CN104836533A - 一种功率放大器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大器及其实现方法，装置部分包括主电路、反馈一路和反馈二路；所述的主电路包括第一输入匹配电路、第一输出匹配电路和偏置在B类功放芯片；反馈一路包括第二输入匹配电路、第二输出匹配电路和三分频器；反馈二路包括第三输入匹配电路、第三输出匹配电路和二分频器；发明在偏置在B类功放芯片输入输出端分别连接一个二分频器和三分频，形成两个正反馈电路，使功放芯片输出信号中的二次谐波和三次谐波分别经过分频器转化成基波，再反馈到芯片的输入端，不仅消除了输出信号中的高次谐波，提了高线性度，而且偏置在B类的功率放大器使电路拥有很高的效率。

Description

一种功率放大器及其实现方法

发明领域

本发明涉及一种微波功率放大电路，确切地说是一种功率放大器及其实现方法。

技术背景

功率放大器是射频前端设备的核心部件，功率放大器的性能特别是线性度和效率对基站、直放站等射频前端设备有直接的影响。功率放大器的线性度越好，当该功率放大器应用于射频系统时，系统的输出功率就越高，反之，系统的输出功率就越低；与其他射频模块一样，功率放大器效率越高越好。这就是说，一方面希望功率放大器达到很高的输出功率，同时要有很高的效率。但是由于传统功率放大器固有的内在矛盾：当输出高峰均比信号时，功率放大器难以同时满足高线性度和高效率的要求。比如：对于A类放大器，由于晶体管的工作区域线性度较高，而且输入信号的整个周期都得到完整的放大，所以有良好的线性度，但是由于负载的耗损与阻抗的失配，其效率一般在30%左右；对于B类放大器，晶体管只在半个周期内处于导通状态，其线性度较A类放大器要下降，而效率要相应的提高，理论上可达到78.5%；对于C类放大器，晶体管仅在小半个周期内处于导通状态，输出电流的直流成分和基频成分都很小，所以它的线性度很差，而效率却很高，理论上可达到100%。

近年来，随着人们对放大器效率的大量研究，不少高效率功放模型浮现出来。主要是开关类放大器：D类放大器的晶体管工作在开关状态，其电路结构类似于推挽式放大器，由两个晶体管交替工作在截止与饱和状态，在整个工作周期内晶体管的漏极电压与电流都不可能同时出现非零值，所以它在理想情况下效率可达到100%；E类放大器一般模型由一个串联LCR（电感-电容-电阻）回路和一个与晶体管并联的电容构成，由于流过射频

扼流的电流必然为直流，而负载调谐网络的电流必然是正弦波，因此两者的电流之和必然流入并联电感与开关部分，当晶体管处于导通状态时，电流将全部流入晶体管，而当晶体管处于截止状态时，电流将全部流过并联的电容，晶体管的电流与电压非零值在整个周期都不会同时出现，这说明100%的直流功率都转变成交流；F类的思想是通过加大输入信号幅度使放大器工作在过激励状态，在输出端的电流博形就会有很多谐波分量，同时设计合适的输出匹配网络控制输出电流与电压的谐波，使其对其次谐波呈开路，对偶次谐波呈短路，得出输出电压趋近于方波，输出电流趋近于半正弦波，到达抑制谐波提高效率，理论上谐波可到100%。但是这些功放都因为其有限的线性度而不能被广泛应用。因此，设计一个高线性度和高效率性能的功率放大器已成为射频技术研究领域的重要课题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的的空缺，基于高效率功率放大器有较高的二次谐波和三次谐波的输出而使其线性度下降的缺陷，提出一种分频正反馈高线性度高效率的新型功率放大器电路，通过回收利用谐波使放大器在拥有很高的效率同时可以拥有极高的线性度。

本发明一种功率放大器，包括主电路、反馈一路和反馈二路；

所述的主电路包括第一输入匹配电路、第一输出匹配电路和偏置在B类功放芯片；反馈一路包括第二输入匹配电路、第二输出匹配电路和三分频器；反馈二路包括第三输入匹配电路、第三输出匹配电路和二分频器；

所述的第一输入匹配电路的输入端接输入信号端，第一输入匹配电路的输出端与偏置在B类功放芯片的射频信号输入端、第二输出匹配电路的输出端、第三输出匹配电路的输出端连接，偏置在B类功放芯片的输出端与第一输出匹配电路的输入端、第二输入匹配电路的输入端、第三输入匹配电路的输入端连接，第三输入匹配电路的输出端与二分频器的输入端连接，二分频器的输出端接第三输出匹配电路的输入端连接，第二输入匹配电路的输出端与三分频器的输入端连接，三分频器的输出端接第二输出匹配电路的输入端连接；

一种功率放大器的实现方法；具体包括以下步骤：

步骤一:射频信号f₀由输入端输入，经过第一输入匹配电路，实现信号的最佳效率传输，再由偏置在B类功放芯片放大，在偏置在B类功放芯片输出端产生放大后的f₀ 信号以及二次谐波信号2f₀和三次谐波信号3f₀，

步骤二：f₀ 信号由第一输出匹配电路输出，实现最佳效率传输。

步骤三：二次谐波信号2f₀由第三输入匹配电路输入，经过二分频器分频成基波信号f₀，由第三输出匹配电路反馈到功放管的输入端。

步骤四：三次谐波信号3f₀由第二输入匹配电路输入，经过三分频器分频成基波信号f₀，由第二输出匹配电路反馈到功放管的输入端。

步骤五：反馈回来的信号再由偏置在B类功放芯片放大输出；

步骤六：偏置在B类功放芯片放大输出信号重复步骤二～步骤五。

本发明的有益效果：

    本发明在偏置在B类功放芯片输入输出端分别连接一个二分频器和三分频，形成两个正反馈电路，使功放芯片输出信号中的二次谐波和三次谐波分别经过分频器转化成基波，再反馈到芯片的输入端，不仅消除了输出信号中的高次谐波，提了高线性度，而且偏置在B类的功率放大器使电路拥有很高的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种功率放大器，包括主电路、反馈一路和反馈二路；

