阅读说明：本技术 一种面向车联网通信的高效功率放大器 (Efficient power amplifier for internet of vehicles communication ) 是由 刘林盛 邬海峰 李辉 梁尚春 赵元林 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向车联网通信的高效功率放大器,包括输入单端转差分功率分配移相网络、第一自偏三堆叠放大网络、第二自偏三堆叠放大网络、第三自偏三堆叠放大网络、第四自偏三堆叠放大网络以及输出差分转单端功率合成移相网络,本发明核心架构采用异质结异质结双极型晶体管构成的自偏三堆叠放大网络在射频微波段的高功率、高增益特性,同时利用差分放大器在微波频段的良好的寄生参数抑制性,与Doherty放大结构良好的功率回退效率特性相结合,使得整个功率放大器获得了良好的高增益、高回退效率和高功率输出能力。(The invention discloses a high-efficiency power amplifier facing Internet of vehicles communication, which comprises an input single-end-to-differential power distribution phase-shifting network, a first self-biased three-stacked amplifying network, a second self-biased three-stacked amplifying network, a third self-biased three-stacked amplifying network, a fourth self-biased three-stacked amplifying network and an output differential to single-end power synthesis phase-shifting network.)

一种面向车联网通信的高效功率放大器

技术领域

本发明涉及异质结双极型晶体管射频功率放大器和集成电路领域，特别是针对基于蜂窝技术的车联网通信(C-V2X)应用的发射模块的一种面向车联网通信的高效功率放大器芯片电路。

背景技术

随着5G无线通信系统和射频电路的快速发展，基于5.9 GHz频段蜂窝技术的车联网通信也具有前所未有的应用空间，其射频前端收发电路也向高性能、高集成、低功耗的方向发展。因此车联网通信市场迫切的需求发射机的射频功率放大器具有高线性输出功率和效率，降低热耗散，提高电路稳定性，而功放芯片正是有望满足该市场需求的关键。然而，当采用集成电路工艺设计实现车联网通信市场功放芯片电路时，其性能和成本受到了一定制约，主要体现：

（1）高回退功率下功放效率受限，功耗较高：传统AB类功率放大器再实现高峰均比信号放大时，在高回退功率下效率较低，因此功耗较大。

（2）功率增益受限，插损恶化较大：5.9 GHz频段往往采用成本较低、特征频率较低的半导体工艺实现，这就导致功放的单管增益受到限制，并且随着频段的升高，晶体管寄生参数变大，电路寄生损耗恶化较大，影响了电路的性能；

（3）采用集总参数电路设计的局限：5.9 GHz频段在设计传统集总参数RLC匹配的电路时，仍需要采用电感电容等芯片面积较大的器件，且由于衬底损耗加大，电感Q值较低，因此给电路设计带来了局限性。

常见的具有高线性输出功率和效率放大器的电路结构有很多，最典型的是Doherty单端功率放大器，但是，传统Doherty单端功率放大器要同时满足车联网通信市场功放指标要求时难度较大，主要是因为：

（1）传统Doherty单端功率放大器实现5.9 GHz频段电路设计时，由于寄生参数的影响，往往回退效率指标较差；

（2）传统Doherty单端功率放大器实现5.9 GHz频段电路设计时，往往采用AB类驱动放大器驱动Doherty放大器，因此在回退效率工作时，受到AB类放大器的增益补偿作用时，往往无法同时满足Doherty放大器主路及辅路的高回退下的良好负载牵引效应，导致回退效率降低，线性度指标恶化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向车联网通信的高效功率放大器，结合了差分堆叠放大器技术、双级Doherty驱动技术的优点，具有在射频微波频段高功率、高增益且成本低等优点。同时采用自偏结构的异质结双极型晶体管，避免了耗尽型晶体管复杂的供电电路。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种面向车联网通信的高效功率放大器，其特征在于，包括输入单端转差分功率分配移相网络、第一自偏三堆叠放大网络、第二自偏三堆叠放大网络、第三自偏三堆叠放大网络、第四自偏三堆叠放大网络和输出差分转单端功率合成移相网络；

