CN106301254B - 一种高效宽带有序的谐波匹配结构及其谐波控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效宽带有序的谐波匹配结构及其谐波控制方法，一种高效宽带有序的谐波匹配结构，包括谐波控制电路和基波匹配电路，功率放大器的输出信号经所述谐波控制电路和基波匹配电路加载到负载端，所述谐波控制电路包括N个十字形匹配结构，每个十字形匹配结构形成λ/4微带线并有序串行连接，直至第N十字形匹配结构的输出端与所述基波匹配电路的输入端相连接，所述基波匹配电路的输出端与负载端相连接。相对于现有技术，本发明提供的高效宽带有序的谐波匹配结构，将现有以中心频率的谐波控制结构扩展为对不同频率点谐波进行控制，在保持功放高效率的情况下拓展带宽，极大提升了放大器的整体带宽。

Description

一种高效宽带有序的谐波匹配结构及其谐波控制方法
技术领域
本发明涉及射频通讯技术领域，尤其涉及一种高效宽带有序的谐波匹配结构及其谐波控制方法。
背景技术
近年来，无线通信技术得到了很大的发展，调制方式也日趋复杂。功率放大器，作为发射机中的末级模块，是整个射频系统中功耗最大的部件，它的主要作用是对前级输出的信号进行功率放大，然后将放大后的信号送给天线进行发射。由于功率放大器会消耗很大的直流功率，同时通信设备工作的频带资源很紧缺，因此效率和带宽是功率放大器设计时首先要考虑的重要指标，但现有技术的功率放大器效率高但是频带很窄，频带宽效率又很低。
现有技术的功率放大器可分为甲类功放(又称A类)、乙类功放(又称B类)、甲乙类功放(又称AB类)，C类功放和F类功放。甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，但是无法扩宽带宽。F类理论效率100％，但是需要控制所有的高次谐波难度很高带宽又很窄，因此无法得到广泛应用，如何在保证F类功率放大器高效率的同时进一步扩宽带宽是一个亟待解决的问题。
现有技术F类功率放大器匹配时只是对中心频率进行最优匹配，也即通常只是在史密斯原图上进行单频点匹配，然后在调节整个匹配电路以达到宽带高效的作用，这个调节过程没有理论支撑，通常是根据经验调节，然后仿真或实测进行验证，设计难度比较大。而根据经典的传输线理论可知，当工作频率偏移中心频率时，相应的输出阻抗亦会偏移最优值，造成放大器性能的衰减，这必将会对功率放大器的效率产生极大的影响，从而本领域普通技术人员通常认为现有技术EF类功率放大器不适宜做宽带，而只能进行窄带设计。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效宽带有序的谐波匹配结构及其谐波控制方法，通过采用有序的十字形匹配结构对不同频率(f0、f1、f2...fn)处的谐波进行控制，从而保持高效率的同时能够通过匹配不同中心频率处的高次谐波来扩宽功放的带宽，以解决上述问题。
为了克服现有技术的缺陷，本发明采用以下技术方案：
一种高效宽带有序的谐波匹配结构，包括谐波控制电路和基波匹配电路，功率放大器的输出信号经所述谐波控制电路和基波匹配电路加载到负载端，所述谐波控制电路包括N个十字形匹配结构，每个十字形匹配结构形成λ/4微带线并有序串行连接，其中，第一十字形匹配结构的输入端与功率放大器的输出端相连接，所述第一十字形匹配结构的输出端与第二十字形匹配结构的输入端相连接，第二十字形匹配结构的输出端与第三十字形匹配结构的输入端，依次有序串行连接，直至第N十字形匹配结构的输出端与所述基波匹配电路的输入端相连接，所述基波匹配电路的输出端与负载端相连接；
任一个十字形匹配结构用于匹配与其相对应的频率点的谐波控制，包括第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3，其中，N为任何大于0的自然数，所述第N1微带线TLN1用于二次谐波控制，所述第N2微带线TLN2用于三次谐波控制，所述第N3微带线TLN3用于级间调谐；所述第N1微带线TLN1的一端与所述第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的一端相连接，所述第N1微带线TLN1的另一端与地端短接，所述第N2微带线TLN2的另一端开路，任一个十字形匹配结构中各微带线的电长度关系为：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12，调节第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的阻抗值使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配；
所述基波匹配电路采用阶跃微带匹配结构。
