CN106026950A - 一种并发结构功率放大器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于无线通信系统中的并发结构功率放大器及其设计方法。该并发结构功率放大器，包含有N个并联的通路，2≤N，每个通路分别包含依次连接的输入滤波器模块，单管放大器模块和输出滤波器模块。输入滤波器模块实现清除功率放大器工作频率外的信号。输出滤波器模块实现各路之间信号的输出隔离和消除串扰。应用本发明，能够设计出并发结构的非单带功率放大器，并实现简洁的匹配网络设计，可媲美窄带的实现效果，充足的非单带并发输出功率，对谐波的灵活控制。

Description

一种并发结构功率放大器及其设计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于无线通信系统中的并发结构功率放大器及其设计方法。

背景技术

在无线通信系统中，发射机中功率放大器的作用越来越重要，而功率、带宽、效率增益、线性度始终是功率放大器最关键的因素。随着无线通信系统的急速发展，对于功率放大器的要求也日益增多，如线性功放、宽带功放、高回退功放等等。

近年来，现代通信系统的引入极大的推进了双带功率放大器的发展，尤其是工作于基站的功率放大器。双带功放的应用，对于硬件及软件产生了极大的节省，这些又反过来推动了学者们对于无线通信系统中双带功率放大器的研究。

很多学者在研究多带功放，也取得了很多成果。与宽带功放相比，宽带功放很难在一个宽的频带范围内实现对每一个频点的最优匹配，而且并非整个带宽内均是通信系统的使用频点，而双带功放提供了一个在限制频带内对双拼载波最优控制的一个解决方案，从而可以使通信系统在两个通带内获得更好的效果以提升整个系统的性能。此外，在多模多带电路系统中，多带功放更具有优势，尤其是系统不同通带相差较远的情况。

对于传统双带功放，当双载波信号同时被施加晶体管上之后，相应的交调分量(f2-f1,2f2-f1,2f1-f2)将会产生，对这些交调分量的控制只能是在损失合理控制基波和谐波分量的前提下才能实现的。另外一旦输入的双载波信号的频率正好是呈整数倍的关系，那么谐波的控制也将是一大难题。

即便双带功放仅涉及两个工作频段，但是在实际应用中，若仅考虑基波和二次谐波时，双带功率放大器的输出匹配网络应当至少在四个频点满足最优阻抗。同时，在射频天线之前，谐波就应当被抑制。对于传统双带功放而言，就意味着在至少四个频点实现最优阻抗匹配，并抑制谐波的输出匹配网络是很难实现的，尤其是当双带功放的一个通带的谐波频率与另一个通带的基波频率接近甚至重合的情况，即使实现，也是在损失功率放大器的其他指标为代价的前提下实现的。

现有的双带功率放大器技术如：X.Fu,D.Bespalko,and S.Boumaiza,”Noveldual-band matching network for effective design of concurrent dual-band poweramplifiers,”IEEE Trans.Circuits Syst.I,Reg.Papers,vol.61,no.1,pp.293-301,Jan2014.中所报道，两个通带分别为0.8GHz和1.9GHz，增益分别为11dB和10dB，两个通带内输出功率均为46dBm，饱和效率均为68％。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为实现简洁的匹配网络设计方法，优异的技术效果，充足的非单带并发输出功率，对谐波的灵活控制。本发明提出了一种并发结构功率放大器及其设计方法。

该并发结构功率放大器，包含有N个并联的通路，2≤N，每个通路分别包含依次连接的输入滤波器模块，单管放大器模块和输出滤波器模块。

所述输入滤波器模块，由一个滤波器构成，用于分离输入信号的频段，实现信号的分离并分配到对应频率的单管功率放大器的输入匹配网络，来确保滤除该路功率放大器工作频率外的信号。

所述单管放大器模块是传统单带结构的单管功率放大器，包括输入匹配网络，一个晶体管，输出匹配网络。晶体管与输入滤波器模块的应用频率对应。

所述输出滤波器模块，由一个滤波器构成，用于各路之间不同频率信号的输出隔离并消除串扰。

上述N个通路的输入滤波器模块构成输入滤波网络，经整合端接信号输入端；输出滤波器模块构成输出滤波网络，经整合端接信号输出端。

其信号传递过程为：

输入信号首先经过信号输入端传至输入滤波网络，输入滤波网络中的各频段输入滤波器模块把输入信号按频段进行分离。

接下来，分离后的信号将被并行分配到相应频率单管功率放大器输入匹配网络，分别用于对应频段功率放大器的输入匹配，匹配网络用于放大器的输入匹配，以实现最大能量传输，再经对应频段的功率放大器输出匹配网络传出。

