一种应用于5G通信的28GHz线性功率放大器

技术领域

本发明涉及功率放大器领域，具体涉及一种应用于5G通信的28GHz线性功率放大器。

背景技术

毫米波(mm-Wave)第五代(5G)无线通信网络由于广阔的频谱和低延迟而变得有吸引力。24.25-29.5和37-43.5GHz频段已被第三代合作伙伴项目(3GPP)分配为5G新无线电(NR)的FR2频段。其中28GHz频段刚开始应用，相应的研究较少。

在毫米波5G通信网络中，采用频谱高效的调制方案(例如64、256正交幅度调制(QAM))来提高数据流量。然而由此产生的较大的峰均功率比(PAPR)以及对幅度和相位失真的敏感度，对由功率放大器(PA)主导的发射机的线性度提出了挑战。

功率放大器是5G通信发射机射频前端的最后一个有源模块，其性能对整体收发机输出功率、线性度和信号保真度等指标有着关键影响。由于CMOS工艺的电源电压较低，功率放大器一般采用共源共栅结构来提高输出电压摆幅。但受级间寄生电容影响，共源共栅结构PA的S

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于5G通信的28GHz线性功率放大器，该功率放大器可以在保证输出功率水平的前提下，有效改善输出匹配以及AM-PM失真，提高功率放大器线性度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于5G通信的28GHz线性功率放大器，包括依次连接的输入匹配网络、驱动级放大器、级间匹配网络、功率级放大器和输出匹配网络；所述驱动级放大器采用共源放大器结构，所述功率级放大器采用带有匹配网络的共源共栅放大器结构，以改善输出匹配及AM-PM失真；所述驱动级放大器的静态偏置在A类状态，所述功率级放大器的静态偏置在AB类状态，利用预失真进一步改善AM-PM失真；所述驱动级放大器和功率级放大器均采用中和电容实现差模稳定。

进一步地，所述输入匹配网络和输出匹配网络采用变压器巴伦匹配，以实现差分电路的阻抗匹配，同时实现单端-差分、差分-单端信号变换。

进一步地，所述驱动级放大器采用由晶体管构成的差分共源结构，静态偏置在A类状态，以提高增益；驱动级放大器的晶体管总尺寸为功率级放大器的一半，以保证给功率级放大器提供足够的线性输出功率。

进一步地，所述级间匹配网络采用弱耦合变压器，以实现阻抗匹配；所述驱动级放大器的输入阻抗实部较小，弱耦合变压器以一定的损耗实现较大的阻抗变换，同时保证差分放大器的共模稳定性。

进一步地，所述功率级放大器采用由晶体管构成的差分共源共栅结构，静态偏置在AB类状态，功率级放大器的晶体管尺寸根据负载线理论计算得出，以保证输出功率与效率。

进一步地，所述功率级放大器的差分共源共栅结构的共源管与共栅管之间串联电感L

进一步地，所述驱动级放大器与功率级放大器具有相反的AM-PM变化特性，通过预失真技术改善AM-PM失真。

进一步地，所述驱动级放大器与功率级放大器均采用交叉耦合的中和电容，通过引入补偿电流来抵消晶体管寄生电容C

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种应用于5G通信的28GHz线性功率放大器，该功率放大器包括输入匹配网络、驱动级放大器、级间匹配网络、功率级放大器和输出匹配网络，所述功率级放大器采用带有匹配网络的共源共栅放大器结构，其中级间电感L

附图说明

图1是本发明实施例中应用于5G通信的28GHz线性功率放大器的电路原理图；

图2是本发明实施例中带有中和电容的差分共源放大器小信号等效电路；

图3是本发明实施例中带有级间电感L

图4是本发明实施例中增大电感L

图5是本发明实施例中带有级间LC匹配网络的共源共栅放大器示意图；

图6是本发明实施例中只串联级间电感L

图7是本发明实施例中添加电容C

图8是本发明实施例中驱动级、功率级以及功率放大器整体的原理图以及相应的AM-PM失真；

图9是本发明实施例中整体放大器级联后的AM-PM仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种应用于5G通信的28GHz线性功率放大器，其特征在于，包括依次连接的输入匹配网络、驱动级放大器、级间匹配网络、功率级放大器和输出匹配网络；所述驱动级放大器采用共源放大器结构，所述功率级放大器采用带有匹配网络的共源共栅放大器结构，以改善输出匹配及AM-PM失真；所述驱动级放大器的静态偏置在A类状态，所述功率级放大器的静态偏置在AB类状态，利用预失真进一步改善AM-PM失真；所述驱动级放大器和功率级放大器均采用中和电容实现差模稳定。

所述输入匹配网络和输出匹配网络采用变压器巴伦匹配，以实现差分电路的阻抗匹配，将阻抗匹配至50欧姆，同时实现单端-差分、差分-单端信号变换。

所述级间匹配网络采用弱耦合变压器，以实现阻抗匹配；所述驱动级放大器的输入阻抗实部较小，弱耦合变压器以一定的损耗实现较大的阻抗变换，同时保证差分放大器的共模稳定性。

所述驱动级放大器采用由晶体管构成的差分共源结构，静态偏置在A类状态，以提高增益；驱动级放大器的晶体管总尺寸为功率级放大器的一半，以保证给功率级放大器提供足够的线性输出功率。

所述功率级放大器采用由晶体管构成的差分共源共栅结构，静态偏置在AB类状态，功率级放大器的晶体管尺寸根据负载线理论计算得出，以保证输出功率与效率。所述功率级放大器的差分共源共栅结构的共源管与共栅管之间串联电感L

单独串联级间电感L

所述驱动级放大器与功率级放大器具有相反的AM-PM变化特性，通过预失真技术改善AM-PM失真，进一步优化线性。功率级偏置在AB类状态，驱动级偏置在A类状态。AB类放大器具有超前的相位失真。而A类放大器在一定条件下具有滞后的相位失真，利用两级放大器相反的AM-PM变化趋势实现预失真效果。

在本实施例中，驱动级放大器是由晶体管M

其中，g

通过交叉耦合的中和电容C

式(2)中的r

在射频放大器中，由于S参数的广泛应用，设计中通常采用K-Δ条件测试稳定性，当两个条件同时满足时射频放大器才能无条件稳定，稳定性表达式分别为(3)、(4):

Δ＝|S

如式(3)所示，S

在本实施例中，功率级放大器是由晶体管M

考虑MOS管的寄生，可根据放大器等效小信号电路得到共源共栅放大器各节点阻抗表达式分别为(5)、(6)、(7)：

Z

如(5)-(7)所示，加入L

如图2所示是带有中和电容的差分共源放大器小信号等效电路。晶体管栅极-漏极之间的寄生电容C

如图3所示是带有级间电感L

如图4所示是28GHz处功率放大器的Z

如图5所示是电感L

如图6所示是在28GHz处，共源共栅放大器AM-PM失真随电感L

如图7所示是在28GHz频率下，共源共栅放大器只添加电感L

如图8所示是驱动级与功率级电路的AM-PM失真，利用两级放大器相反的AM-PM变化趋势，实现预失真，最终输出信号的AM-PM失真非常小。

如图9所示是整体功率放大器的AM-PM失真，在P1dB前最大AM-PM失真不超过0.73°，实现了非常良好的线性效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。