CN117811508A - 射频功率放大芯片、射频功率放大器及无线信号发射系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无线电技术领域，具体涉及一种射频功率放大芯片、射频功率放大器及无线信号发射系统，射频功率放大芯片中第一放大支路的输出端包括合路网络，合路网络包括：第一键合线，第一端与第一放大支路的输出端连接；第二键合线，第一端与第一键合线的第二端连接；第三键合线，第一端与第二键合线的第二端连接，第二端用于与合路阻抗匹配电路连接；其中，射频信号在第一键合线、第三键合线的水平流向为第一方向与第二键合线的水平流向为第二方向不同。射频信号在第一键合线、第三键合线的水平流向和在第二键合线的水平流向不同，利用电感的互感效应提高整体的电感值，在一定程度上可以降低整体电感损失，提高射频功率放大器的效率。

Description

射频功率放大芯片、射频功率放大器及无线信号发射系统

技术领域

本申请涉及无线电技术领域，具体涉及一种射频功率放大芯片、射频功率放大器及无线信号发射系统。

背景技术

单片射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)是在半绝缘半导体衬底上用一序列的半导体工艺方法制造出无源和有源器件，并连接起来构成的功能电路。

射频功率放大器目前主流应用于低功率的无线接入节点(small cell)和宏站驱动产品中，利用自身的寄生电容，外加电感或者键合线，来实现合路输出电路的合路功能，替代传统印刷电路板(PCB)的微带合路，可以有效的减少面积。如图1所示，图1为射频功率放大器的电路原理简图。其中合路网络103可起到合路输出的作用，在整个射频功率放大器(doherty PA)的工作效率中，合路网络103起着至关重要的作用，电感损失越小，则工作效率越高。

如图2所示，图2为合路网络的电路原理图。合路网络103包括第一电容201、第二电容202和电感203，在该合路网络的电路中，电感203的电感损失相比第一电容201、第二电容202更加重要。在不同的频段下，其中电感203需要的大小不一，且电感203可利用键合线的形式来构建。如图3所示，图3为现有技术中利用键合线构建电感的其一结构俯视示意图。

很多情况下需要多段键合线才能实现需要的电感，且不同的打线方式就有不同的电感值和互感损失。在图3中，金属片a2031作为射频信号的输入端，金属片d2037作为射频信号的输出端，并且由于尺寸的限制，键合线a2032和金属片b2033相邻设置。射频信号经过键合线a2032、金属片b2033、键合线b2034、金属片c2035和键合线c2036，最终可通过金属片d2037输出。当射频信号从金属片a2031到金属片b2033，经过键合线a2032时，在键合线b2034上会产生从右往左方向的感应电磁场，与射频信号从金属片b2033到金属片c2035经过键合线b2034时，在键合线a2032上的射频信号流向正好相反，导致键合线b2034自身的射频能量与键合线a2032在键合线b2034产生的互感能量相互抵消，会导致射频能量一定的损耗，同理，键合线b2034在键合线a2032产生的互感与键合线a2032传输的射频能量会有一定的相互抵消，从而降低射频功率放大器的工作效率。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种射频功率放大芯片、射频功率放大器及无线信号发射系统，该技术方案如下：

根据本申请实施例的第一个方面，本申请提供了一种射频功率放大芯片，用于射频功率放大器对射频信号进行放大，所述射频功率放大芯片包括第一放大支路和第二放大支路，所述第二放大支路的输入端用于接收射频输出设备的射频信号，所述第二放大支路的输出端用于与所述射频功率放大器的合路阻抗匹配电路连接，所述第一放大支路的输入端用于接收所述射频输出设备的射频信号，所述第一放大支路的输出端包括合路网络，所述合路网络包括：

第一键合线，第一端与所述第一放大支路的输出端连接；第二键合线，第一端与所述第一键合线的第二端连接；第三键合线，第一端与所述第二键合线的第二端连接，第二端用于与所述合路阻抗匹配电路连接；其中，射频信号在所述第一键合线、第三键合线的水平流向为第一方向，射频信号在所述第二键合线的水平流向为第二方向，所述第一方向和所述第二方向不同。

根据本申请实施例的第二个方面，本申请提供了一种射频功率放大器，所述射频功率放大器包括：如前述的射频功率放大芯片；合路阻抗匹配电路，与所述射频功率放大芯片连接。

根据本申请实施例的第三个方面，本申请提供了一种无线信号发射系统，所述无线信号发射系统包括：射频输出设备和信号发射设备；如前述的射频功率放大器，所述射频功率放大器分别与所述射频输出设备、信号发射设备连接。

