输出端并且其另一端连接到开关单元，其中，所述第三电感L3、第四电感L4和第五电感L5通过被配置在功率放大器单元的芯片外部的焊盘P连接。

附图说明

图1是示出了根据本发明实施例的基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器的示意图；

图2是示出了根据本发明另一实施例的基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器的示意图；

图3是示出了根据本发明实施例的多模多频功率放大器的输出匹配网络单元的示意图；以及

图4a和图4b是示出了根据本发明实施例的多模多频功率放大器中，通过电感走线来实现输出匹配网络单元的示意图。

具体实施方式

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信和连接，无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本专利文件中，电路块的应用组合以及子电路块的划分仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，电路块的应用组合以及子电路块的划分可以具有不同的方式。

以下讨论的图1至图4a和图4b以及用于描述本专利文档中的本公开的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的系统或设备中实施。

图1是示出了根据本发明实施例的基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器的示意图。

在图1中，根据本发明实施例的基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器100包括：控制器单元101、功率放大器单元PA102、输出匹配网络103和开关单元104。

在图1所示的实施例中，所述功率放大器单元PA 102为GaAs HBT功率放大器PA，然而本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，也可以使用其他工艺实现的功率放大器，例如，可以通过GaAs HBT/CMOS/BJT/BiCMOS/GaN等中的任何一种工艺来实现功率放大器。控制器单元为CMOS控制器单元，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，也可以使用其他工艺实现的控制器单元。开关单元104为SOI开关单元，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，也可以使用其他工艺实现的开关单元。其中，输出匹配网络单元为射频输出匹配网络单元。在图1中所示的实施例中，虽然输出匹配网络103连接在功率放大器单元PA 102和开关单元104之间，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以对其位置进行调整，例如，可以将输出匹配网络103与开关单元104的位置进行调换。

图2是示出了根据本发明另一实施例的基于Cat1模组架构的多模多频功率放大器的示意图。

在图2中，功率放大器单元PA 202为HBT PA，并且同时包括了LB功率放大器PA、MB功率放大器PA和HB功率放大器PA。不同频段的输入信号可以输入到功率放大器单元PA 202中不同的功率放大器。功率放大器单元PA 202根据控制器201提供的偏置电压或电流来对输入信号进行放大。此外，功率放大器单元PA 202还包括输入匹配网络205和级间匹配网络206，其被配置在相同的芯片中，以降低模组匹配的复杂度和面积使用率，并且可以有效避免不同频段的耦合，将有限的空间用于电源走线和输出匹配，从而提高整个模组利用率。

此外，参考图2中所示的实施例，控制器201由单独的CMOS控制器芯片来实现，并且开关单元204通过SOI开关芯片来实现，在保证多模多频功率放大器PA性能和模组正常工作的同时降低成本。

如图2所示，当上变频器输入调制信号时，对应频段的信号可以输入到与之对应的功率放大器(包括LB功率放大器、MB功率放大器和HB功率放大器)，控制器201通过MIPI(移动行业处理器接口)(逻辑接口)，来给功率放大器PA提供不同的偏置电压或电流；同时其控制开关单元204，以选择不同开关口输出，从而实现不同档位和不同频段的切换，实现模组正常工作。输出匹配网络203连接到功率放大器单元PA 202的输出端，为功率放大器单元PA202提供阻抗匹配。其中，输出匹配网络203包括LB输出匹配网络、MB输出匹配网络和HB输出匹配网络。然而，由于功率放大器是大功率输出，因此输出匹配网络203(特别是电感元件)需要占用大量芯片面积，同时在芯片(管芯)中存在的低Q值元件还会带来巨大损耗。

此外，如图2中所示，开关单元204包括LB开关、MB开关和HB开关，以用于在控制器201的控制下，将不同频段的信号在不同的开关口输出。然而本领域技术人员应该理解，上述实施例仅用于示例，本发明的范围不限于此，例如，开关单元204可以包括用于不同频段的单个开关单元。

图3是示出了根据本发明实施例的多模多频功率放大器的输出匹配网络单元的示意图。

参考图3，LB功率放大器PA、MB功率放大器PA和HB功率放大器PA各自连接到的LB输出匹配网络、MB输出匹配网络和HB输出匹配网络均具有如图3中所示的输出匹配网络。输出匹配网络由电容C1、C2和C3以及电感L1、L2、L3、L4和L5构成，其中，电容C1、C2和C3全部集成在与功率放大器单元相同的管芯(芯片)上，而电感L1、L2、L3、L4和L5则通过分立器件，例如，通过在模组绕线(走线)实现匹配，整个电容电感构成输出所需要的阻抗。其中，C1和L1组成的谐振网络用以过滤二次谐波分量，而C3和L4组成的谐振网络则用以滤掉三次及以上的高次谐波分量。

具体地，在图3中，电容C1和电感L1串联连接在功率放大器的输出端和接地节点之间以过滤二次谐波分量；电容C2、电感L2和电感L3组成T型谐振网络，其中，电容C2的一端与功率放大器的输出端连接，电感L2的一端连接到接地节点，并且电感L3的一端通过电感L5连接到发射端开关单元；电感L4和电容C3串联连接在电感L3和电感L5的公共节点与接地节点之间，以滤掉三次及以上的高次谐波分量。

根据本发明的实施例，输出匹配网络单元中的电容集成在与功率放大器单元相同的芯片(管芯)上，而电感则通过模组绕线(走线)，例如，通过分立的电感走线来实现。

图4a和图4b是示出了根据本发明实施例的多模多频功率放大器中，通过电感走线来实现输出匹配网络单元的示意图。

参考图4a和图4b，其中，所有的弧线为芯片焊盘(pad)到模组上的键合线(bondwire)或电感走线。

图4a示出了不具有电感L4的输出匹配网络的实现方式，而图4b示出了具有电感L4的输出匹配网络的实现方式。

在图4a的实现方式中，被布置在管芯中的电容C3需要通过焊盘N与芯片(管芯)外部的两个电感L3和L5连接。

在图4b的实现方式中，在芯片中设置的电容C2通过焊盘M与电感走线连接，从而与电感L3连接，电感L3的另一端与管芯外部的焊盘P连接；此外，电感L4由电感走线形成，并且其一端连接到焊盘P而另一端通过焊盘N连接到布置在管芯中的电容C3；焊盘P还连接到电感L5的一端，以与发射端开关连接。

与图4a中的结构相比，由于电感L4的引入，使得电容C3处只需要与电感L4连接，即，其仅仅需要与一根键合线(电感走线)连接，使得其焊盘面积变小。在其他芯片(管芯)区域相同的情况下，额外引入电感L4的输出匹配网络反而具有更小的芯片面积。

此外，通过从焊盘N到焊盘P的键合线(电感走线)形成的电感L4，首先，可用于抑制高次谐波，根据F类功放原理，当偶次谐波短路，奇次谐波开路时，电压呈现方波，电流呈现半正弦波，通过电感L4和电容C3形成的谐振网络减小了损耗功率，提升了功率放大器PA的效率；其次，通过对功率放大器PA的输出波形整形，提高其线性度；最后，其还可用于调节频带内的阻抗，从而提高一次流片成功率。

尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。

本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。