所述的主电路包括第一输入匹配电路、第一输出匹配电路和偏置在B类功放芯片；反馈一路包括第二输入匹配电路、第二输出匹配电路和三分频器；反馈二路包括第三输入匹配电路、第三输出匹配电路和二分频器；

所述的第一输入匹配电路的输入端接输入信号端，第一输入匹配电路的输出端与偏置在B类功放芯片的射频信号输入端、第二输出匹配电路的输出端、第三输出匹配电路的输出端连接，偏置在B类功放芯片的输出端与第一输出匹配电路的输入端、第二输入匹配电路的输入端、第三输入匹配电路的输入端连接，第三输入匹配电路的输出端与二分频器的输入端连接，二分频器的输出端接第三输出匹配电路的输入端连接，第二输入匹配电路的输出端与三分频器的输入端连接，三分频器的输出端接第二输出匹配电路的输入端连接；

一种功率放大器的实现方法；具体包括以下步骤：

步骤一:射频信号f₀由输入端输入，经过第一输入匹配电路，实现信号的最佳效率传输，再由偏置在B类功放芯片放大，在偏置在B类功放芯片输出端产生放大后的f₀ 信号以及二次谐波信号2f₀和三次谐波信号3f₀，

步骤二：f₀ 信号由第一输出匹配电路输出，实现最佳效率传输。

步骤三：二次谐波信号2f₀由第三输入匹配电路输入，经过二分频器分频成基波信号f₀，由第三输出匹配电路反馈到功放管的输入端。

步骤四：三次谐波信号3f₀由第二输入匹配电路输入，经过三分频器分频成基波信号f₀，由第二输出匹配电路反馈到功放管的输入端。

步骤五：反馈回来的信号再由偏置在B类功放芯片放大输出；

步骤六：偏置在B类功放芯片放大输出信号重复步骤二～步骤五。

如图1所示，射频信号由Port1输入，Port2输出，其中B类功放芯片为偏置在B类功率放大器的芯片，第一输入匹配和第一输出匹配是芯片最佳传输效率阻抗匹配，它们组成电路的主路，第二、第三匹配电路分别是两个分频器的输入输出匹配网络，它们与两个分频器组成电路的反馈回路。

例：设计一个传统B类功率放大器，工作频率为2GHz，板材选用Rogers4350B（板厚为10mil，介电常数为3.48，铜厚1OZ，损耗角为0.003）。

首先对晶体管在2GHz时进行负载牵引，得到最佳效率负载阻抗和最佳效率源阻抗，然后设计好两个匹配电路，两个匹配电路是只允许2GHz通过，阻止4GHz和6GHz通过的带通滤波器。然后设计一个二分频器，并设计晶体管到它的匹配电路，二分频器的输入匹配电路是一种只允许4GHz通过，阻止2GHz和6GHz通过的带通滤波器，设计好的二分频器的输入端接在晶体管的输出端，输出端接在晶体管的输入端。同理将三分频器和它的匹配电路设计好以同样的方式接到晶体管两端，三分频器的输入匹配电路是一种只允许6GHz通过，阻止2GHz和4GHz通过的带通滤波器。将整个电路连好进行谐波平衡仿真，比较加入分频器的放大器和普通放大器的仿真结果，就可以清楚地看出本发明的放大器线性度和效率都能达到很高。

Claims (2)

1.一种功率放大器，其特征在于：包括主电路、反馈一路和反馈二路；

所述的主电路包括第一输入匹配电路、第一输出匹配电路和偏置在B类功放芯片；反馈一路包括第二输入匹配电路、第二输出匹配电路和三分频器；反馈二路包括第三输入匹配电路、第三输出匹配电路和二分频器；

所述的第一输入匹配电路的输入端接输入信号端，第一输入匹配电路的输出端与偏置在B类功放芯片的射频信号输入端、第二输出匹配电路的输出端、第三输出匹配电路的输出端连接，偏置在B类功放芯片的输出端与第一输出匹配电路的输入端、第二输入匹配电路的输入端、第三输入匹配电路的输入端连接，第三输入匹配电路的输出端与二分频器的输入端连接，二分频器的输出端接第三输出匹配电路的输入端连接，第二输入匹配电路的输出端与三分频器的输入端连接，三分频器的输出端接第二输出匹配电路的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种功率放大器的实现方法；具体包括以下步骤：

步骤一:射频信号f₀由输入端输入，经过第一输入匹配电路，实现信号的最佳效率传输，再由偏置在B类功放芯片放大，在偏置在B类功放芯片输出端产生放大后的f₀ 信号以及二次谐波信号2f₀和三次谐波信号3f₀，

步骤二：f₀ 信号由第一输出匹配电路输出，实现最佳效率传输；

步骤三：二次谐波信号2f₀由第三输入匹配电路输入，经过二分频器分频成基波信号f₀，由第三输出匹配电路反馈到功放管的输入端；

步骤四：三次谐波信号3f₀由第二输入匹配电路输入，经过三分频器分频成基波信号f₀，由第二输出匹配电路反馈到功放管的输入端；

步骤五：反馈回来的信号再由偏置在B类功放芯片放大输出；

步骤六：偏置在B类功放芯片放大输出信号重复步骤二～步骤五。