一种共源共栅功率放大器、发射机及通信设备

技术领域

本申请涉及射频领域，具体而言，涉及一种共源共栅功率放大器、发射机及通信设备。

背景技术

近年来，新一代通信技术取得了快速发展，基于sub-6GHz频段的通信已经不能满足日益增长的带宽需求，因而基于6GHz以上的高频通信，如毫米波5G通信、宽带卫星通信等成为备受关注的发展方向。高频通信使用的小尺寸器件使得大规模相控阵技术成为可能，该技术可以有效地弥补高频通信的高损耗、提升高频通信的覆盖能力，因而被广泛地使用于高频通信系统。通过多天线阵列和波束赋形技术，大规模相控阵系统可以实现更高的输出功率以克服传播损耗；同时，可以根据用户的实时需求，调整波束的指向，提供灵活的信号覆盖。大规模相控阵系统配合宽带高阶调制信号(例如，64-QAM、256-QAM)，结合正交频分复用技术(OFDM)，可以实现超高速、低时延的无线通信。然而，相对于单载波恒包络信号(例如，QPSK)，OFDM宽带高阶调制信号对系统的幅度线性度和相位线性度有更高的要求；同时，OFDM宽带高阶调制信号极高的峰均比也对大规模相控阵系统的线性度提出了挑战。除此之外，3GPP组织为毫米波5G通信划分的载波频段范围为24–71GHz，丰富的载波频率资源对大规模相控阵系统在毫米波频率下的线性度提出了要求。

如何满足上述要求，成为了本领域技术人员所关注的难题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种共源共栅功率放大器、发射机及通信设备，以至少部分改善上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种共源共栅功率放大器，包括：依次连接的输入匹配网络、单端共源共栅放大器以及输出匹配网络，所述单端共源共栅放大器包括：第一晶体管、第二晶体管、第三电容以及二次谐波短路电路；

所述第一晶体管的源极接地，所述第一晶体管的漏极连接于所述二次谐波短路电路的第一端，所述第一晶体管的栅极连接于所述输入匹配网络的输出端；

所述第二晶体管的源极连接于所述二次谐波短路电路的第二端，所述第二晶体管的漏极连接于所述输出匹配网络的输入端，所述第二晶体管的栅极连接于所述第三电容的一端，所述第三电容的另一端接地。

第二方面，本申请实施例提供一种发射机，包括上述的共源共栅功率放大器。

第三方面，本申请实施例提供一种通信设备，包括上述的发射机。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种共源共栅功率放大器、发射机及通信设备，包括：依次连接的输入匹配网络、单端共源共栅放大器以及输出匹配网络，单端共源共栅放大器包括：第一晶体管、第二晶体管、第三电容以及二次谐波短路电路；第一晶体管的源极接地，第一晶体管的漏极连接于二次谐波短路电路的第一端，第一晶体管的栅极连接于输入匹配网络的输出端；第二晶体管的源极连接于二次谐波短路电路的第二端，第二晶体管的漏极连接于输出匹配网络的输入端，第二晶体管的栅极连接于第三电容的一端，第三电容另一端接地。不影响功率放大器增益、功率和效率的前提下提升功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调失真，使功率放大器支持在毫米波频段传输高功率宽带高阶调制信号。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的结构示意图；

图2为本申请实施例图1提供的共源共栅功率放大器在基波频率下的电路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的增益结果示意图；

图4为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的输出1dB压缩点和输出3dB压缩点的结果示意图；

图5为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的相位线性度的结果示意图。

图中：100-输入匹配网络；101-第一电容；102-输入匹配变压器；200-单端共源共栅放大器；201-第一晶体管；205-第二晶体管；206-第三电容；210-二次谐波短路电路；202-第一电感；203-第二电感；204-第二电容；300-输出匹配网络；301-第四电容；302-输出匹配变压器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