采用本申请实施例中提供的射频功率放大芯片，第一放大支路和第二放大支路可分别对射频信号进行放大，而在第一放大支路的合路网络中，第一键合线、第二键合线和第三键合线串联以满足合路网络中电感的要求，射频信号在第一键合线和第三键合线的水平流向相同，而和射频信号在第二键合线的水平流向不同，可以利用电感的互感效应，提高整体的电感值，使获得需要的电感值，在一定程度上可以降低整体电感损失，提高射频功率放大器的效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为射频功率放大器的电路原理简图；

图2为合路网络的电路原理图；

图3为现有技术中利用键合线构建电感的其一结构俯视示意图；

图4为图3对应的侧视结构示意图；

图5为本申请合路网络的其一俯视结构示意图；

图6为本申请合路网络的又一俯视结构示意图；

图7为图5对应的侧视结构示意图；

图8为采用本申请的技术方案与现有技术方案的实验对比图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

射频功率放大器作为无线信号发射系统中的核心部件之一，越来越朝向高功率、高效率和小型化发展。如图1所示，射频功率放大器由两条放大支路构成，分别是第一放大支路101和第二放大支路102。在回退功率状态下时，只有第一放大支路101的功放开启，其负载线维持在较高位置，保持较高效率；在饱和功率状态下时，第二放大支路102的功放开启，第一放大支路101功放负载线被调制到较低位置，产生较高功率输出，以此完成功率回退时效率的提升。其中，射频功率放大器可以包括Doherty PA。

如图1所示，现有射频功率放大器包含两条放大支路——第一放大支路101和第二放大支路102，在第一放大支路101包括合路网络102，可实现合路输出的作用。如图2和图3所示，合路网络102可包括第一电容201、第二电容202和电感203，而电感203可利用多段键合线连接来形成，如图3中，可利用键合线a2032、键合线b2034和金属片c2035串联形成电感。由于射频功率放大芯片尺寸、电感需求等限制，多段键合线可能需要重合，如图3中键合线a2032和键合线b2034重合，即键合线a2032和键合线b2034相邻，但射频信号在键合线a2032和键合线b2034的流向相反。在射频信号经过重合的键合线时，由于射频信号的流向相反，导致电感电流产生的磁场，与相邻键合线本身的电磁能量相互抵消，有相当一部分能量在这里损耗，同时电感值也会相对变小，进而导致射频功率放大器的效率降低。

为实现低频段(如2GHZ以下)的电感，往往需要多段键合线结合，并且键合线的高度会比较高，从而会导致相邻键合线之间的耦合区域会很大。但由于相邻键合线的射频信号流向相反，相邻键合线之间的耦合区域(即重合区域)越大，产生的互感损耗也就越大，从而会进一步降低射频功率放大器的工作效率。其中，互感即互相感应，是指两个或者多线圈之间相互作用的现象。当一个电流通过一个线圈时，会在另一个线圈中产生电磁感应。

如图4所示，图4为图3对应的侧视结构示意图。可参见图3中的射频信号流向(箭头表示射频信号的流向)，可知键合线a2032和键合线b2034重合，且射频信号在键合线a2032和键合线b2034的流向相反。由于需要满足一定的电感值，键合线a2032和键合线b2034之间的重合区域，即二者耦合区域会很大，从而导致键合线a2032和键合线b2034产生的互感损失会很大，最终导致射频功率放大器的工作效率降低。

本申请提供了一种射频功率放大芯片，射频功率放大芯片可用于射频功率放大器内，以对射频信号进行放大处理。如图1所示，射频功率放大芯片可包括第一放大支路101、第二放大支路102和合路网络103。第二放大支路102的输入端连接射频输出设备，第二放大支路102的输出端可与射频功率放大器的合路阻抗匹配电路(未示出)连接，第二放大支路102的输入端可接收射频输出设备输出的射频信号，第二放大支路102对射频信号进行放大后，由第二放大支路102的输出端输出至合路阻抗匹配电路。其中，第一放大支路101和第二放大支路102中的晶体管包括但不限于场效应管、BJT管、HEMT管、HBT管等。

