專利名稱：具有快速包絡跟蹤的射頻功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有包絡跟蹤的射頻功率放大器，尤其涉及在空間通信和/或手機網(wǎng)絡的應用。
背景技術：
由于對3G-UMTS的非?？量痰囊螅愿纳粕漕l(RF)固態(tài)功率放大器的效率、 消耗、耗損和/或線性度成為地面移動電話網(wǎng)絡基礎設施制造商的高優(yōu)先級。所需要的極高線性度明顯影響基站中使用的功率放大器的效率。在空間應用中出現(xiàn)類似的需求。然而，公知的是線性和能量效率是相反的需求。“靈活放大器”概念包括將電源調(diào)整為平均RF功率從而獲得高線性和高效率?！鞍j跟蹤”是該方法的演進，其中在RF信號包絡之后，以動態(tài)方式調(diào)整電源。

圖1圖示了具有包絡跟蹤的RF功率放大器的概念性方案。Sef(t)是進入放大器的例如帶寬為36MHz的輸入RF信號(S-波段，即2到4GHz)。該信號被輸入耦合器ICP分為兩個分量Skf1⑴和Skf2⑴。包絡檢測器ED從信號Skf1⑴提取包絡E⑴。包絡信號E⑴ 驅(qū)動DC/DC轉(zhuǎn)換器DCC (線性和/或開關)，其為高功率RF放大器HPA提供電壓Vtl (t)的時間變化電源。信號SKF2(t)進入待放大的高功率RF放大器ΗΡΑ。延遲線DL引入可調(diào)延遲τ 從而確保SKF2(t-x)和E(t)同步使得在任意時刻，將電源調(diào)整成待放大的RF信號的幅度。 放大輸出信號表示為符號S。ut(t)。圖1方案的主要難度在于DC/DC轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)。線性轉(zhuǎn)換器造成其低效率。另一方面，針對5-lOMHz的包絡帶寬，開關轉(zhuǎn)換器的使用需要將功率開關工作在極高頻率-10到 80MHz。基于Si M0SFET，傳統(tǒng)降壓和升壓開關電路工作在極低頻率，典型地在大約IOOkHz ； 將其工作在幾MHz的頻率將會引入不可接受的開關損失。為此，建議使用開關轉(zhuǎn)換器和線性轉(zhuǎn)換器的組合。開關轉(zhuǎn)換器工作在相對低頻率， 并且不能跟隨包絡的快速變化，但是為平均電源提供高效率。在包絡以快速率改變時，線性轉(zhuǎn)換器效率低但是速度更快，并且有助于開關轉(zhuǎn)換器。例如參見Draxler，P. Lanfranco, S. Kimball, D. Hsia, C. Jeong, J. van de Sluis, J. Asbeck, P.M.的 Microwave Symposium Digest,2006. IEEE MTT-S International,2006 H % "High Efficiency Envelope Tracking LDMOS Power Amplifier for W—CDMA”。歐洲專利EP1214780披露了 RF功率放大器，其中通過從不同DC電平的單個電源進行切換從而實現(xiàn)包絡跟蹤。這暗示了另外的復雜電路以及另外的電力線，并且由此的設備的重量和成本的增加，這對于空間應用尤其有害。美國專利申請US 2008/111631披露了 RF功率放大器，其中簡單單個晶體管開關 DC-DC轉(zhuǎn)換器為一個晶體管RF功率放大器提供時間變化的電源從而提供包絡跟蹤。為了獲得足夠的包絡帶寬，DC-DC轉(zhuǎn)換器的晶體管實現(xiàn)上為RF功率晶體管。在特定實施例中， DC-DC轉(zhuǎn)換器的晶體管和RF功率放大器的晶體管在公共封裝中嵌入的相同分立晶體管。在該設備中，瓶頸由二極管構成，也是DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要部分。