功率放大器位于大规模相控阵系统每个阵元的天线端，是整个系统非线性特性的主要来源，也是整个系统在不同载波频率下传输宽带高阶调制信号的瓶颈。功率放大器可以采用AB类偏置的共源级放大器结构。相较于A类功率放大器，AB类功率放大器提供了较高的效率以及接近饱和输出功率的1dB压缩点；而共源级在高频(例如，毫米波频段)提供了较高的增益和良好的稳定性，因此，AB类偏置的共源级放大器可以用于传输恒包络信号。然而，AB类偏置下的共源级放大器会产生大量的二次谐波，使功率放大器的幅度线性度、相位线性度和三阶互调量恶化，严重影响宽带高阶调制信号的传输。除此之外，共源级放大器的输出功率受到输出电压摆幅的限制，难以满足功率要求。于是，AB类偏置共源级放大器仍需改进，使其适用于支持在毫米波频率下传输宽带高阶调制信号的大规模相控阵系统。

本申请方案在AB类偏置共源级放大器的基础上引入共栅级晶体管，将其改进为共源共栅放大器。除此之外，引入线性化电感和次谐波短路电路，提升功率放大器在毫米波频率的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调失真，使功率放大器支持在毫米波频率传输高功率宽带高阶调制信号。

具体地，请参考图1，图1为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的结构示意图。如图1所示，共源共栅功率放大器包括：依次连接的输入匹配网络100、单端共源共栅放大器200以及输出匹配网络300。共源共栅功率放大器可以用于射频系统中的发射机，输入匹配网络100用于连接前置电路，例如衰减器或移相器，输出匹配网络300用于连接后置的天线。

单端共源共栅放大器200包括：第一晶体管201、第二晶体管205、第三电容206以及二次谐波短路电路210。

可选地，第一晶体管201和第二晶体管205的器件尺寸相同。

第一晶体管201的源极接地，第一晶体管201的漏极连接于二次谐波短路电路210的第一端，第一晶体管201的栅极连接于输入匹配网络100的输出端，即连接于单端输入信号通路上。

第二晶体管205的源极连接于二次谐波短路电路210的第二端，第二晶体管205的漏极连接于输出匹配网络300的输入端，即连接于单端输出信号通路上，第二晶体管205的栅极连接于第三电容206的一端，第三电容206的另一端接地。

应理解，本申请提出的带有二次谐波短路电路210的单端共源共栅放大器结构，一方面，在毫米波频率提升了功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调量，使功率放大器支持在毫米波频率传输高功率宽带高阶调制信号，另一方面，抑制了反向干扰信号带来的影响，增强了功率放大器的可靠性，整体提升功率放大器在高频的工作能力；通过结合单端共源共栅放大器和二次谐波短路电路来抑制二次谐波对调制信号产生的影响，提升了功率放大器在高频的幅度线性度和相位线性度。

综上所述，本申请实施例提供了一种共源共栅功率放大器，包括：依次连接的输入匹配网络100、单端共源共栅放大器200以及输出匹配网络300，单端共源共栅放大器200包括：第一晶体管201、第二晶体管205、第三电容206以及二次谐波短路电路210；第一晶体管201的源极接地，第一晶体管201的漏极连接于二次谐波短路电路210的第一端，第一晶体管201的栅极连接于输入匹配网络100的输出端；第二晶体管205的源极连接于二次谐波短路电路210的第二端，第二晶体管205的漏极连接于输出匹配网络300的输入端，第二晶体管205的栅极连接于第三电容206的一端，第三电容206的另一端接地。不影响功率放大器增益、功率和效率的前提下提升功率放大器的幅度线性度和相位线性度，抑制三阶互调失真，使功率放大器支持在毫米波频段传输高功率宽带高阶调制信号。

请继续参考图1，在一种可选的实施方式中，二次谐波短路电路210包括：第一电感202、第二电感203以及第二电容204。

第一电感202的一端作为二次谐波短路电路210的第一端连接于第一晶体管201的漏极。

第一电感202的另一端连接于第二电感203的一端，在第一电感202和第二电感203之间引出接线端子作为二次谐波短路电路210的第二端连接于第二晶体管205的源极。

第二电感203的另一端连接于第二电容204的一端，第二电容204的另一端接地。

应理解，本申请提供的单端的共源共栅功率放大器适用于在毫米波频率提升单端功率放大器幅度线性度和相位线性度同时抑制三阶交调量的结构。请参考图1和图2，图2为本申请实施例图1提供的共源共栅功率放大器在基波频率下的电路结构示意图。

