[发明专利]单元复用变压器合成功率放大器

说明书

本发明属于无线通信技术领域，具体为一种单元复用变压器合成功率放大器。本发明的功率放大器包括晶体管级有源部分和基于变压器串/并联合成的无源网络部分；有源部分采用电压模的纯模拟、数模混合或全数字类型的功率放大器实现；无源部分实现串/并联功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。与包络跟踪功率放大器相比，省去电源调制器模块，对于宽带应用，不需要远高于信号带宽的处理能力；与回退效率增强的功率放大器相比，不需要四分之一波长传输线或多个变压器做阻抗变换，仅占用单个变压器面积。本发明结构简洁、面积紧凑，能够在较宽的输出功率范围内维持较高的效率，适用于NB‑IoT、LTE、WLAN、5G等高峰均比通信应用的低成本、高效率需求。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种功率放大器电路。

背景技术

无线通信技术的迅速发展极大地改变了人们的生活，目前支持2G/3G/4G/5G移动通信、无线局域网（WLAN）、蓝牙（Bluetooth）等应用的智能手机和平板电脑已经成为人们日常生活的标准配置。随着电子设备的用户体验提升，人们对数据传输速率的需求越来越高，无线通信标准向更宽带宽和更复杂调制方向发展，如802.11ac/ax，LTE-A/LTE-pro，这给无线发射机尤其射频功率放大器（PA）的设计带来了较大挑战。例如，802.11ax标准支持的信道带宽从802.11n的40MHz增大到160MHz，调制方式更是从64QAM增加到1024QAM。更宽的信道带宽和更复杂的调制方式对发射机的线性度性能提出了更高的要求。通常，为了满足较高发射功率时的线性度要求，PA需要工作在功率回退状态，造成了发射效率急剧恶化。

功率放大器是射频前端芯片中的关键电路模块，也是整个芯片中最消耗功耗的模块。随着CMOS工艺向深亚微米和纳米尺寸缩小，射频前端芯片已经逐步与数字基带芯片实现全集成，使得整个系统的成本显著降低。但是，受限于CMOS工艺的高衬底损耗、低电源电压、低击穿电压等问题，高效率的功率放大器集成一直是业界的研究难点。

目前，国内外学术界和工业界在高效率的功率放大器方面提出了多种解决方案，大致分为两类：电源调制和负载调制。电源调制技术包括包络跟踪、Class-G双电源调制等。电源调制技术通常需要实现一个线性的电源调制器，同样会遇到效率和线性度和折衷。此外，宽带应用对电源调制器的跟踪速度提出了较高要求。Doherty PA是一种负载调制技术，它通过主、从PA配合来改变不同输出功率时的负载阻抗，能够在较宽的输出功率范围内实现较高的效率。为实现主、从PA的功率合成和负载变换，Doherty PA通常需要片上集成四分之一波长传输线或至少两个变压器，因而耗费较大的芯片面积，增加应用成本。

针对上述架构存在的问题，本发明提出一种基于变压器合成的紧凑型单元复用功率放大器结构。与传统IQ功率放大器相比，本发明提出的功率放大器I/Q信号可以同时控制所有有源部分实现单元复用，以同样的芯片面积实现更高的精度和更大的峰值输出功率，具有4个额外的效率增强区域，采用变压器合成结构，仅需占用单个变压器面积就能实现功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。

发明内容

本发明的目的在于提出一种低成本、高效率的单元复用变压器合成功率放大器。

本发明提出的单元复用变压器合成功率放大器，具有结构紧凑的特点，仅占用单个变压器面积就能实现功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。以与传统IQ功率放大器同样的芯片面积实现更高的精度和更大的峰值输出功率，具有4个额外的效率增强区域。

本发明提出的单元复用变压器合成功率放大器，由晶体管级有源部分和基于变压器合成的无源网络部分组成；其中，有源部分采用电压模的纯模拟、数模混合或全数字类型的功率放大器实现；无源部分采用变压器合成器完成功率合成、负载阻抗调制以及差分到单端的转换。