CN103944623A - 一种基于空间耦合的有源负载调制发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于无线通信技术的射频发射机领域的一种基于空间耦合的有源负载调制发射机，该发射机是一种利用发射机自身天线单元间耦合完成有源负载调制功能的发射机结构，在功率分配器分别连接主路功放、辅路功放及相应的发射天线，组成两单元辐射天线阵列；为了实现有源负载调制特性，其中主路功放偏置在AB类状态，而辅路功放偏置在C类状态，并在功率分配器与辅路功放之间连接移相器；两单元辐射天线相互靠近，从而获得辐射天线单元间足够的电磁耦合，达到负载调制的目的；同时省去了传统Doherty功放结构中的四分之一波长阻抗变换元件，简化了发射机结构，提升了系统的效率和带宽。

Description

一种基于空间耦合的有源负载调制发射机

技术领域

本发明属于无线通信技术的射频发射机领域。特别涉及一种基于空间耦合的有源负载调制发射机，具体说是利用天线阵列间耦合进行有源负载调制技术来提升阵列发射机的效率。

技术背景

在无线通信系统中，发射机的效率是评价发射机性能的重要指标。而在所有用于提高发射机线性度的技术中，Doherty功率放大器技术是当前最受关注，也是使用最多的一种技术。Doherty功放也是一种高效功放，能够在功率回退一定范围内保持高效率，提高小功率区工作效率，线性度也比较好。Doherty功放最早是由W.H.Doherty在1936年提出来的，包含一主一从两个功放单元，分别偏置在AB类和C类模式，二者分段导通，利用有源负载牵引实现效率的提高。F.H.Raab对Doherty功放的效率进行了分析讨论。近年来，韩国的Bumman Kim课题组在Doherty功放方向做了很多有价值的工作，总结了Doherty功放的设计方法，并提出了一些改进方法。其他一些优化和改进的Doherty功放也被设计出来，包括对主从功放的偏置电压进行优化；对连接主从功放的四分之一波长阻抗变换线进行优化，提出了多级Doherty功放的设计方法。甚至在毫米波频段，片上集成的Doherty功率放大器也被设计出来以提高发射机效率。

在传统的Doherty发射机结构当中，最核心的微波元件是连接主功放和辅功放的四分之一波长阻抗变换线，而该阻抗变换器正好成为Doherty功放宽带化和小型化的技术壁垒，尤其是在毫米波等高频段的应用当中。在已有的研究和发明当中，研究者采用降低阻抗变换比、利用集成阻抗变换器代替分布式阻抗变换器等手段来展宽带宽。这些方法虽然提高了功放带宽，但是也给功放设计带来了其它的挑战，诸如工作电压升高，输出合成网络损耗增加等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于空间耦合的有源负载调制发射机，其特征在于，所述基于空间耦合的有源负载调制发射机是一种利用发射机自身天线单元间耦合完成有源负载调制功能的发射机结构，在功率分配器分别连接主路功放、辅路功放及相应的发射天线，组成两单元辐射天线阵列；为了实现有源负载调制特性，其中主路功放偏置在AB类状态，而辅路功放偏置在C类状态，并在功率分配器与辅路功放之间连接移相器；两单元辐射天线相互靠近，从而获得辐射天线单元间足够的电磁耦合，达到负载调制的目的；同时省去了传统Doherty功放结构中的四分之一波长阻抗变换元件，简化了发射机结构，提升了系统的效率和带宽。

所述两单元辐射天线阵列的天线输入端口的阻抗矩阵[Z]表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}& Z_{12}\\ Z_{21}& Z_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中V₁，V₂为天线输入端口的电压，也即功放输出端口的电压，I₁，I₂为天线输入端口的电流，即功放输出端口的电流，[Z]为天线阵列的互阻抗矩阵，其中Z11、Z22为天线1和天线2的自阻抗，Z12、Z21为天线端口的互阻抗。经过简单的计算，得出天线的输入阻抗或功放的输出负载Z_L1，Z_L1表示为：

$Z_{L1}=Z_{11}+Z_{12}\frac{I_2}{I_1}---\left(2\right)$

从以上表达式（1）-（2）中可以看出，功放的输出匹配负载不仅由天线本身的自阻抗和互阻抗决定，还与两路发射通道之间的电流比值直接相关；将其中一路功放偏置在AB类，而另外一路偏置在C类状态下，那么利用天线阵列单元空间耦合实现的负载调制将获得同样的效果，实现负载阻抗的自动有源调制。

本发明的有益效果是巧妙地利用阵列天线单元之间的互耦，根据输出功率等级动态和自动地调整功放的负载，实现输出匹配负载的有源调制，从而提高发射机的平均效率。由于该新型发射机结构中不再使用传统的阻抗变换器，而由发射机自身天线单元间的耦合完成负载调制功能，简化Doherty功放的电路结构，因此其结构更加简单，展宽系统带宽，带宽性能也得到进一步的提升。

附图说明

图1为基于空间耦合的有源负载调制发射机结构。

图2为发射机仿真设计流程。

图3为主路与辅路功放输出电压特性。

图4为基于空间耦合的有源负载调制发射机效率曲线。

具体实施方式

本发明提出了一种基于空间耦合的有源负载调制发射机。下面结合附图说明具有空间耦合的有源负载调制发射机具体实现过程及效果。

图1所示为基于空间耦合的有源负载调制发射机结构。图中，基于空间耦合的有源负载调制发射机是一种利用发射机自身天线单元间耦合完成有源负载调制功能的发射机结构，在功率分配器分别连接主路功放、辅路功放及相应的发射天线，组成两单元辐射天线阵列；为了实现有源负载调制特性，其中主路功放偏置在AB类状态，而辅路功放偏置在C类状态，并在功率分配器与辅路功放之间连接移相器；两单元辐射天线相互靠近，从而获得辐射天线单元间足够的电磁耦合，达到负载调制的目的；同时省去了传统Doherty功放结构中的四分之一波长阻抗变换元件，简化了发射机结构，提升了系统的效率和带宽。