實際上，能處理電流大于或等于IA和功率大于或等于IOW的商業(yè)可購的功率整流器只能工作在幾kHz或數(shù)百kHz的開關頻率。相反，工作在幾MHz，數(shù)百MHz或GHz的RF整流器只能處理低電流(mA的范圍) 和低功率(小于幾W)。而且，US 2008/111631的設備提高有關對寄生電抗元件的高電平的關注。實際上， 盡管在單個封裝中有效和致密地嵌入用作DC-DC轉(zhuǎn)換器的RF放大器和開關的兩個晶體管， 但是將所述晶體管與轉(zhuǎn)換器的二極管、電容器和電感器相連的纜線引入減小了開關單元的性能的高寄生電容和電感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供解決現(xiàn)有技術的前述不足。根據(jù)本發(fā)明，通過RF功率放大器實現(xiàn)這一目的，其中通過使用兩個用于實現(xiàn)所述 DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關元件和整流器兩者的RF功率晶體管的快速DC-DC轉(zhuǎn)換器提供包絡跟蹤。有利地，這兩個晶體管采用相同的工藝，優(yōu)選地可以與用于放大RF信號的晶體管相同。 出乎意料的，連接成整流器的RF功率晶體管允許實現(xiàn)高換流速度(幾MHz)同時處理相對的高電流(1A或更多)和功率(幾W)，使用商業(yè)可購的二極管是不可能的。因此，連接成兩端裝置的晶體管的使用允許避免參考現(xiàn)有技術文獻US2008/111631討論的“二極管瓶頸”。本發(fā)明的目的在于具有包絡跟蹤的射頻功率放大器，包括功率RF放大裝置，用于放大RF信號；以及開關DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括開關裝置和整流裝置，用于為所述功率RF放大裝置提供與所述RF信號的包絡成比例的電壓電平的DC電源；其中所述開關裝置是RF功率晶體管，其特征在于所述整流裝置也是相同工藝的連接成兩端裝置的晶體管。有利地，所述開關裝置、所述整流裝置和所述功率RF放大裝置所有都是相同工藝的晶體管。特別地，它們可以是相同的晶體管。在本發(fā)明的特定實施例中，所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置可以是高電子遷移率晶體管(HEMT)；在此情況下，用作開關裝置的晶體管的柵極可以連接到第一端而所述晶體管的漏極和源極可以一起連接到第二端。更特別地，所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置可以是氮化鎵(GaN)HEMT或砷化鎵(GaAs)HEMT。在本發(fā)明的替代實施例中，所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置可以是異質(zhì)結雙極晶體管；在此情況下，用作開關裝置的晶體管的基極可以連接到第一端而所述晶體管的集電極和發(fā)射極可以一起連接到第二端。在本發(fā)明的另一替代實施例中，所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置可以是橫向擴散金屬氧化物半導體晶體管；在此情況下，柵極和源極一起連接從而形成第一端而漏極代表第二端?？梢酝ㄟ^單個微波單片集成電路(MMIC)或分立方式實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的射頻功率放大器。通過使用相同工藝的有源器件(放大晶體管、開關和整流器)明顯有利于單片集成電路。而且，在優(yōu)選為分立實現(xiàn)的情況下，這也允許特別致密的組裝，使得寄生成分最小化。另外，由于MMIC處理不必包含高功率以及在其設計包(廠商提供的標準器件布局)中不必包含快速二極管，所以本發(fā)明提供了使用廠商提供的標準晶體管單元以及將其連接到兩端裝置從而形成用于跟蹤放大器應用的包絡所需要的快速整流器的方式。