然后，输出匹配网络的输出信号分别进入对应频段的输出滤波器模块，以实现各路之间信号的输出隔离、消除串扰以及信号合成。

最后各路并行信号在信号输出端实现合成。

其设计方法包括：

步骤1、设计输入滤波网络L₁～L_N分离输入信号中的各频段，实现信号的分离并分配到相应频率功率放大器的输入匹配网络，L_N为支路N的输入滤波器模块；

步骤2、A₁～A_N分别作为相应频段信号的单管放大器模块。

步骤3、设计输出滤波网络H₁～H_N用于各路之间不同频率信号的输出隔离，消除各路之间的信号串扰，H_N为支路N的输出滤波器模块。

步骤4、将输入滤波器模块、单管放大器模块和输出滤波器模块依次按照L_M-A_M-H_M对应级联构成各个通路，再将各通路并联，其中1≤M≤N，2≤N。

步骤5、将各通路并联后，输入滤波网络的整合端接信号输入端，输出滤波网络的整合端接信号输出端。

本发明的并发结构功率放大器通过在各路的输入端口处分别设置输入滤波器，来隔离其余频段的信号以保证每一路仅有该路频段的信号可以进入，并在各路的输出端口处设置滤波器用于各路之间不同频率信号的输出隔离并消除串扰。通过这种设计的方法，并发功率单管放大器的各路可以分别进行设计，以在每个通带均实现可以媲美窄带功放的效果。

首先，对于谐波的更好抑制。整个并发结构功率放大器包含有N个通路，每个通路分别包含一个独立设计工作在相应频段的单管放大器，以及两个对应的滤波器，来确保滤除该路单管功率放大器工作频率外的信号。因此，放大器产生的谐波信号可以更好的得到抑制，而交调分量则根本不会产生。

其次，每路两个滤波器可对每路的单管功率放大器进行单独设计而互不影响，使得该并发结构N带功放中每路功放的设计效果和一般单带功放所能达到的效果相当从而提升N带功放的性能。

最后，当在该并发结构功率放大器的输入端施加N带并发的情况下，该并发结构功率放大器比一般N带结构功率放大器能保证更加稳定的放大器增益与输出功率，尤其是输入的N带信号均为大功率信号时，该结构所能提供的输出功率是一般N带结构功率放大器的N倍。

为了抑制交调分量和二次谐波，并发结构N带功率放大器每一路的输入输出匹配网络模块都加入了滤波网络模块。滤波网络模块分为两类，一类是输入滤波网络模块；另一类是输出滤波网络模块。输入滤波网络模块的功能就是阻止N带信号的其余带宽信号进入当前的通路；输出滤波网络则是为了抑制谐波分量，并阻止输出信号之间的互相影响。

综上所述，本发明的效果是：简洁的匹配网络设计方法，可媲美窄带的实现效果，充足的非单带并发输出功率，对谐波的灵活控制。

附图说明

图1是传统N带功率放大器的结构框图；

图2是本发明并发结构功率放大器的结构示意图；

图3是实施例的应用实例；

图4是实施例的结构框图；

图5是实施例输出滤波器模块的详细结构示意图；

图6是实施例单音信号的测试结果图；

图7是实施例双带并发信号的测试结果图；

附图标记：输入滤波器模块-100、输入匹配网络模块-200、功率放大器模块-300、输出匹配网络模块-400、输出滤波器模块-500、单管放大器模块-A。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案更加明确清晰，在下文中，将参照本发明中的附图，以一个双带功率放大器的具体应用为实例，对本发明所提出的拓扑结构和技术的具体实施应用方式做出详细阐述。

传统双带功率放大器的框图结构如图1所示；本实施例的结构如图4所示。

输入滤波器模块包括低频输入滤波器模块L1和高频输入滤波器模块L2实现信号的高低频分离，再并行分配至放大器模块A1。

输出滤波器模块包括低频输出滤波器模块H1和高频输出滤波器模块H2实现信号的输出隔离和消除串扰。

信号输出端实现两路并行信号的合成。

以图2中本发明并发结构功率放大器的结构示意图来做信号传输过程的详细说明。

低频放大电路和高频放大电路又可分别按结构细分为：低频输入滤波器模块101、低频输入匹配网络模块201、低频功率放大器模块301、低频输出匹配网络模块401、低频输出滤波器模块501和高频输入滤波器模块102、高频输入匹配网络模块202、高频功率放大器模块302、高频输出匹配网络模块402、高频输出滤波器模块502。

输入信号首先经过输入滤波网络100，输入滤波网络100中的低频输入滤波器模块101和高频输入匹配网络模块102把输入信号中的低频部分和高频部分进行分离；接下来，分离后的信号将被并行分配到相应频率功率放大器的低频输入匹配网络模块201和高频输入匹配网络模块202，分别用于低频功率放大器和高频功率放大器的输入匹配，匹配网络用于放大器的输入匹配，以实现最大能量传输；然后分别依次级联功率放大器301及低频输出匹配网络401和功率放大器302及高频输出匹配网络402；之后，低频输出匹配网络模块401和高频输出匹配网络模块402的输出信号分别进入低频输出滤波器模块501和高频输出滤波器模块502，以实现两路之间信号的输出隔离、消除串扰。最后两路并行信号在信号的输出端实现合成。