第一放大支路101的输入端连接射频输出设备，第一放大支路101的输出端包括合路网络103，即合路网络103设置在第一放大支路101的输出端，第一放大支路101的输出端通过合路网络103与射频功率放大器的合路阻抗匹配电路连接。第一放大支路101的输入端可接收射频输出设备输出的射频信号，第一放大支路101对射频信号进行放大后，由第一放大支路101的输出端通过合路网络输出至射频功率放大器的合路阻抗匹配电路。

如图2所示，合路网络103包括电感203、第一电容201和第二电容203，电感203的第一端与第一放大支路101的输出端连接，电感203的第二端与射频功率放大器的合路阻抗匹配电路连接，第一电容201的第一端与电感203的第一端连接，第一电容201的第二端接地；第二电容202的第一端与电感203的第二端连接，第二电容202的第二端接地。即第一电容201的第一端连接在电感203的第一端、第一放大支路101的输出端之间，第一电容201的第二端接地；第二电容202的第一端连接在电感203的第二端、射频功率放大器的合路阻抗匹配电路之间，第二电容202的第二端接地。

如图5和图7所示，图5为本申请合路网络的其一俯视结构示意图，图7为图5对应的侧视结构示意图。合路网络103包括第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307，第一键合线305的第一端与第一放大支路的输出端连接，第一键合线305的第二端与第二键合线306的第一端连接，第二键合线306的第二端与第三键合线307的第一端连接，第三键合线307的第二端连接合路阻抗匹配电路。即射频信号第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307串联，第一电容201的第一端与第一键合线305的第一端连接，第二电容201的第一端与第三键合线307的第二端连接。射频信号在经过第一放大支路101放大后，通过第一键合线305的第一端依次流过第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307，再从第三键合线307传输至射频功率放大器的合路阻抗匹配电路，由射频功率放大器的合路阻抗匹配电路进行后续处理。

第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307可相邻设置，且射频信号在第一键合线305、第三键合线307的水平流向为第一方向，射频信号在第二键合线306的水平流向为第二方向，第一方向和第二方向不同，即射频信号在第二键合线的水平流向与射频信号第一键合线、第三键合线的水平流向不同。其中，第一方向和第二方向可以大概相反，也可以完全相反。水平流向是指沿着水平线的方向流动，如本实施例图5所示的第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307的垂直投影，可看出第一键合线305、第三键合线307的流动方向为从左往右，而第二键合线306的流动方向为从右往左，即第一方向和第二方向相反。

在上述实施例中，第一放大支路和第二放大支路可分别对射频信号进行放大，而在第一放大支路的合路网络中，第一键合线、第二键合线和第三键合线串联以满足合路网络中电感的要求，由于第一键合线、第二键合线和第三键合线相邻，但射频信号在第一键合线和第三键合线的水平流向相同，而和射频信号在第二键合线的水平流向不同，可以利用电感的互感效应，提高整体的电感值，使获得需要的电感值，在一定程度上可以降低整体电感损失，提高射频功率放大器的效率。

在一个或多个实施例中，第一键合线305的垂直长度大于第二键合线306的垂直长度，同时，第三键合线307的垂直长度大于第二键合线306的垂直长度。其中，键合线的垂直长度是指键合线的垂直投影的长度。由于第一键合线305的垂直长度大于第二键合线306的垂直长度，从而使第一键合线305的部分线段可减少受到第二键合线306电磁感应的影响，同理，由于第三键合线307的垂直长度大于第二键合线306的垂直长度，从而使第三键合线306的部分线段减少受到第二键合线306电磁感应的影响，在一定程度上可以降低整体电感损失，提高射频功率放大器的效率。

在一个或多个实施例中，射频功率放大芯片还包括第一金属片301、第二金属片302和第三金属片303，第一金属片301可与第一键合线305的第一端连接，第一金属片301还与第一放大支路的输出端连接，即第一金属片301与第一键合线305的第一端、第一放大支路的输出端分别连接。第二金属片302可与第一键合线305的第二端连接，第二金属片302还可与第二键合线306的第一端连接，即第二金属片302与第一键合线305的第二端、第二键合线306的第一端分别连接。第三金属片303与第二键合线306的第二端连接，第三金属片303还与第三键合线307的第一端连接，即第三金属片303与第二键合线306的第二端、第三键合线307的第一端分别连接。其中，金属片的设置可便于电感大小的调整和减少射频功率放大芯片的尺寸。

在一个或多个实施例中，第一金属片301、第二金属片302和第三金属片303至少有两个大致位于同一水平面。即第一金属片301、第二金属片302和第三金属片303中可以任意两个位于同一水平面，也可以三个都位于同一水平面，从而保证射频功率放大芯片的紧凑型，降低射频功率放大芯片的尺寸。