在根據(jù)本發(fā)明的分立射頻功率放大器的第一實施例中，所述開關裝置和整流裝置是安裝在金屬基板上與其源極和發(fā)射極電連接的晶體管，所述基板彼此直接接觸。特別地， 這適合于DC/DC轉(zhuǎn)換器是降壓“降壓式”轉(zhuǎn)換器。在根據(jù)本發(fā)明的分立射頻功率放大器的第二實施例中，所述開關裝置和整流裝置是安裝在金屬基板上與其源極和發(fā)射極電連接的晶體管，所述基板通過夾在兩者之間的電容器彼此連接。特別地，這適合于DC/DC轉(zhuǎn)換器是“升壓”系列的升壓式轉(zhuǎn)換器。特別地，所述開關裝置和所述整流裝置可以具有大于或等于5MHz的開關速度并且能夠處理大于或等于IA的電流。這實現(xiàn)了通過單獨DC/DC的包絡跟蹤，帶寬為IMHz或更大，優(yōu)選地帶寬為IOMHz或更大，更優(yōu)選地帶寬為30MHz或更大，例如36MHz的量級，這對于大部分應用來說是令人滿意的，而無需效率降低的線性包絡跟蹤級。根據(jù)前述任一權利要求的射頻功率放大器可以進一步包括驅(qū)動電路，用于驅(qū)動具有代表待放大的RF信號的包絡的PWM信號的所述開關裝置。可以提供低通濾波器用于減小包絡信號的帶寬，驅(qū)動DC/DC轉(zhuǎn)換器的PWM信號取決于該帶寬。附圖簡述結合附圖，從隨后的描述本發(fā)明的另外的特點和優(yōu)勢將變得明顯，其中圖1是具有包絡跟蹤的RF功率放大器的概念方案；圖2是根據(jù)本發(fā)明的具有包絡跟蹤的RF功率放大器的概念方案；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的放大器的電路圖；圖4A和4B是圖2的放大器的示例性分立實現(xiàn)的兩個示圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的放大器的電路圖；圖6A和6B是圖5的放大器的示例性分立實現(xiàn)的兩個示圖；圖7A和7B是圖示了圖5-6B的放大器的DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率效率的兩個曲線；圖8A和8B是圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的驅(qū)動DC/DC所使用的包絡帶寬對放大器的性能的影響的兩個曲線；以及圖9A和9B是根據(jù)本發(fā)明的第三和第四實施例的放大器的電路圖。發(fā)明詳述已經(jīng)描述的圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術和本發(fā)明兩者的具有包絡跟蹤的RF功率放大器的概念方案。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有包絡跟蹤的RF功率放大器的概念方案。跟蹤路徑包括低通濾波器LPF，用于減小包絡信號E(t)的帶寬(隨后將參考圖8A和8B具體描述這一點)以及脈寬調(diào)制器驅(qū)動電路PWD，用于生成與濾波包絡E(t)成比例的脈寬調(diào)制信號 PWM(t)。所述脈寬調(diào)制信號PWM(t)驅(qū)動DC/DC轉(zhuǎn)換器DCC，其屬于開關類型，沒有任何線性級。應當注意，低通濾波器和延遲線是可選元件；這些元件不是必須的應用存在。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有包絡跟蹤的RF功率放大器部分的電路圖。更確切的，圖3僅代表“降壓”式的DC/DC轉(zhuǎn)換器開關單元，包括開關晶體管Ts，其漏極連接到主電源VD。