具体而言，高线性度的单端共源共栅放大器200由二次谐波短路电路210、第一晶体管201、第二晶体管205以及第三电容206构成。当单端共源共栅放大器200工作时，第三电容206为共栅级的第二晶体管205提供信号回路。当单端共源共栅放大器200工作在大信号状态时，第一晶体管201为单端共源共栅放大器200提供增益；第二晶体管205提升单端共源共栅放大器200的电压摆幅，因此提升了功率放大器的输出功率。

二次谐波短路电路210为电感-电容谐振电路，由第一电感202、第二电感203以及第二电容204。第二电感203和第二电容204在二次谐波频率串联谐振。单端共源共栅放大器200工作时，对于二次谐波来说，第二电感203和第二电容204的串联谐振构成一条到地的信号通路，能够有效滤除晶体管非线性产生的二次谐波，改善功率放大器的幅度线性度、相位线性度和三阶交调量，使功率放大器支持传输高功率宽带高阶调制信号。

对于基波信号来说，由于第二电感203在频率较低的基波频率处阻抗较低，第二电感203和第二电容204的串联电路可等效为电容值变为1.3倍的第二电容204，电路结构如图2所示。为了消除该1.3倍第二电容204对基波信号的影响，在第一晶体管201的漏极和第二晶体管205的源极之间引入线性化的第一电感202，第一电感202在基波频率处吸收第二电容204、第一晶体管201漏极寄生电容和第二晶体管205源极寄生电容，消除了二次谐波短路电路对基波信号的影响。

可选地，第二电感203与第二电容204在二次谐波处串联谐振，取值关系为：

其中，L

可选地，第一电感202与第二电感203、第二电容204在信号基波频率匹配，取值关系为：

其中，R

即第二电感203与第二电容204组成的二次谐波短路电路在基波频段可等效为电容值变为1.3(三分之四)倍的第二电容204，进一步地，该电容被吸收在线性化的第一电感202中，在不影响功率放大器增益、功率和效率的前提下，消除了此二次谐波短路电路对基波信号的影响。

可选地，第一电感202和第二电感203为片上螺旋电感，提升电感密度，减小电感占用面积，提升电感品质因数。

请继续参考图1，在一种可选的实施方式中，输入匹配网络100包括第一电容101和输入匹配变压器102。

输入匹配变压器102的第一端作为输入匹配网络100的输入端用于连接前置电路，输入匹配变压器102的第二端接地，输入匹配变压器102的第三端作为输入匹配网络100的输出端连接于第一晶体管201的栅极，输入匹配变压器102的第四端连接于第一电容101的一端，第一电容101的另一端接地。

输出匹配网络300包括第四电容301和输出匹配变压器302。

输出匹配变压器302的第一端作为输出匹配网络300的输出端用于连接天线，输出匹配变压器302的第二端接地，输出匹配变压器302的第三端作为输出匹配网络300的输人端连接于第二晶体管205的漏极，输出匹配变压器302的第四端连接于第四电容301的一端，第四电容301的另一端接地。

输入匹配网络100和输出匹配网络300采用基于变压器的结构，实现宽带匹配的同时实现与前后级电路的直流隔离。其中，输入匹配变压器102以弱耦合变压器形式实现，次级线圈由第一电容101耦合到地。输出匹配变压器302以强耦合变压器形式实现，初级线圈为单端共源共栅放大器200提供直流电源，并由第四电容301耦合到地。

请参考图3、图4以及图5，图3为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的增益结果示意图；图4为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的输出1dB压缩点和输出3dB压缩点的结果示意图；图5为本申请实施例提供的共源共栅功率放大器的相位线性度的结果示意图。

如图3所示，在24.25–29.5GHz的频率范围内，功率放大器均能够实现最大26.8dB的小信号增益，并且带内增益波动小于1dB，意味着本发明实现了宽带且平坦的信号放大功能。

如图4所示，在24.25–29.5GHz的频率范围内，该功率放大器的输出1dB压缩点为16.0–17.6dBm、输出3dB压缩点为16.8–18.0dBm，意味着本发明实现了宽带大功率输出。

如图5所示，在24.25–29.5GHz的频率范围内，最大相位失真小于1.4°，意味着本发明实现了较好的相位线性度。

本申请实施例还提供了一种发射机，包括上述的共源共栅功率放大器。发射极还可以包括移相器、衰减器以及天线等等。

本申请实施例还提供了一种通信设备，包括上述的发射机。通信设备可以但不限定为相控阵系统、手机、电脑、卫星终端等设备。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。