优选地，所述第N1微带线TLN1和第N2微带线TLN2关于基波匹配电路平面对称。
优选地，所述谐波控制电路根据实际信号频率带宽添加多个不同频率点的十字形匹配结构。
优选地，十字形匹配结构的个数为3至10之间。
优选地，所述功率放大器采用晶体管实现。
优选地，所述负载阻抗为50欧。
为了克服现有技术缺陷，本发明还提出了一种高效宽带有序的谐波控制方法，包括以下步骤：
步骤1：调试一个标准的功率放大器；
步骤2：根据实际信号带宽需求，选取N个合适的频率点；
步骤3：在所述功率放大器的输出端加载谐波匹配结构，所述谐波匹配结构至少包括N个十字形匹配结构并有序串行连接，使每个十字形匹配结构形成λ/4微带线，用于将其对应的频率点处二次谐波和三次谐波抑制；
步骤4：调节每个十字形匹配结构的参数从而匹配到电抗线使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配。
优选地，所述谐波匹配结构包括谐波控制电路和基波匹配电路，功率放大器的输出信号经所述谐波控制电路和基波匹配电路加载到负载端，所述谐波控制电路包括N个十字形匹配结构，每个十字形匹配结构形成λ/4微带线并有序串行连接，其中，第一十字形匹配结构的输入端与功率放大器的输出端相连接，所述第一十字形匹配结构的输出端与第二十字形匹配结构的输入端相连接，第二十字形匹配结构的输出端与第三十字形匹配结构的输入端，依次有序串行连接，直至第N十字形匹配结构的输出端与所述基波匹配电路的输入端相连接，所述基波匹配电路的输出端与负载端相连接；
任一个十字形匹配结构用于匹配不同频率点的谐波控制，包括第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3，其中，N为任何大于0的自然数，所述第N1微带线TLN1用于二次谐波控制，所述第N2微带线TLN2用于三次谐波控制，所述第N3微带线TLN3用于级间调谐；所述第N1微带线TLN1的一端与所述第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的一端相连接，所述第N1微带线TLN1的另一端与地端短接，所述第N2微带线TLN2的另一端开路，任一个十字形匹配结构中各微带线的电长度关系为：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12，调节第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的阻抗值使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配；
所述基波匹配电路采用阶跃微带匹配结构。
相对于现有技术，本发明提供的高效宽带有序的谐波匹配结构及其谐波控制方法，将现有以中心频率的谐波控制结构扩展为对不同频率点谐波进行控制，可以应用于各种功率放大器；本发明在保持高效率的情况下，利用多级谐波匹配来抑制二次和三次谐波为功放提供足够高的效率和宽带；同时具有有序匹配特性，使谐波匹配变得更加容易。
附图说明
图1是本发明高效宽带有序的谐波匹配结构的框图。
图2是史密斯圆图上理论计算得出的最佳阻抗线。
图3是本发明高效宽带有序的谐波匹配结构中基波匹配结构的拓扑结构图。
图4是本发明实施方式的实测效果图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
随着功率放大器技术的不断进步，其效率和带宽也不断提高和扩宽，比如，F类延续出来的连续F类，已经得到越来越多的青睐。在对谐波进行控制时，本领域普通技术人员对其改进时，也试图采用连续F类的思想对现有的单频点谐波控制结构进行改进，但是连续F类思想结构需要通过拟合算法进行计算，过程特别复杂，使效率和带宽无法达到理想的效果。
针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中谐波匹配结构进行了深入的研究，申请人发现现有的谐波控制结构都是进行单频点的谐波控制，并未考虑多频点控制对效率和带宽的影响，从而造成现有技术功率放大器只能进行窄带设计。
同时，现有技术在对谐波控制时，试图抑制所有高次谐波，从而导致谐波控制电路复杂，各次谐波控制相互影响在实际中调节参数非常困难。申请人在实验中发现，二次谐波和三次谐波对功率放大器的效率影响较大，而更高次(三次以上)的谐波控制对整个电路的性能影响不大从而还会加大电路的复杂程度。在不断的试验测试过程中，申请人发现，将单频点的谐波控制网络有序的进行逐一控制就能达到扩宽带宽的作用，同时基波匹配采用阶跃微带匹配能减小匹配电路的复杂程度。