而其柵極由代表包絡E(t)的脈寬調(diào)制 PWM (t)來饋送；“整流晶體管” Tk，其漏極和源極一起連接到開關晶體管的源極，而柵極連接到地;這樣連接的晶體管工作為續(xù)流二極管，其陽極由柵極形成而陰極由漏極和源極形成；電感器L和電容器C連接到開關晶體管Ts的源極，形成LC低通濾波器；DC信號VtlU),其值(小于或等于Vdc)與E(t)成比例，具有某一時間延遲τ，被施加于放大晶體管Ta的漏極，其工作在共源結構并且構成高功率放大器HPA的家族。延遲的RF信號Skf2⑴被施加于待放大的Ts的柵極；放大信號&⑴取自Ta的漏極。至少構成降壓開關單元的晶體管Ts和Tk為相同工藝，盡管它們不必相同，優(yōu)選地， 放大晶體管Ta也為相同工藝。作為非限制示例，晶體管Ts和Tk(以及可能的Ta)可以是 HEMT，更具體地為GaN或GaAs HEMT。“ΗΕΜΤ”包括“傳統(tǒng)”HEMT以及偽形HEMT (pHEMT)和變形HEMT(mHEMT)。也可以使用其他RF功率晶體管，諸如異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)，并且具體地為GaAs HBT，或者橫向擴散金屬氧化物半導體晶體管(LDMOS)，具體地為Si LDMOS0如果使用HBT，則整流晶體管Tk確切地連接圖3的HEMT整流晶體管Τκ，集電極替代漏極，而發(fā)射極替代源極。如果使用LDM0S，則晶體管Tk接入之間的連接由于隔離的柵極而相反。漏極仍然構成陰極，但是柵極和源極連接在一起形成陽極。圖9Α上圖示了該拓撲圖。重要的是要指出，在此情況下，整流作用由LDMOS晶體管的“反向源極到漏極”二極管提供。還存在“正向漏極到源極”二極管(圖上未圖示)，其與反向二極管反平行并且代表晶體管的漏極-源極擊穿。然而，由于其高閾值電壓(60-100V或更多的量級)，該二極管保持在非導通狀態(tài)并且可以在第一級近似中忽略。開關單元所需要的速度通常為包絡信號的帶寬的至少5倍。然而，如將稍后所述， 包絡E (t)可以經(jīng)過低通濾波，而不太降低放大器的性能。對于大多數(shù)應用，包括1到IOOMHz 之間的開關速度將足夠。有利地，開關和整流晶體管將具有大于或等于5MHz (以及優(yōu)選地大于或等于IOMHz)的開關速度并且將能夠處理大于或等于IA (以及優(yōu)選地大于或等于5A) 的電流。然而，得益于在開關單元中RF晶體管的使用，如果需要的話，可以實現(xiàn)更高的開關頻率(高至幾GHz)。具有包絡跟蹤的RF放大器可以集成在匪IC工藝中，包括開關單元、放大器以及 (非代表)驅(qū)動開關晶體管Ts的脈寬調(diào)制器。電容器C和電感器L也可以使用標準匪IC 工藝無源庫，例如以用于電容器C的MIM(金屬-絕緣體-金屬)形式或者，使用GaN、GaAs 或Si工藝形成用于電感器L的螺旋形來集成。在使用分立裝置替代MMIC時，相同工藝晶體管Ts, Te的使用(除了 LDM0S)，以及優(yōu)選地Ta允許開關單元的特別致密的實現(xiàn)，如在圖4A( “正視圖”)和4B( “后視圖”)所示。 在該實施例中，開關晶體管Ts和“整流晶體管”Tk嵌入到安裝在金屬(以及由此可傳導)基板Bs， 上的各自陶瓷殼HS、HK中。標號Ds，Dk表示晶體管的漏極端，而( ，(^表示它們的柵極端。源極端連接到基板。如在圖上所圖示，兩個基板彼此以直接機械和電接觸布置，而且“整流晶體管” Tk 的漏極Dk和電感器L也連接到基板?！罢骶w管” Tk的柵極連接到接地平面GP，并且成為電容器C的一端(另一端連接到電感器L)。電容器可以是陶瓷RF電容器。這種組裝的致密性是明顯的。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的具有包絡跟蹤的RF功率放大器部分的電路圖。