输入单端转差分功率分配移相网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一、第二、第三、第四输出端分别与第一、第三、第二、第四自偏三堆叠放大网络的输入端连接，输入单端转差分功率分配移相网络的输入端与第一、第二、第三、第四输出端信号相位分别相差0度、90度、180度、270度；

第一、第二、第三、第四自偏三堆叠放大网络的输出端分别与输出差分转单端功率合成移相网络的第一、第三、第二、第四输入端连接，输出差分转单端功率合成移相网络的输出端为整个功率放大器的输出端，输出差分转单端功率合成移相网络的输出端与第一、第二、第三、第四输入端信号相位分别相差270度、180度、90度、0度。

进一步的，输入单端转差分功率分配移相网络的输入端连接电感L₁,电感L₁的另一端连接耦合变压器T₁初级线圈的同名端和接地电容C₁，变压器T₁的初级线圈的非同名端接地；变压器T₁的次级线圈的第一、第二、第三同名端连接输入单端转差分功率分配移相网络的第一、第二、第三输出端，变压器T₁的级线圈的非同名端连接输入单端转差分功率分配移相网络的第四输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入单端转差分功率分配移相网络除了能实现输入射频信号的功率分配外，还能对射频输入信号进行阻抗匹配及相位调节，同时实现单端信号到差分信号的转换，保证差分信号的相位差。其中，输入单端转差分功率分配移相网络的输入端与第一、第二、第三、第四输出端信号相位分别相差0度、90度、180度、270度，从而实现类似于差分Doherty放大器的输入相位差。

进一步的，第N自偏三堆叠放大网络的输入端顺次串联电感L_qj、电感L_pj和隔直电容C_pj，隔直电容C_pj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_pj的基极，电感L_qj和电感L_pj的连接节点上还并联了接地电容C_qj，异质结双极型晶体管Q_pj的集电极连接异质结双极型晶体管Q_sj的发射极，异质结双极型晶体管Q_sj的集电极连接异质结双极型晶体管Q_uj的发射极，异质结双极型晶体管Q_uj的集电极连接电感L_uj，电感L_uj的另一端连接接地电容C_vj和第N自偏三堆叠放大网络的输出端；异质结双极型晶体管Q_pj的基极还连接电阻R_pj，电阻R_pj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_cj的发射极，异质结双极型晶体管Q_cj的集电极连接电阻R_bj，R_bj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极，异质结双极型晶体管Q_cj的基极同时连接接地电容C_aj、电阻R_aj、异质结双极型晶体管Q_aj的集电极和基极，异质结双极型晶体管Q_aj的发射极接地，电阻R_aj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极；异质结双极型晶体管Q_sj的基极连接电阻R_sj和接地电容C_sj，电阻R_sj的另一端连接接地电阻R_tj和异质结双极型晶体管Q_gj的发射极,异质结双极型晶体管Q_gj的集电极和基极同时连接电阻R_cj,电阻R_cj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极；异质结双极型晶体管Q_uj的基极连接电阻R_uj和接地电容C_uj，电阻R_uj的另一端连接接地电阻R_vj和异质结双极型晶体管Q_mj的发射极,异质结双极型晶体管Q_mj的集电极和基极同时连接电阻R_dj,电阻R_dj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极,其中，N为一、二、三、四，j=1、2、3、4。异质结双极型晶体管Q_u1和异质结双极型晶体管Q_u2的发射极之间通过电容C₂连接，异质结双极型晶体管Q_u3和异质结双极型晶体管Q_u4的发射极之间通过电容C₃连接；第一、二自偏三堆叠放大网络工作在深AB类放大状态，第三、四自偏三堆叠放大网络工作在浅C类放大状态。