所述两单元辐射天线阵列的天线输入端口的阻抗矩阵[Z]表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}& Z_{12}\\ Z_{21}& Z_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中V₁，V₂为天线输入端口的电压，也即功放输出端口的电压，I₁，I₂为天线输入端口的电流，即功放输出端口的电流，[Z]为天线阵列的互阻抗矩阵，其中Z11、Z22为天线1和天线2的自阻抗，Z12、Z21为天线端口的互阻抗。经过简单的计算，得出天线的输入阻抗或功放的输出负载Z_L1，Z_L1表示为：

$Z_{L1}=Z_{11}+Z_{12}\frac{I_2}{I_1}---\left(2\right)$

从以上表达式中可以看出，功放的输出匹配负载不仅由天线本身的自阻抗和互阻抗决定，还与两路发射通道之间的电流比值直接相关；如果借鉴传统Doherty功放中的有源负载调制技术，将其中一路功放偏置在AB类，而另外一路偏置在C类状态下，那么利用天线阵列单元空间耦合实现的负载调制将获得同样的效果。在低功率区，辅路由于偏置在C类状态而处于关断状态，此时主路的负载阻抗仅与自阻抗有关；在高功率区，辅路功放已经开启，因此其电流幅度将动态地改变主路功放的负载阻抗，实现负载阻抗的自动有源调制。

在该新型发射机结构中，其设计可以分为两个部分：天线阻抗矩阵优化和功放设计。通过调整和优化阵列天线单元的间距及馈电位置，可以获得不同的互阻抗矩阵，从而使得发射机功放对不同输出功率等级下的负载阻抗最优化，提高整机效率。在确定天线阵列互阻抗之后，则可以根据已有的阻抗值进行功率放大器电路的匹配和设计，最后完成整个发射机的设计。

为了优化发射机在峰值功率和平均功率下的效率，功放在这两个状态的阻抗需要进行精细的设计，如图2所示：

1.首先利用HFSS等电磁仿真工具，对天线阵列进行初步的仿真。根据传统的Doherty功率放大器设计理论，通过调整天线阵列单元的间距和馈电位置，优化天线阵列在目标频段的自阻抗与互阻抗，获得满足功放在平均功率和峰值功率处的最佳负载阻抗；

2.将仿真获得互阻抗矩阵输出，形成以S2P形式保存的散射参数文件；

3.将上一步骤输出S2P文件导入ADS等电路仿真工具当中，把该文件作为主路功放和辅路功放的输出网络，对电路和天线进行联合仿真，从而得到发射机的输出特性和效率曲线；

4.根据ADS仿真得到的输出特性和效率曲线，比较其结果与目标性能之间的差距，如果尚未达到最佳状态，则可以返回天线阵列仿真环节，重新进行阵列单元的调整，进一步优化负载阻抗，直至获得理想的输出功率和发射机效率。

图3和图4给出了一设计实例的仿真结果，该实例目标为工作在2.3GHz频率的基于空间耦合的有源负载调制发射机。从图3可以看出，主路功放的输出电压在功率回退区即达到饱和（图3中曲线V2），而此时辅路功放尚未开启（图3中曲线V1），随着输入功率的不断增加，辅路功放开始导通，输出电压也持续增加，达到饱和状态时与主路功放基本实现相同的输出电压,图3中两条曲线相交。图4给出了发射机的整机仿真效率，与传统Doherty功放类似，该新型发射机也获得双峰的效率曲线，因此，对于非恒包络的信号可以显著提高平均效率。

Claims (2)

1.一种基于空间耦合的有源负载调制发射机，其特征在于，所述基于空间耦合的有源负载调制发射机是一种利用发射机自身天线单元间耦合完成有源负载调制功能的发射机结构，在功率分配器分别连接主路功放、辅路功放及相应的发射天线，组成两单元辐射天线阵列；为了实现有源负载调制特性，其中主路功放偏置在AB类状态，而辅路功放偏置在C类状态，并在功率分配器与辅路功放之间连接移相器；两单元辐射天线相互靠近，从而获得辐射天线单元间足够的电磁耦合，达到负载调制的目的；同时省去了传统Doherty功放结构中的四分之一波长阻抗变换元件，简化了发射机结构，提升了系统的效率和带宽。

2.根据权利要求1所述基于空间耦合的有源负载调制发射机，其特征在于，所述两单元辐射天线阵列的天线输入端口的阻抗矩阵[Z]表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{11}& Z_{12}\\ Z_{21}& Z_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中V₁，V₂为天线输入端口的电压，也即功放输出端口的电压，I₁，I₂为天线输入端口的电流，即功放输出端口的电流，[Z]为天线阵列的互阻抗矩阵，其中Z₁₁、Z₂₂为天线1和天线2的自阻抗，Z₁₂、Z₂₁为天线端口的互阻抗；经过简单的计算，得出天线的输入阻抗或功放的输出负载Z_L1，Z_L1表示为：

$Z_{L1}=Z_{11}+Z_{12}\frac{I_2}{I_1}---\left(2\right)$

从以上表达式（1）-（2）中可以看出，功放的输出匹配负载不仅由天线本身的自阻抗和互阻抗决定，还与两路发射通道之间的电流比值直接相关；将其中一路功放偏置在AB类，而另外一路偏置在C类状态下，那么利用天线阵列单元空间耦合实现的负载调制将获得同样的效果，实现负载阻抗的自动有源调制。