用于通信系統(tǒng)的功率放大器電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通信系統(tǒng)的功率放大器電路，尤其涉及但不局限于一種同時(shí)支持時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)工作模式的雙模單片式微波集成電路(MMIC)功率放大器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電信技術(shù)的快速發(fā)展以及消費(fèi)者對(duì)于高速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)的渴求，用于移動(dòng)設(shè)備的長期演進(jìn)(LTE或4G LTE)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在市場中正迅速取得上升勢(shì)頭。
[0003]近期的市場調(diào)查顯示，在全世界，LTE用戶的數(shù)量正在呈指數(shù)增長。受全世界的這種巨大市場潛力所驅(qū)動(dòng)，相信在未來幾年，對(duì)于用于移動(dòng)設(shè)備的LTE功率放大器電路的需求將會(huì)有指數(shù)式增長。
[0004]用于LTE移動(dòng)設(shè)備的現(xiàn)有功率放大器模塊在制造和性能方面仍舊存在很大的提升空間。具體地說，有必要發(fā)展功耗減小且集成度提升的更廉價(jià)和更小型的功率放大器電路，以便充分利用LTE網(wǎng)絡(luò)的潛力，并使下一代移動(dòng)手持終端能夠變得更加緊湊且運(yùn)行效率更高。
【附圖說明】
[0005]現(xiàn)在將參考附圖來舉例描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0006]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的功率放大器；
[0007]圖2顯示了圖1的功率放大器被封裝在16引腳QFN封裝中并被安裝在FR-4板上，以及顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖1的功率放大器的裸片(die)顯微圖像；
[0008]圖3是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的集成了圖1的功率放大器的16引腳QFN封裝的不意圖；
[0009]圖4是顯示了圖1中的功率放大器在1980兆赫(FDD)和1900兆赫(TDD)時(shí)的增益和DC電流消耗(功率級(jí))相對(duì)于輸出功率的變化的圖表；
[0010]圖5是顯示了圖1中的功率放大器在不同的頻率的反射系數(shù)Sll，S12，以及插入損耗S21的圖表；
[0011]圖6是顯示了在圖1中的功率放大器的上行鏈路頻率1980MHz (FDD)和1900MHz (TDD)上使用20MHz 64-QAM SC-FDMA調(diào)制的情況下誤差矢量幅度相對(duì)于輸出功率的變化的圖表。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，所提供的是一種功率放大器，其包括:輸入端，其用于接收要被放大的RF信號(hào)；至少一個(gè)功率放大電路模塊，其與所述輸入端電連接以用于放大所述RF信號(hào)；至少一個(gè)偏置電路，其與所述至少一個(gè)功率放大電路模塊電連接以用于補(bǔ)償所述RF信號(hào)的失真從而大體上線性地放大所述RF信號(hào)；以及輸出端，其被布置成輸出所述放大的RF信號(hào)。
[0013]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器的至少一部分被布置在集成無源器件芯片上。
[0014]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器進(jìn)一步包括布置在所述輸入端的輸入匹配電路，以及布置在所述輸出端的輸出匹配電路。
[0015]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述輸入匹配電路和所述輸出匹配電路都是低通配置以向所述功率放大器提供帶通響應(yīng)。
[0016]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述輸出匹配電路包括與一個(gè)或多個(gè)電容器耦合的微帶線。
[0017]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述至少一個(gè)偏置電路被布置在所述輸入端和所述至少一個(gè)功率放大電路模塊之間。
[0018]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器包括兩個(gè)或更多的功率放大電路模塊以用于按階段地補(bǔ)償所述RF信號(hào)的失真。
[0019]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述偏置電路被布置在兩個(gè)功率放大電路模塊之間。
[0020]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述偏置電路被布置在所述兩個(gè)或更多的功率放大電路模塊的每一個(gè)之間。