上述进一步方案的有益效果是：本发明第N自偏三堆叠放大网络的设计结构采用的是三堆叠异质结双极型晶体管放大器的结构，可以显著提升放大器功率容量和功率增益，提高放大器输出阻抗和带负载能力。同时，用第一结合第二自偏三堆叠放大网络，用第三结合第四自偏三堆叠放大网络，构成两对差分放大器结构，可以抑制晶体管高频寄生参数对于电路指标的恶化。

进一步的，输出差分转单端功率合成移相网络的第一、第二输入端连接变压器T₂第一次级线圈的非同名端和同名端，输出差分转单端功率合成移相网络的第三、第四输入端连接变压器T₂第二次级线圈的非同名端和同名端，变压器T₂第一、二次级线圈的中间抽头之间通过电感L₃互联，变压器T₂第一次级线圈的中间抽头还连接电感L₂，L₂的另一端连接旁路接地电容C₄和集电极偏置电压V_c1，变压器T₂的初级线圈的同名端连接电感L₄和接地电容C₅，电感L₄的另一端连接输出差分转单端功率合成移相网络的输出端，变压器T₂的初级线圈的非同名端接地。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输出差分转单端功率合成移相网络除了能实现四路差分射频信号的功率合成外，还能将四路差分信号转换为单端信号，引入的插损较小，同时保障了所述放大器的输出功率和效率。

附图说明

图1为本发明功率放大器原理框图；

图2为本发明功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种面向车联网通信的高效功率放大器，包括输入单端转差分功率分配移相网络、第一自偏三堆叠放大网络、第二自偏三堆叠放大网络、第三自偏三堆叠放大网络、第四自偏三堆叠放大网络和输出差分转单端功率合成移相网络。

如图1所示，输入单端转差分功率分配移相网络的输入端为整个功率放大器的输入端，其第一、第二、第三、第四输出端分别与第一、第三、第二、第四自偏三堆叠放大网络的输入端连接，输入单端转差分功率分配移相网络的输入端与第一、第二、第三、第四输出端信号相位分别相差0度、90度、180度、270度；

第一、第二、第三、第四自偏三堆叠放大网络的输出端分别与输出差分转单端功率合成移相网络的第一、第三、第二、第四输入端连接，输出差分转单端功率合成移相网络的输出端为整个功率放大器的输出端，输出差分转单端功率合成移相网络的输出端与第一、第二、第三、第四输入端信号相位分别相差270度、180度、90度、0度。

如图2所示，输入单端转差分功率分配移相网络的输入端连接电感L₁,电感L₁的另一端连接耦合变压器T₁初级线圈的同名端和接地电容C₁，变压器T₁的初级线圈的非同名端接地；变压器T₁的次级线圈的第一、第二、第三同名端连接输入单端转差分功率分配移相网络的第一、第二、第三输出端，变压器T₁的级线圈的非同名端连接输入单端转差分功率分配移相网络的第四输出端；。

第N自偏三堆叠放大网络的输入端顺次串联电感L_qj、电感L_pj和隔直电容C_pj，隔直电容C_pj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_pj的基极，电感L_qj和电感L_pj的连接节点上还并联了接地电容C_qj，异质结双极型晶体管Q_pj的集电极连接异质结双极型晶体管Q_sj的发射极，异质结双极型晶体管Q_sj的集电极连接异质结双极型晶体管Q_uj的发射极，异质结双极型晶体管Q_uj的集电极连接电感L_uj，电感L_uj的另一端连接接地电容C_vj和第N自偏三堆叠放大网络的输出端；异质结双极型晶体管Q_pj的基极还连接电阻R_pj，电阻R_pj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_cj的发射极，异质结双极型晶体管Q_cj的集电极连接电阻R_bj，R_bj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极，异质结双极型晶体管Q_cj的基极同时连接接地电容C_aj、电阻R_aj、异质结双极型晶体管Q_aj的集电极和基极，异质结双极型晶体管Q_aj的发射极接地，电阻R_aj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极；异质结双极型晶体管Q_sj的基极连接电阻R_sj和接地电容C_sj，电阻R_sj的另一端连接接地电阻R_tj和异质结双极型晶体管Q_gj的发射极,异质结双极型晶体管Q_gj的集电极和基极同时连接电阻R_cj,电阻R_cj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极；异质结双极型晶体管Q_uj的基极连接电阻R_uj和接地电容C_uj，电阻R_uj的另一端连接接地电阻R_vj和异质结双极型晶体管Q_mj的发射极,异质结双极型晶体管Q_mj的集电极和基极同时连接电阻R_dj,电阻R_dj的另一端连接异质结双极型晶体管Q_uj的集电极,其中，N为一、二、三、四，j=1、2、3、4。异质结双极型晶体管Q_u1和异质结双极型晶体管Q_u2的发射极之间通过电容C₂连接，异质结双极型晶体管Q_u3和异质结双极型晶体管Q_u4的发射极之间通过电容C₃连接；第一、第二自偏三堆叠放大网络工作在深AB类放大状态，第三、第四自偏三堆叠放大网络工作在浅C类放大状态。

