一种功率放大器

技术领域

本发明涉及电子通讯，更具体地说，它涉及一种功率放大器。

背景技术

随着时代的发展，无线通信在人们的生活中的重要性也越来越明显。而5G通信系统以更快的传输速度、超低的时延、更低的功耗及海量连接实现了革命性的技术突破。

与中低频段相比，毫米波频段具有频谱资源丰富、信道容量大等优势。为了满足5G通信系统大带宽、多连接、低延时的需求，毫米波太赫兹通信技术将会被广泛应用，以实现万物互联互通。而功率放大器作为射频前端芯片发射路径上的关键器件，其性能直接决定了整个系统的通信距离、信号质量，甚至待机时间。在保证增益、线性度和输出功率等指标的前提下，最大化能量转换效率一直是功率放大器设计的要点和难点。

在5G应用的毫米波功率放大器方面，目前国内尚处于发展阶段，主要研究机构有电子科技大学、东南大学、西安电子科技大学、中国科学院等。其研究范围包括Ka波段下的硅基、硅锗基、氮化镓基、砷化镓基毫米波功率放大器。其中，砷化镓基的功率放大器设计较为成熟，被广泛用于移动通信设备。

例如，“王维波.微波毫米波单片集成电路设计技术研究[D].东南大学，2019”中公开的，东南大学射频与光电集成电路研究所于2019年研发出的一种采用0.15μm GaAspHEMT工艺的平衡式Ka波段高效高线性中功率放大器芯片，并已用于电子领域。该功率放大器工作于33GHz～37GHz，功率附加效率在28％～34％的范围内。近年来，氮化镓基、硅锗基、硅基也被越来越多的用于功率放大器的设计中。其中，硅基功率放大器对于只需要相对较小传输功率的片上系统很有优势，在移动通信上非常具有应用潜力。又如，“张恒爽.氮化镓基毫米波段高效率MMIC功率放大器研究[D].西安电子科技大学，2019”中公开的一款采用GaN工艺的37GHz～42GHz功率放大器。仿真结果表明，其功率附加效率可达到22.3％。“冯文.硅基毫米波功率放大器设计[D].电子科技大学，2019”中公开的一款采用0.13μm SiGeBiCMOS工艺的毫米波功率放大器。28GHz下的仿真结果显示，其功率附加效率可达20％，但功率回退6dB处的效率下降为12％。“颉斌.毫米波在5G中的应用[J].电信工程技术与标化，2021，34(03)：87-92”中公开的，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研发的一款采用65nm CMOS工艺制成的毫米波功率放大器。其工作频段为30GHz～32GHz，最大功率附加效率为16.9％。

近年来，美国、日本，以及欧洲的法国、德国、英国等都将毫米波芯片作为重点发展的核心技术，并取得大量毫米波功率放大器的研究成果，正朝着全硅SoC射频系统的目标迈进。“B.Rabet and J.Buckwalter.A high-efficiency 28GHz outphasing PA with 23dBmoutput power using a triaxial balun combiner[C].IEEE International Solid-state Circuits Conference-(ISSCC).IEEE，2018”以及“N.Rostomyan，M.

上述功率放大器为目前国内外毫米波功率放大器的研究现状。通过对比不同工艺下的性能可以发现，目前在毫米波功率放大器中效率较好的大多为非CMOS工艺进行制造。但对于采用非CMOS工艺设计出来的毫米波功率放大器需要单独进行流片，导致其价格较为昂贵，且不便与现有的硅基芯片进行集成。针对该问题，本领域的研发人员提出了采用CMOS工艺的Outphasing结构功率放大器。

传统的Outphasing结构功率放大器的基本结构框图如图1所示。其包含幅值信息和相位信息的输入信号S(t)。该信号通过数字信号分离器SCS产生两路幅值恒定、相位变化的信号S

其中，包含幅值和相位信息的输入信号S(t)用下式表示：

如图2所示，其展现了数字信号分离器SCS信号分解的原理。选定r

但Outphasing结构往往需要加入阻抗补偿。这是为了减少共源共栅功率放大器PA从输出端往负载端看到的虚部阻抗所产生的无功功率，以此提高效率。如图3a所示为传统电压模式的Outphasing结构。该结构通过并联电感电容进行阻抗补偿，且需要设计有一个功率合成器。图3b为现在较为新颖的电流模式Outphasing结构，其采用串联电感电容进行阻抗补偿，同时使用直连的方式进行功率合成，避免了传统模式中功率合成网络对于能量的损耗。但是在传统的电压模式或者电流模式，都存在一个很明显的缺点。即进行阻抗补偿的时候只能固定对一个相位角度进行补偿，这就导致在其它相位角度下进行的补偿较少，效率不能更好的提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种功率放大器，解决了Outphasing结构功率放大器只能固定对一个相位角度进行补偿，造成其效率不能更好提升的问题。