[0021]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器進(jìn)一步包括級(jí)間匹配電路，所述級(jí)間匹配電路被布置在至少兩個(gè)所述功率放大電路模塊之間。
[0022]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述級(jí)間匹配電路是包括至少一個(gè)電容器和至少一個(gè)電感器的高通電路。
[0023]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)所述至少一個(gè)功率放大電路模塊包括異質(zhì)結(jié)雙極晶體管功率放大器。
[0024]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)所述至少一個(gè)偏置電路包括具有一個(gè)晶體管和一個(gè)分路電容器的線性化電路。
[0025]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器進(jìn)一步包括檢測(cè)電路，所述檢測(cè)電路被布置在所述至少一個(gè)功率放大電路模塊和所述輸出端之間，以用于將所述放大的RF信號(hào)反饋到與輸入端連接的收發(fā)機(jī)或所述功率放大器的基帶。
[0026]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述RF信號(hào)是在所述輸入端從收發(fā)機(jī)接收的并且所述RF信號(hào)被OFDMA調(diào)制。
[0027]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述放大的RF信號(hào)在輸出端被發(fā)送到天線以進(jìn)行福射傳輸。
[0028]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器適于在時(shí)分雙工TDD模式和頻分雙工FDD模式下操作。
[0029]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)于所述時(shí)分雙工TDD模式，所述功率放大器適于在E-UTRA頻段I中在約為1920-1980兆赫操作，而對(duì)于所述頻分雙工FDD模式，所述功率放大器適于在頻段33中在約為1900-1920兆赫操作。
[0030]在第一方面的一個(gè)實(shí)施方式中，所述功率放大器被封裝在16引腳QFN封裝中。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，所提供的是一種通信設(shè)備，其包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的功率放大器。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本發(fā)明涉及一種用于第三代合作伙伴項(xiàng)目(3GPP)長期演進(jìn)(LTE)應(yīng)用的時(shí)分雙工(TDD)/頻分雙工(FDD)雙模高線性和高效率的功率放大器單片微波集成電路(MMIC)。優(yōu)選地，在本發(fā)明中的功率放大器利用了 InGaP/GaAs異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)工藝，并且被適配成在用于FDD模式的E-UTRA頻帶I (1920-1980MHz)中以及在用于TDD模式的頻段33(1900-1920MHz)中操作。
[0033]在不希望被理論所束縛的情況下，通過研宄和試驗(yàn)，發(fā)明人相信，長期演進(jìn)(LTE)正在成為下一代無線寬帶網(wǎng)的領(lǐng)先技術(shù)，并且為4G技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。在提升頻譜效率方面，所有的4G技術(shù)都具有類似的目標(biāo)，其中帶寬最大的系統(tǒng)提供了最高的單用戶數(shù)據(jù)速率。LTE為下行鏈路使用的是正交頻分多址(OFDMA)，為上行鏈路使用的則是單載波頻分多址(SC-FDMA)。選擇OFDMA是因?yàn)槠渚哂泻芨叩臄?shù)據(jù)速率容量以及很高的頻譜效率，而選擇SC-FDMA則是因?yàn)槠渚哂休^低的峰均功率比(PAPR)，由此最大限度地延長移動(dòng)設(shè)備的電池壽命。LTE以20MHz的帶寬實(shí)現(xiàn)了 10Mbps的峰值下行鏈路數(shù)據(jù)速率和50Mbps的峰值上行鏈路數(shù)據(jù)速率。功率放大器(PA)是LTE系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件，其對(duì)通信質(zhì)量、通話時(shí)間以及電池壽命都有著很大的影響。
[0034]通過研宄和試驗(yàn)，發(fā)明人還想到，射頻互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(RF CMOS)和硅-鍺雙極性互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(SiGe BiCMOS)是適用于功率放大器設(shè)計(jì)的工藝。