以一个0.9GHz/1.8GHz的并发结构双带功率放大器的设计与测试为例，进行设计步骤阐述。其版图结构如图3所示。

为了更好的体现本发明所提结构对谐波的抑制作用，实例所选频段的高频是低频的两倍。本实施例的结构框图如图4所示。

如果1.8GHz的信号在进入低频电路之前全部被输入滤波器L1所滤除，那么功率放大器1将不会产生交调产物，另外输出端口的滤波器也可以抑制谐波。

在Ja节点处输入阻抗可以表示为：

其中，β为传播常数，l为传输线的长度。

理想无耗传输线的传输矩阵可以描述为：

$\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\β}l& {\mathrm{jZ}}_0\sin \mathrm{\β}l\\ j\frac{1}{Z_0}\sin \mathrm{\β}l& \cos \mathrm{\β}l\end{array}\right]$

那么，Jc处的输入阻抗Z_in1,b可以通过计算得到：

同样的，在0.9GHz的频点，当输入阻抗在节点Jb处Z_in2,b＝0时，节点Jc处Z_in2,b＝∞。这就意味着，这两个工作频段是相互独立的，它们的基波信号不会相互干扰，并且它们所传输的能量可以全部施加于负载之上。

通过上述的分析，如图5所示为本发明所提出的新型并发结构双带功率放大器拓扑结构实施例的输出滤波器模块的详细结构。

输入滤波网络L1由一段四分一波长的开路线和一段四分之一波长的传输线构成。那么，在0.9Ghz处满足Z_in2,a＝∞，在1.8Ghz处满足Z_in1,a＝∞.通过该种设计方法，0.9Ghz的低频信号和1.8Ghz的高频信号在进入它们分别的匹配网络之前就已经完全隔离开了，这样就可以对低频和高频的输入匹配网络分别进行设计而不互相影响。

图6、图7分别是本发明所提出拓扑结构实例单音信号和双带并发信号的测试结果图。

表1

*1：单音测试模式；*2：双带并发模式；*3：此处漏极效率的测试点为输出功率0.8dB压缩点。

表1为本发明所提出拓扑结构应用实例的实际测试结果，与现有技术所报道双带功放的对比，本发明所提出拓扑结构应用实例有着明显的优势，尤其是在增益和漏极效率等参数上。

Claims (3)

1.一种并发结构功率放大器，包含有N个并联的通路，2≤N，其特征在于：

每个通路分别包含依次连接的输入滤波器模块，单管放大器模块和输出滤波器模块；

所述输入滤波器模块，由一个滤波器构成，用于分离输入信号的频段，实现信号的分离并分配到对应频率单管功率放大器的输入匹配网络，来确保滤除该路功率放大器工作频率外的信号；

所述单管放大器模块是传统单带结构的单管功率放大器，包括依次级联的输入匹配网络，一个晶体管和输出匹配网络；晶体管与输入滤波器模块的应用频率对应；

所述输出滤波器模块，由一个滤波器构成，实现各路之间不同频率信号的输出隔离并消除串扰；

上述N个通路的输入滤波器模块构成输入滤波网络，经整合端接信号输入端，输出滤波器模块构成输出滤波网络，经整合端接信号输出端。

2.如权利要求1所述并发结构功率放大器，其信号传递过程为：

输入信号首先经过信号输入端传至输入滤波网络，输入滤波网络中的各频段输入滤波器模块把输入信号按频段进行分离；

接下来，分离后的信号将被并行分配到相应频率单管功率放大器输入匹配网络，分别用于对应频段功率放大器的输入匹配，匹配网络用于放大器的输入匹配，以实现最大能量传输，再经对应频段的功率放大器输出匹配网络传出；

然后，输出匹配网络的输出信号分别进入对应频段的输出滤波器模块，以实现各路之间信号的输出隔离、消除串扰以及信号合成；

最后各路并行信号在信号输出端实现合成。

3.如权利要求1所述并发结构功率放大器，其设计方法包括以下步骤：

步骤1、设计输入滤波网络L₁～L_N分离输入信号中的各频段，实现信号的分离并分配到相应频率功率放大器的输入匹配网络，L_N为支路N的输入滤波器模块；

步骤2、A₁～A_N分别作为相应频段信号的单管放大器模块；

步骤3、设计输出滤波网络H₁～H_N用于各路之间不同频率信号的输出隔离，消除各路之间的信号串扰，H_N为支路N的输出滤波器模块；

步骤4、将输入滤波器模块、单管放大器模块和输出滤波器模块依次按照L_M-A_M-H_M对应级联构成各个通路，再将各通路并联，其中1≤M≤N，2≤N。

步骤5、将各通路并联后，输入滤波网络的整合端接信号输入端，输出滤波网络的整合端接信号输出端。