输出差分转单端功率合成移相网络的第一、第二输入端连接变压器T₂第一次级线圈的非同名端和同名端，输出差分转单端功率合成移相网络的第三、第四输入端连接变压器T₂第二次级线圈的非同名端和同名端，变压器T₂第一、二次级线圈的中间抽头之间通过电感L₃互联，变压器T₂第一次级线圈的中间抽头还连接电感L₂，L₂的另一端连接旁路接地电容C₄和集电极偏置电压V_c1，变压器T₂的初级线圈的同名端连接电感L₄和接地电容C₅，电感L₄的另一端连接输出差分转单端功率合成移相网络的输出端，变压器T₂的初级线圈的非同名端接地。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入信号通过输入端RF_in进入电路，通过输入单端转差分功率分配移相网络进行阻抗变换匹配后，以等功率的差分信号的形式同时进入第一、第二、第三、第四自偏三堆叠放大网络的输入端。

1）当该差分信号功率低于第一、第三自偏三堆叠放大网络的饱和输入功率点时，此时只有第一、第三自偏三堆叠放大网络工作，有输出信号，第二、第四自偏三堆叠放大网络不工作，无输出信号，第一、第三自偏三堆叠放大网络的输出端输出射频信号后，进入输出差分转单端功率合成移相网络，将差分信号转成单端信号后从输出端RF_out输出；

2）当该差分信号功率高于第一、第三自偏三堆叠放大网络的饱和输入功率点时，此时第一至第四自偏三堆叠放大网络均工作，第一至第四自偏三堆叠放大网络的输出端输出四路射频信号后，分别进入输出差分转单端功率合成移相网络，将四路差分信号进行功率合成后转成单端信号后从输出端RF_out输出。

基于上述电路分析，本发明提出的一种面向车联网通信的高效功率放大器与以往的基于集成电路工艺的放大器结构的不同之处在于核心架构采用自偏三堆叠放大网络和变压器，实现了等效于Doherty功率放大器工作模式的结构：

自偏三堆叠放大网络与传统单一晶体管在结构上有很大不同，此处不做赘述；

自偏三堆叠放大网络与Cascode差分放大器的不同之处在于：Cascode晶体管的共基管的堆叠基极补偿电容是容值较大的电容，用于实现基极的交流接地，而差分形式的自偏三堆叠放大网络的基极是容值较小的匹配电容，实现基极电压的同步摆动，同时Cascode放大器是两管串接互联，而自偏三堆叠放大网络是三管串接互联，可以显著提高电路击穿电压和改善堆叠间晶体管的阻抗匹配；

利用自偏三堆叠放大网络实现Doherty结构的放大器，同传统单端放大器结构相比可以显著提高电路对于寄生参数的抑制特性，改善高频电路指标。

在整个针对车联网通信的射频功率放大器中，晶体管的尺寸和其他电阻、电容的大小是综合考虑整个电路的增益、回退效率和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在高功率输出能力、高回退效率、高功率增益、良好的输入输出匹配特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。