本发明所述的一种功率放大器，包括数字信号分离器以及用于放大数字信号分离器输出的两个模拟信号的共源共栅功率放大单元；还包括动态电感L

所述动态电感L

其中，R

所述动态电感L

所述动态电容C

其中，R

所述动态电容C

所述数字信号分离器通过共源驱动单元与共源共栅功率放大单元连接。

所述共源驱动单元通过变压器与共源共栅功率放大单元连接，且所述变压器的初级线圈设有第一中间抽头，所述第一中间抽头与电源端连接；所述变压器的次级线圈设有第二中间抽头，所述第二中间抽头与共源共栅功率放大单元的偏置电压端连接。

所述共源驱动单元包括场效应管M

所述共源共栅功率放大单元包括场效应管M

所述动态电感L

有益效果

本发明的优点在于：根据模拟信号的相位确定动态电感和动态电容，从而能使功率放大器在不同的相位角度下，动态电感和动态电容均能作出相应的改变，以抵消不同相位时的无功功耗损耗，以此影响了发射链路的能量效率，达到提高效率的目的。

附图说明

图1为目前的0utphasing结构功率放大器的结构框架示意图；

图2为数字信号分离器的信号分解示意图；

图3a为传统电压模式Outphasing结构功率放大器结构框架示意图；

图3b为传统电流模式Outphasing结构功率放大器结构框架示意图；

图4为本发明的功率放大器结构框架示意图；

图5为本发明的功率放大器电路结构示意图；

图6为本发明的动态电感结构示意图；

图7为本发明的动态电容结构示意图；

图8为本发明的共源驱动单元电路图；

图9为本发明的共源共栅功率放大单元电路图；

图10为本发明的共源共栅功率放大单元或共源驱动单元的另一实施方式；

图11为实现本发明所述的动态电感感值可变的另一实施方式；

图12为实现本发明所述的动态电容容值可变的另一实施方式；

图13为本发明的共源共栅功率放大单元和共源驱动单元的元器件参数表；

图14为本发明的动态阻抗补偿与固定阻抗补偿的PAE效率和增益曲线；

图15为本发明的动态阻抗补偿功率放大器的频率响应曲线；

图16为本发明的不同输出功率回退下的电感电容相位值；

图17为本发明的动态阻抗补偿功率放大器输出功率1dB压缩曲线。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

参阅图4-图5，本发明的一种功率放大器，包括数字信号分离器SCS以及用于放大数字信号分离器SCS输出的两个模拟信号的共源共栅功率放大单元PA。该功率放大器还包括动态电感L

其中，第一模拟信号为带正相位的模拟信号；第二模拟信号为带负相位的模拟信号。

动态电感L

动态电感L

其中，R

动态电容C

其中，R

根据数字信号分离器SCS实时输出的模拟信号的相位，即可确定动态电感L

参阅图6，动态电感L

参阅图7，动态电容C

本实施例的数字信号分离器SCS通过共源驱动单元DR与共源共栅功率放大单元PA连接，用于驱动共源共栅功率放大单元PA，以提高放大倍数。

共源驱动单元DR通过变压器与共源共栅功率放大单元PA连接。变压器用于对共源驱动单元DR和共源共栅功率放大单元PA进行级联和匹配。且变压器的初级线圈设有第一中间抽头，第一中间抽头与电源端连接。变压器的次级线圈设有第二中间抽头，第二中间抽头与共源共栅功率放大单元PA的偏置电压端连接。

参阅图8，本实施例的共源驱动单元DR包括场效应管M

参阅图9，共源共栅功率放大单元PA包括场效应管M

为进一步说明本发明的技术方案，功率放大器设计频率为28GHz，但不仅限于28GHz。还可运行在如2.4GHz、5GHz、60GHz等频率。且本实施例基于40nm CMOS工艺进行设计。该工艺较传统SOI CMOS、SiGe、GaAs等工艺价格更加便宜，且更适合与数字芯片进行集成。但也不仅仅局限于本文中的40nm CMOS工艺，如SOI CMOS、SiGe等工艺也是可行的。

需说明的是，共源共栅功率放大单元PA和共源驱动单元DR电路也不仅仅局限于实施例中所公开的电路结构，其它的用于功率放大器的共源共栅功率放大单元PA和共源驱动单元DR电路结构也是可行的。

如图10所示，可使用带有Ldeg源退化电感的结构实现共源共栅功率放大单元PA或者共源驱动单元DR功能。

对于电感电容的调制方式也不仅仅局限于实施例中描述的方式，其他公开的能改变电感、电容值的方式也是可行的。

如图11所示，通过对应的V

如图12所示，由串联的两个MIM电容和两个MEMS电容实现可变电容的效果。具体过程为对MEMS电容充电或者接地实现其两端端口的容值变化。且该可变电容可以直接在工艺上进行设计。

其中，各元器件的具体参数如图13所示。通过端口RF

如图14所示，其中显示了在不同输入信号大小的情况下，通过控制不同输入信号的相位以及该相位下动态电感L

从图15所示的动态阻抗补偿功率放大器的频率曲线可以看出，最大输出功率下降1dBm时候对应的频率范围为25.2GHz-31.8GHz。

图16所示的动态阻抗补偿电路中不同输出功率回退下的电感、电容、相位值，其中L

从图17所示的动态阻抗补偿功率放大器输出功率1dB压缩曲线可以看出，动态阻抗补偿电路的输出功率1dB压缩点，其值为18.8dBm。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。