参见图1，所示为本发明高效宽带有序的谐波匹配结构的框图，包括谐波控制电路和基波匹配电路，功率放大器的输出信号经谐波控制电路和基波匹配电路加载到负载端，谐波控制电路包括N个十字形匹配结构，每个十字形匹配结构形成λ/4微带线并有序串行连接，其中，第一十字形匹配结构的输入端与功率放大器的输出端相连接，第一十字形匹配结构的输出端与第二十字形匹配结构的输入端相连接，第二十字形匹配结构的输出端与第三十字形匹配结构的输入端，依次有序串行连接，直至第N十字形匹配结构的输出端与基波匹配电路的输入端相连接，基波匹配电路的输出端与负载端相连接。
根据λ/4微带线理论，理论上只需要将需要频段内的所有频点处的二次谐波匹配到短路、三次谐波匹配到开路即可使漏极电压电流不会同时出现，从而使漏极消耗的效率变为0，从而增大整个功率放大器的效率。因此，任一个十字形匹配结构用于匹配与其相对应的频率点的谐波控制，进一步包括第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3，其中，N为任何大于0的自然数，第N1微带线TLN1用于二次谐波控制，第N2微带线TLN2用于三次谐波控制，第N3微带线TLN3作为调优微带线，用于级间调谐，具有调优上一级匹配结构与下一级匹配结构之间的影响，充分发挥各级本身对高次谐波控制的作用；第N1微带线TLN1的一端与第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的一端相连接，第N1微带线TLN1的另一端与地端短接，第N2微带线TLN2的另一端开路，任一个十字形匹配结构中各微带线的电长度关系为：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12。
上述谐波控制匹配结构的原理为，利用四分之一波长阻抗变换原理，以上有叙述，这里主要进行谐波匹配有序性的原理进行解释：第一频率处(f1)微带线的电长度E11+E13＝λ/8、E12+E13＝λ/12，E11为控制二次谐波微带线的电长度，E12为控制三次谐波微带线的电长度，E,13为连接下级谐波匹配的调优微带线，这样经过调优微带线的作用可以使不同频率处的二次和三次谐波得到更好的控制，从而能同时保证高效率和宽带的效果，所以下一频率处的谐波控制结构也需要满足控制二次谐波的微带和三次谐波的微带与下一级连接的调优微带需要同时组合成λ/8、λ/12，从而能够满足四分之一波长阻抗变换理论，进一步拓展为可根据需要频带选择多个频率处进行谐波控制，已达到高效宽带的目的。
在实际操作过程中，为了进一步扩宽频带，经过大量的实践验证，只需要将二次谐波和三次谐波匹配到电抗线即可，电抗线即为史密斯圆图上最佳阻抗曲线，具体参见图2所示，最佳阻抗曲线可以通过理论计算获得。
进一步的，通过调节第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的阻抗值使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配，从而进一步扩宽频带。
本发明采用多频点匹配方式，由于通过多级十字形匹配结构，在一定程度上，加大匹配电路的复杂程度。本申请人充分考虑到这点，首先，放弃匹配所有高次谐波的技术方案，只进行二次谐波和三次谐波的控制，从而大大降低谐波控制的复杂度；其次，让谐波网络遵循规律，具有有序匹配特性，使匹配变得更加容易；同时基波匹配电路采用了阶跃微带基波匹配电路，从而减少了因加入不同频点的谐波控制电路对整个电路带来的影响，因而极大缩减了电路的的复杂程度。参见图3所示，本发明基波匹配电路的原理框图，阶跃式微带匹配是微带线一段段串联而成，没有任何并联枝节，进一步弥补了谐波控制结构给整个电路带了的影响。
本发明还提出了一种高效宽带有序的谐波控制方法，包括以下步骤：
步骤1：调试一个标准的功率放大器；
步骤2：根据实际信号带宽需求，选取N个合适的频率点；通常等间隔选取多个频率点；
步骤3：在所述功率放大器的输出端加载谐波匹配结构，所述谐波匹配结构至少包括N个十字形匹配结构并有序串行连接，使每个十字形匹配结构形成λ/4微带线，用于将其对应的频率点处二次谐波和三次谐波抑制；
步骤4：调节每个十字形匹配结构的参数从而匹配到电抗线使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配。