更確切地，圖5僅表示“升壓” DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關單元，包括開關晶體管Ts，其漏極通過電感器L連接到主電源VDC，而其柵極由脈寬調(diào)制 PWM (t)來饋送；“整流晶體管”TK，其柵極連接到開關晶體管的漏極，其漏極和源極一起連接到電容器C，反過來連接到Ts的源極和接地。這樣連接的晶體管Tk工作為續(xù)流二極管，其陽極由柵極組成而其陰極由漏極和源極組成；DC信號VtlU)-高于或等于VD。_被施加到放大晶體管Ta的漏極，其工作在共源結構并且構成高功率放大器HPA的家族。延遲的RF信號Skf2 (t- τ )被施加到待放大的Ta的柵極；放大信號取自Ta的漏極。晶體管是與圖3、4A和4B的電路相同的類型。圖9B示出了基于“升壓"DC/DC轉(zhuǎn)換器并且使用三個LDMOS晶體管作為開關裝置、 整流器和放大裝置的放大器的拓撲圖。同樣在此情況下，整流晶體管Tk的源極和柵極連接在一起形成整流器的陽極，而漏極形成所述整流器的陰極。另外，圖5和9B的電路可以在匪IC工藝或者以分立形式實現(xiàn)。與“降壓”拓撲圖類似，相同工藝的晶體管Ts, Te的使用(除了 LDM0S)允許使用分立元件的開關單元的特別致密的實現(xiàn)。這種實現(xiàn)圖示在圖6A( “正視圖”)和6B( “后視圖”)。相同標號指示與圖4A和4B中相同的元件。應當注意，兩個基板 ，Bs不是彼此直接機械和電接觸，相反，陶瓷電容器C夾在兩者中間。而且，這種組裝的致密性是明顯的。在此情況下，用于升壓拓撲圖的圖6A和6B中提出的實現(xiàn)方式允許去除Ts、電容器C和Tk之間的任何寄生線纜從而實現(xiàn)更高的開關頻率。具體描述了基于“降壓”和“升壓”轉(zhuǎn)換器的兩個示例性實施例，然而，應當理解， 本發(fā)明可以應用任何開關DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲圖。圖7A和7B圖示了針對圖5、6A、6B的升壓轉(zhuǎn)換器的作為輸出電壓Vtl和輸出功率 Pout的函數(shù)的輸入到輸出效率。電壓電源Vdc為15V并且開關頻率為IOMHz，與傳統(tǒng)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的值相比具有更高的值。在輸出功率值的寬范圍(14-42W)上效率包括在87到92% 之間，其滿足包絡跟蹤應用。另外的模擬板作業(yè)顯示出具有相同元件的相同拓撲圖在工作在50MHz開關頻率時實現(xiàn)類似的效率性能(小于2個百分比)。IOMHz的開關頻率可能對于大帶寬應用不足夠。實際上，如前所述，DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關頻率通常至少大于包絡帶寬 E(t)的五倍。隨后，如果使用IOMHz的開關頻率并且待放大的RF信號具有超過2MHz的帶寬，在放大系統(tǒng)的跟蹤路徑中必須執(zhí)行帶寬減小。這是圖2的低通濾波器LPF的作用。帶寬減小變成與有效包絡跟蹤兼容。執(zhí)行對GaN HEMT放大器的模擬，信道帶寬為36MHz、以2. 185GHz為中心的3000載波信號激勵所述放大器。在包絡跟蹤路徑中的低通濾波器LPF的截止頻率逐漸從60MHz減小到400kHz。圖8A和8B示出了作為濾波器的頻率的函數(shù)的噪聲功率比(NPR)和功率增加效率(PAE)，濾波器的截止頻率為60MHz、40MHz、20MHz、10MHz和400kHz。在包絡信號經(jīng)過具有IOMHz的相對窄的帶寬的低通濾波時將PAE保持55%，并且 NPR保持在15dB之上。包絡信號的73%帶寬減小將PAE僅降低5個百分點，包絡調(diào)制器信號不必具有與RF輸入包絡信號確切相同的帶寬。包絡跟蹤電路的IOMHz帶寬可以容易地利用 50MHz的開關頻率實現(xiàn)，反過來允許控制由36MHz帶寬微波調(diào)制信號饋送的HPA的操作V。。
權利要求