[0035]具體地，RF CMOS正在變得更加成熟，并且已被用在了眾多的無線系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)中。然而，RF CMOS解決方案的當(dāng)前缺陷在于其4G PA性能相對(duì)較差。對(duì)于4G WiMAX應(yīng)用來說，CMOS PA在用于2.3GHz-2.4GHz頻段操作的23dBm的輸出功率上會(huì)顯示出12%的線性效率。對(duì)于4G LTE應(yīng)用來說，CMOS三葉型DAT PA在用于930MHz操作的25dBm的輸出功率上會(huì)顯示出15%的線性效率。其明顯低于商用4G PA所報(bào)告的接近于20%的效率。使用數(shù)字預(yù)失真(DPD)業(yè)已顯示出了提升的CMOS PA線性輸出功率和效率，但其加入了更高的系統(tǒng)復(fù)雜度，并且需要基帶集成電路(IC)與PA IC之間的緊密協(xié)作。
[0036]另一方面，SiGe BiCMOS IC技術(shù)提供了將用于下一代4G (WiMAX，LTE) RF前端(PA、T/R開關(guān)和LNA)的所有有源RF元件全都集成在一個(gè)IC中的可能性。在過去數(shù)年，在文獻(xiàn)和產(chǎn)品中業(yè)已廣泛記載了線性4G/WLAN SiGePA的性能。SiGe 4G前端IC的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)⒅悄芸刂坪蛿?shù)字通信集成在一起，以便為4G RF前端IC提供可編程性以及動(dòng)態(tài)優(yōu)化。然而，對(duì)于4G WiMAX應(yīng)用來說，SiGe BiCMOS PA在用于2.3GHz_2.7GHz頻段操作的25dBm的輸出功率上顯示出了 18%的效率，這一點(diǎn)要好于RF CMOS PA，但其性能與GaAs PA的相比仍舊相對(duì)較差。
[0037]在一個(gè)實(shí)施方式中的功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)施
[0038]如圖1所示，所提供的是一個(gè)功率放大器100，其包括:輸入端RFin，其用于接收要被放大的RF信號(hào)；至少一個(gè)功率放大電路模塊(HBT1，HBT2, HBT3)，其與所述輸入端電連接以用于放大所述RF信號(hào)；至少一個(gè)偏置電路(偏置1，偏置2，偏置3)，其與所述至少一個(gè)功率放大電路模塊(HBT1，HBT2，HBT3)電連接以用于補(bǔ)償所述RF信號(hào)的失真從而大體上線性地放大所述RF信號(hào)；以及輸出端RF-，其被布置成輸出所述放大的RF信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，功率放大器100可集成在通信設(shè)備(未示出)諸如移動(dòng)電話中。
[0039]如圖1所示，功率放大器100包括單片微波集成電路(MMIC)。該麗IC包括被布置成接收要被放大的RF信號(hào)的輸入端RFin。在一個(gè)實(shí)施方式中，該要被放大的RF信號(hào)由連接在輸入端RFiJ^收發(fā)器提供，并且該RF信號(hào)來自基帶且被OFDMA調(diào)制。該MMIC進(jìn)一步包括被布置成輸出被放大的RF信號(hào)的輸出端RF。#。在一個(gè)實(shí)施例中，輸出端RFrat與天線可操作地連接以用于將被放大的RF信號(hào)發(fā)送到天線從而將信號(hào)輻射傳輸?shù)阶杂煽臻g。
[0040]繼續(xù)參考圖1，該功率放大器100包括進(jìn)一步包括多個(gè)功率放大電路模塊HBTl，HBT2，HBT3。在本實(shí)施例中，有三個(gè)功率放大電路模塊。然而，在其他實(shí)施例中，功率放大器100可具有任何其它數(shù)量的功率放大電路模塊。優(yōu)選地，每個(gè)功率放大電路模塊HBTl，HBT2，HBT3都包括一個(gè)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管功率放大器以用于按階段地放大該RF信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，功率放大器100還包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)(未示出)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選地，所述輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用的是低通匹配，以使功率放大器100實(shí)現(xiàn)帶通響應(yīng)。在本實(shí)施例中，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)包括布置在兩個(gè)并聯(lián)電容器之間的微帶線，以及一個(gè)附加的輸出電容器。
[0041]在本實(shí)施例中，由于功率級(jí)HBT(HBT1，HBT2, HBT3)的偏置點(diǎn)會(huì)依照很大的RF輸入功率而改變，因此，與功率放大器100中的基極偏置電路相關(guān)的設(shè)計(jì)對(duì)于獲取高數(shù)值的PldB(IdB壓縮點(diǎn)輸出功率)而言是非常重要的。在本發(fā)明中，對(duì)于高線性的功率放大來說，有必要對(duì)隨著輸入功率增大而提供負(fù)值振幅和正相位偏差的振幅-振幅(AM-AM)