参见图4，所示为采用本发明进行谐波控制功率放大器的实测效果图，正方形表示为N＝1时的实测效果，圆形表示为N＝2时的实测效果，三角形表示为N＝3时的实测效果，从图4可以看出，通过添加不同频率处谐波控制匹配结构，采用本发明进行谐波控制的功率放大器的效率得到显著提高。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种高效宽带有序的谐波匹配结构，其特征在于，包括谐波控制电路和基波匹配电路，功率放大器的输出信号经所述谐波控制电路和基波匹配电路加载到负载端，所述谐波控制电路包括N个十字形匹配结构，每个十字形匹配结构形成λ/4微带线并有序串行连接，其中，第一十字形匹配结构的输入端与功率放大器的输出端相连接，所述第一十字形匹配结构的输出端与第二十字形匹配结构的输入端相连接，第二十字形匹配结构的输出端与第三十字形匹配结构的输入端，依次有序串行连接，直至第N十字形匹配结构的输出端与所述基波匹配电路的输入端相连接，所述基波匹配电路的输出端与负载端相连接；
任一个十字形匹配结构用于匹配与其相对应的频率点的谐波控制，包括第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3，其中，N为任何大于0的自然数，所述第N1微带线TLN1用于二次谐波控制，所述第N2微带线TLN2用于三次谐波控制，所述第N3微带线TLN3用于级间调谐；所述第N1微带线TLN1的一端与所述第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的一端相连接，所述第N1微带线TLN1的另一端与地端短接，所述第N2微带线TLN2的另一端开路，任一个十字形匹配结构中各微带线的电长度关系为：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12，调节第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的阻抗值使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配；
所述基波匹配电路采用阶跃微带匹配结构；
所述第N1微带线TLN1和第N2微带线TLN2关于基波匹配电路平面对称；
所述谐波控制电路根据实际信号频率带宽添加多个不同频率点的十字形匹配结构。
2.根据权利要求1所述高效宽带有序的谐波匹配结构，其特征在于，十字形匹配结构的个数为3至10之间。
3.根据权利要求1所述高效宽带有序的谐波匹配结构，其特征在于，所述功率放大器采用晶体管实现。
4.根据权利要求1所述高效宽带有序的谐波匹配结构，其特征在于，所述负载阻抗为50欧。
5.一种高效宽带有序的谐波控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调试一个标准的功率放大器；
步骤2：根据实际信号带宽需求，选取N个合适的频率点；
步骤3：在所述功率放大器的输出端加载谐波匹配结构，所述谐波匹配结构至少包括N个十字形匹配结构并有序串行连接，使每个十字形匹配结构形成λ/4微带线，用于将其对应的频率点处二次谐波和三次谐波抑制；
步骤4：调节每个十字形匹配结构的参数从而匹配到电抗线使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配。
6.根据权利要求5所述的高效宽带有序的谐波控制方法，其特征在于，所述谐波匹配结构包括谐波控制电路和基波匹配电路，功率放大器的输出信号经所述谐波控制电路和基波匹配电路加载到负载端，所述谐波控制电路包括N个十字形匹配结构，每个十字形匹配结构形成λ/4微带线并有序串行连接，其中，第一十字形匹配结构的输入端与功率放大器的输出端相连接，所述第一十字形匹配结构的输出端与第二十字形匹配结构的输入端相连接，第二十字形匹配结构的输出端与第三十字形匹配结构的输入端，依次有序串行连接，直至第N十字形匹配结构的输出端与所述基波匹配电路的输入端相连接，所述基波匹配电路的输出端与负载端相连接；
任一个十字形匹配结构用于匹配不同频率点的谐波控制，包括第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3，其中，N为任何大于0的自然数，所述第N1微带线TLN1用于二次谐波控制，所述第N2微带线TLN2用于三次谐波控制，所述第N3微带线TLN3用于级间调谐；所述第N1微带线TLN1的一端与所述第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的一端相连接，所述第N1微带线TLN1的另一端与地端短接，所述第N2微带线TLN2的另一端开路，任一个十字形匹配结构中各微带线的电长度关系为：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12，调节第N1微带线TLN1、第N2微带线TLN2和第N3微带线TLN3的阻抗值使其匹配到电抗线，从而实现不同频率点的谐波匹配；
所述基波匹配电路采用阶跃微带匹配结构。
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