1.一種具有包絡跟蹤的射頻功率放大器，包括功率RF放大裝置(Ta)，用于放大RF信號；以及開關DC/DC轉(zhuǎn)換器(DCC)，包括開關裝置(Ts)和整流裝置(Tk)，用于為所述功率RF放大裝置提供與所述RF信號的包絡(E)成比例的電壓水平的DC電源(Vtl)；其中所述開關裝置是RF功率晶體管；其特征在于所述整流裝置也是連接成兩端裝置的相同工藝的晶體管；以及所述開關裝置與開關裝置是安裝在金屬基板(Ps，Pe)上的晶體管，金屬基板與晶體管的源極或發(fā)射極相連，所述基板以直接電接觸方式或者通過夾在兩個基板之間的電容器(C)相連而面對面安裝。
2.如權利要求1所述的射頻功率放大器，其中所述開關裝置、所述整流裝置和所述功率RF放大裝置都是相同工藝的晶體管。
3.如權利要求2所述的射頻功率放大器，其中所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置是相同的晶體管。
4.如權利要求2或3任一所述的射頻功率放大器，其中所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置是高電子遷移率晶體管，并且其中作為整流器裝置的晶體管的柵極 (Ge)連接到第一端而所述晶體管的漏極(Dk)和源極(Ds) —起連接到第二端。
5.如權利要求4所述的射頻功率放大器，其中所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置選自以下組合，包括氮化鎵高電子遷移率晶體管；以及砷化鎵高電子遷移率晶體管。
6.如權利要求2或3任一所述的射頻功率放大器，其中所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置是異質(zhì)結雙極晶體管；并且其中用作整流裝置的晶體管的基極連接到第一端而所述晶體管的集電極和發(fā)射極一起連接到第二端。
7.如權利要求1所述的射頻功率放大器，其中所述功率RF放大裝置、所述開關裝置和所述整流裝置是橫向擴散金屬氧化物半導體晶體管；并且其中用作整流裝置的晶體管的柵極(Gk)和源極(Ds) —起連接到第一端而所述晶體管的漏極(Dk)連接到第二端。
8.如前述任一權利要求所述的射頻功率放大器，其中所述開關裝置和所述整流裝置的開關速度大于或等于5MHz并且能夠處理大于或等于IA的電流。
9.如前述任一權利要求所述的射頻功率放大器，包括非線性包絡跟蹤級。
10.如前述任一權利要求所述的射頻功率放大器，進一步包括驅(qū)動電路(PWD)，用于利用表示待放大的射頻信號的包絡的PWM信號來驅(qū)動所述開關裝置。
11.如權利要求10所述的射頻功率放大器，進一步包括低通濾波器(LPF)，用于減小所述包絡信號的帶寬，驅(qū)動DC/DC轉(zhuǎn)換器的PWM信號取決于所述帶寬。
全文摘要
一種具有包絡跟蹤的射頻功率放大器，包括功率RF放大裝置，用于放大RF信號；以及開關DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括開關裝置和整流裝置，用于為所述功率RF放大裝置提供與所述RF信號的包絡成比例的電壓水平的DC電源；其中所述開關裝置是RF功率晶體管；其特征在于所述整流裝置，以及優(yōu)選地還有所述功率RF放大裝置，也是連接成兩端裝置的相同工藝的晶體管。優(yōu)選地，所述功率RF放大裝置也是相同工藝的晶體管。也可以提供低通濾波器用于減小包絡信號的帶寬，驅(qū)動DC/DC轉(zhuǎn)換器的PWM信號取決于該帶寬。
文檔編號H03F3/189GK102403964SQ20111027170
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權日2010年9月15日
發(fā)明者C·德勒波, D·薩爾丹, M·坎波韋基奧, N·里加盧 申請人:歐洲空間局