一种多模功率放大器及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及射频功率放大器设计技术领域，具体的说是一种高效率高线性度的兼容3G及4G应用的宽窄带可调多模功率放大器及其应用。
【背景技术】
[0002]射频发射前端模块是射频终端器件实现信号传输的关键元器件。当前随着全球无线通信用户的快速增长及用户对无线通信的更高端的体验需求，市场对无线通信的带宽的需求快速增长。为了解决这种市场需求，全球开放出来的专用无线通信频段越来越多并且越来越拥挤。频段利用率高的调制解调方式，例如:3G的宽带码分多址(Wideband CodeDivis1n Multiple Access，WCDMA)，带码分多址(Code Divis1n Multiple Access ,CDMA)，时分同步码分多址(Time Divis1n Synchronous Code Divis1n MultipleAccess,TD-SCDMA)，以及逐渐取代3G技术成为市场主流的4G技术的Long term evolut1n,LTE包括成对频谱模式(Frequency domain duplexing，FDD)及非成对频谱模式(Timedomain dupleXing，TDD)。这些频段利用率高的各种调制解调方式都对无线通信终端提出更高的要求，例如:高质量的语音通话，减少数据通信中的错误，快速的语音数据传输的切换，等等。对于射频发射前端的主力元器件射频功率放大器及其模块来说，就意味着在新的频段利用率高的调制解调方式下，功率放大器必须具有较高的线性度来保障射频信号能够放大传输并且能够尽量少信号失真。一般功率放大器的高线性度意味着降低其输出功率来减少输出晶体管器件的非线性谐波的产生，这导致了功率放大器不能工作在其高输出功率以及最高效率区间。此外由于无线移动终端与基站的距离远近变化会导致基站对接收信号强度需求变化，一般在远距离需要高功率时射频功率放大器效率较高，在较近距离需要较低功率时功率放大器效率较低。较低的放大器效率会导致手机发热，严重影响手机续航时间。因此，多模功率放大器需要为射频功率放大器的偏置电路设计至少两种或两种以上的模式使得在不同输出功率下，射频功率放大器都有较高的效率。
[0003]市场现有的射频多模功率放大器以及包含该多模功率放大器的射频前端模块主要有以下两种。图1显示的三路功率放大器102/106/109分别代表高功率/中功率/低功率的射频放大通路中的放大器单元，104/108/111分别代表三路各自的射频开关。高功率输出时，102/104开通，射频信号能经过102放大并且通过输出匹配电路103最优化的传输到射频开关104后传输到天线。中功率输出时，106/108开通，射频信号能经过106放大并且通过输出匹配电路107最优化的传输到射频开关108后传输到天线。低功率输出时，109/111开通，射频信号能经过109放大并且通过输出匹配电路110最优化的传输到射频开关111后传输到天线。三种输出通路各自独立，所以可以各自优化以达到在不同输出功率下的最佳性能。三种通路其中优化的参数包括功率放大器102/106/109以及射频开关104/108/111均可采用不同设计，输出匹配电路103/107/110均可以分别为不同功率输出设计优化到不同的匹配阻抗。在既定输出功率时，功率模式控制电路提供偏置电压开通一路通路，其中包括功率放大器PA及相应通路的射频开关SW，同时关闭另外两路通路。但是该方案因为采用三个功率放大器以及三个射频开关芯片，大大增加了模块的面积以及产品的成本。这种电路的集成性能较低，不能满足手机部件小型化的需求，已经逐渐被市场淘汰。
[0004]图2显示的是市场常见的无射频开关高低双模功率放大器及其模块，202及203代表高功率射频放大通路中的第一级以及第二级放大器，204及205代表低功率的射频放大通路中的第一级以及第二级放大器，206/207/208分别代表阻抗匹配单元。高功率输出时，202/203开通，射频信号能经过202/203级联放大并且通过输出匹配电路206/207及输出匹配电路209最优化的传输到天线。低功率输出时，204/205开通，射频信号能经过204/205级联放大并且通过输出匹配电路206/208及输出匹配电路209最优化的传输到天线。这高低两种功率输出通路并非各自独立，所以不能如同图1的方案能够可以各自功率通路优化以达到在不同输出功率下的最佳性能，设计中不但要考虑到开通路的负载优化，还需要考虑到关闭路电路的存在对开通路的负载影响。第二种方案是种无射频开关的设计，相比于第一种方案，其优势是芯片面积小，成本低，已经成为市场同类产品的主流。但是由于采用了至少两个一级放大器和至少两个二级放大器来实现多功率的控制，放大器芯片没有得到较好的重复利用。此外负载匹配电路不能兼容宽带和窄带的应用。
[0005]以上两种方案的功率放大器一般采用GaAsHBT的工艺，功率模式控制电路通常是CMOS工艺，输出匹配电路可以采用无源分立元件或半导体无源器件。第一种方案中的射频开关通常是采用GaAs pHEMT工艺或是SOI技术。
[0006]输出匹配电路设计一般采用一级电感电容连接如图3所示。302是电路中的电源电压VCC，305是电路中的地GND，301是电感用于RF Choke,301/303/304组成Pi型输出匹配电路，阻抗由功率放大器的低阻抗变换到天线端的高阻抗，这是常用的窄带射频放大器输出匹配电路设计。但是该窄带负载匹配电路在带宽要求稍高的环境下只能在部分带宽频率下工作。
[0007]宽带射频放大器可以采用两级或多级电感电容连接如图4所示，由于多级电感电容级联所以可以逐级逐渐变换阻抗，所以每级匹配对Q值要求不高，最终达到宽带的输出匹配。但是这种负载匹配损耗较大，在仅需要窄带工作的环境下功率放大器的效率较低。
【发明内容】
[0008]本发明为解决上述现有技术中存在的不足之处，提供了一种集成度更高、更灵活、可调节功率及工作带宽的多模功率放大器及其应用，以期能简化多功率多模射频放大器及其模块的结构设计，从而实现功率放大器的功率模式及工作带宽模式的调节来满足多种通信制式的需求。
[0009]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0010]本发明一种多模功率放大器的特点是包括:M级级联放大电路和输出匹配电路;所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路中包含化个并联连接的单位放大单元；1 < i <Μ且 Μ > 2 ；
[0011]射频信号从所述Μ级级联放大电路的第i个级联的放大电路的输入端进入并经过化个并联连接的单位放大单元的放大后，再输出至第i+Ι个级联的放大电路的输入端进行放大，直到经过第Μ个级联的放大电路的放大后，获得级联放大信号并传递给所述输出匹配电路；
[0012]所述输出匹配电路对所述级联放大信号进