第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307在不同的垂直面。在一个或多个实施例中，如图5所示，第一键合线305位于第三键合线307的一侧，第二键合线306位于第三键合线307的另一侧。在一些实施例中，再如图6所示，图6为本申请合路网络的又一俯视结构示意图。第三键合线307位于第一键合线305的一侧，第二键合线306位于第一键合线305的另一侧。射频信号从第一金属片301依次流过第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307，可以利用电感的互感效应，提高整体的电感值，使获得需要的电感值，在一定程度上可以降低整体电感损失，提高射频功率放大器的效率。

在一个或多个实施例中，如图7所示，第二键合线306的打线高度可以为500微米—600微米，即第二键合线306的打线高度包括但不限于510微米、515微米、520微米、525微米、530微米、535微米、540微米、545微米、550微米、555微米、560微米、565微米、570微米、575微米、580微米、585微米、590微米和595微米。第二键合线306与第一键合线305、第三键合线307的射频信号水平流向不同，通过将第二键合线306的打线高度降低至500微米—600微米，既可满足对电感大小的要求，也可降低第二键合线306与第三键合线307、第一键合线305之间的耦合区域308。在一些实施例中，第二键合线306的打线高度可以为540微米—570微米。

为了实现大电感和RFIC封装条件的限制，目前键合线的打线高度都是高弧度打线，导致相邻两条键合线的互感耦合区域比较大，耦合区域越大，电感值越低，电感损失越大。而本申请通过增加第二键合线，并降低第二键合线的打线高度，从而射频信号产生的电磁相互作用减弱，进而可以减少射频能量的传输损耗，提高射频功率放大器的效率。

在一个或多个实施例中，如图5和图6所示，射频功率放大芯片还包括第四键合线309。第四键合线309的第一端可与第三键合线307的第二端连接，第四键合线309的第二端可用于与射频放大器的合路阻抗匹配电路连接。在一些实施例中。射频功率放大芯片还包括第四金属片304，第四金属片304与第三键合线307的第二端连接，第四金属片304还与第四键合线309的第一端连接，即第四金属片304与第三键合线307的第二端、第四键合线309的第一端分别连接。通过设置第四键合线309可更加便捷调整射频功率放大器对于电感的需求，满足不同的实际情况。射频功率放大芯片还可包括第五金属片310，第五金属片310与第四键合线309的第二端连接，第五金属片310还与射频放大器的合路阻抗匹配电路连接，即第五金属片310与第四键合线309的第二端、射频放大器的合路阻抗匹配电路分别连接。

在一些实施例中，射频功率放大芯片还包括第五键合线(未示出)和第六键合线(未示出)。第五键合线的第一端与第四键合线309的第二端连接，第五键合线的第二端与第六键合线的第一端连接，第六键合线的第二端用于连接射频放大器的合路阻抗匹配电路。即第四键合线309、第五键合线和第六键合线依次串联，且第四键合线309、第五键合线和第六键合线可相邻设置，并且射频信号在第四键合线309、第六键合线的水平流向为第三方向，射频信号在第五键合线的水平流向为第四方向，第三方向和第四方向想法。通过设置第五键合线和第六键合线可满足更高的电感需求，将第三方向与第四方向相反设置，则可利用电感的互感效应，提高整体的电感值，使获得需要的电感值，在一定程度上可以降低整体电感损失，提高射频功率放大器的效率。详细内容可参考第一键合线305、第二键合线306和第三键合线307的描述，在此不再赘述。

在一个或多个实施例中，射频功率放大芯片还包括第六金属片(未示出)和第七金属片(未示出)。第五键合线的第一端与第五金属片连接，第六金属片与第五键合线的第二端连接，第六金属片还与第六键合线的第一端连接，即第六金属片与第五键合线的第二端、第六键合线的第一端分别连接。第六金属片与第六键合线的第二端连接，第六金属片还可以与合路阻抗匹配电路连接，也即第六键合线通过第六金属片与合路阻抗匹配电路连接。通过增加第四键合线、第五键合线和/或第六键合线可进一步满足对于电感的不同需求。

