[发明专利]变换器、功率匹配网络和数字功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及变换器、供在功率放大器中使用的功率匹配网络，所述功率匹配网络包括此类变换器和其它匹配组件，具体而言涉及超宽带数字功率放大器。

背景技术

多个通信标准使用具有紧凑大小和高功率效率的宽带功率放大器。目前，使用大量宽带PA设计解决方案，例如分布式放大器、平衡放大器、高位输出匹配放大器和可调放大器。然而，此类解决方案具有以下问题。分布式PA通常具有不良阻抗匹配，因此其具有低功率效率。平衡PA可实现在宽带上的良好输入/输出匹配。然而，其需要耦合器将输入信号分离到子放大器中并组合输出功率，这是复杂的，当子放大器数目增加时尤其如此，借此增加无源损耗和芯片面积这两者。合成高位输出匹配放大器需要输出中的多个电感器以及级间匹配电路，它还增加了无源功率损耗和芯片面积这两者。具有紧凑大小的可调放大器在匹配网络中使用低质量因数激活电路以实现宽操作带，这会降低效率。

需要提供用于功率有效的宽带功率放大器的紧凑型设计。

发明内容

本发明的目标为提供用于改进具有紧凑大小的宽带功率放大器的功率效率的解决方案。

此目标是通过独立权利要求的特征实现的。其它实施形式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

本发明中所描述的基本概念是引入具有堆叠步进式阻抗(stacked stepped-impedance，SSI)变换器的紧凑型功率放大器输出匹配网络以在跟踪宽带宽内的最佳负载阻抗的同时改进功率效率。此解决方案具有宽带宽、高效率以及紧凑大小的显著优点。可在各种宽带匹配网络中应用SSI变换器以改进针对紧凑大小的功率效率，所述宽带匹配网络例如A类、B类、AB类、C类、D类、E类、E^-1类、F类、F^-1类、G类等。堆叠步进式阻抗(SSI)变换器具有一些特性。第一，它由步进式阻抗电感器形成。第二，初级绕组和次级绕组可位于不同金属处；不同绕组可堆叠式耦合。第三，初级或次级绕组可使用并联绕组，其进一步改进耦合因数和Q(质量因数)。

为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩写和符号：

PA： 功率放大器

DPA：数字功率放大器

SSI：堆叠步进式阻抗

Z：特性阻抗

电气长度

Q：质量因数

M：金属层

RF： 射频

在下文中，描述以特性阻抗、电气长度和质量因数为特征的电气电路和变换器。均匀传输线的特性阻抗是沿着所述线传播的单个波的电压和电流的幅值的比，也就是说，在不存在沿其它方向的反射的情况下，波沿一个方向行进。通过输电线的几何形状和材料确定特性阻抗。对于均匀线，特性阻抗不取决于其长度。电气长度是指就通过在某一频率下经由导体的传输引入的相移来说，电导体的长度。质量因数或Q因数是描述振荡器或谐振器的欠阻尼程度或等效地表征谐振器相对于其中心频率的带宽的无量纲参数。较高Q指示能量损耗相对于谐振器的所存储能量的较低比率，即，振荡较缓慢地逐渐消失。

在下文中，描述供在D类放大器和E类放大器中使用的变换器。D类放大器是其中通常由MOSFET实施的例如晶体管的放大设备作为电子开关而非线性增益设备进行操作的电子放大器。将放大的信号是一连串恒定幅值脉冲，因此有源设备在完全导电状态与非导电状态之间来回快速地切换。在E类放大器中，晶体管作为通/断开关进行操作，且负载网络对电压和电流波形进行塑形以防止在晶体管中同时存在高电压和高电流。此操作将尤其在开关转变期间的功率损耗最小化。

根据第一方面，本发明涉及一种变换器，其包括：初级绕组，其包括第一端口、第二端口以及连接于所述第一端口与所述第二端口之间的金属层，所述金属层包括具有不同宽度的多个区段；以及次级绕组，其以电磁方式与所述初级绕组耦合，所述次级绕组包括第一端口、第二端口以及连接于所述第一端口与所述第二端口之间的金属层，所述金属层包括具有不同宽度的多个区段。

当在功率放大器中使用所述变换器时，可使用紧凑设计以功率高效的方式实现所述功率放大器。两个绕组通过具有不同宽度的多个区段的金属层的实施方案为功率高效的宽带功率放大器提供紧凑设计。

在根据第一方面的所述变换器的第一可能实施形式中，通过使所述次级绕组的至少主要部分布置在所述初级绕组下方或上方来使所述初级绕组与所述次级绕组堆叠式耦合。

通过使用所述堆叠式耦合，可在小空间下提供高质量因数。因此，可以紧凑方式实现功率放大器的设计。