本申请还提供了一种射频功率放大器，该射频功率放大器(未示出)包括前述的射频功率放大芯片和合路阻抗匹配电路，合路阻抗匹配电路可与射频功率放大芯片的输出端连接，对射频功率放大芯片所放大的射频信号进行后续处理。射频功率放大器还可以包括功率分配器，该功率分配器与射频输出设备连接，功率分配器还与射频功率放大芯片中的第一放大支路、第二放大支路分别连接，射频输出设备输出射频信号后，由功率分配器分配至第一放大支路和第二放大支路。

如图8所示，图8为采用本申请的技术方案与现有技术方案的实验对比图。第一曲线401为现有技术方案所得到的实验数据，第二曲线402为本申请技术方案所得到的实验数据。在相同频率下，对应的电感Q值(电感的品质因数，是衡量电感器件的参数)越大则说明电感的损失越小，则可看出采用本申请的技术方案在频率小于4Ghz时，其电感Q值在均大于现有技术所对应的结果，所以用本申请的技术方案对射频功率放大器的功放整体的效率会有一定的提升。

本申请还提供了一种无线信号发射系统，该无线信号发射系统(未示出)包括前述的射频功率放大器、射频输出设备(未示出)和信号发射设备(未示出)。射频功率放大器与射频输出设备、信号发射设备分别连接，射频输出设备输出射频信号至射频功率放大器，射频功率放大器对所接收的信号进行放大，之后输出至信号发射设备，由信号发射设备将信号发射至用户终端。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种射频功率放大芯片，用于射频功率放大器对射频信号进行放大，其特征在于，所述射频功率放大芯片包括第一放大支路和第二放大支路，所述第二放大支路的输入端用于接收射频输出设备的射频信号，所述第二放大支路的输出端用于与所述射频功率放大器的合路阻抗匹配电路连接，所述第一放大支路的输入端用于接收所述射频输出设备的射频信号，所述第一放大支路的输出端包括合路网络，所述合路网络包括：

第一键合线，第一端与所述第一放大支路的输出端连接；

第二键合线，第一端与所述第一键合线的第二端连接；

第三键合线，第一端与所述第二键合线的第二端连接，第二端用于与所述合路阻抗匹配电路连接；

其中，射频信号在所述第一键合线、第三键合线的水平流向为第一方向，射频信号在所述第二键合线的水平流向为第二方向，所述第一方向和所述第二方向不同。

2.根据权利要求1所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向相反。

3.根据权利要求1所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述第一键合线的垂直长度大于所述第二键合线的垂直长度；其中，键合线的垂直长度为键合线的垂直投影的长度；

和/或，所述第三键合线的垂直长度大于所述第二键合线的垂直长度；其中，键合线的垂直长度为键合线的垂直投影的长度。

4.根据权利要求1所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述射频功率放大芯片还包括：

第一金属片，与所述第一键合线的第一端、所述第一放大支路的输出端分别连接；

第二金属片，与所述第一键合线的第二端、所述第二键合线的第一端分别连接；

第三金属片，与所述第二键合线的第二端、所述第三键合线的第一端分别连接。

5.根据权利要求4所述的射频功率放大芯片，其特征在于，在所述第一金属片、所述第二金属片和所述第三金属片中，至少两者大致位于同一水平面；

或，在所述第一金属片、所述第二金属片和所述第三金属片中，至少两者位于同一水平面；

或，所述第一金属片、所述第二金属片和所述第三金属片在同一水平面。

6.根据权利要求1至5任一所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述第一键合线、所述第二键合线和所述第三键合线在不同的垂直面。

7.根据权利要求6所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述第三键合线位于所述第一键合线的一侧，所述第二键合线位于所述第一键合线的另一侧；

或，所述第一键合线位于所述第三键合线的一侧，所述第二键合线位于所述第三键合线的另一侧。

8.根据权利要求1至5任一所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述第二键合线的打线高度为500微米—600微米；

或，所述第二键合线的打线高度为540微米—570微米。

9.根据权利要求1至5任一所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述射频功率放大芯片还包括：

第四键合线，第一端与所述第三键合线的第二端连接，第二端用于与所述合路阻抗匹配电路连接。

10.根据权利要求9所述的射频功率放大芯片，其特征在于，所述射频功率放大芯片还包括：

第五键合线，第一端与所述第四键合线的第二端连接；

第六键合线，第一端与所述第五键合线的第二端连接，第二端用于与所述合路阻抗匹配电路连接；

其中，射频信号在所述第四键合线、第六键合线的水平流向为第三方向，射频信号在所述第五键合线的水平流向为第四方向，所述第三方向和所述第四方向相反。