CN106685443B - 一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器 - Google Patents

一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器 Download PDF

Info

Publication number
CN106685443B
CN106685443B CN201710003228.XA CN201710003228A CN106685443B CN 106685443 B CN106685443 B CN 106685443B CN 201710003228 A CN201710003228 A CN 201710003228A CN 106685443 B CN106685443 B CN 106685443B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power amplifier
circuit
load modulation
active load
impedance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710003228.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106685443A (zh
Inventor
游飞
李朔
何松柏
李川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201710003228.XA priority Critical patent/CN106685443B/zh
Publication of CN106685443A publication Critical patent/CN106685443A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106685443B publication Critical patent/CN106685443B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/02—Transmitters
    • H04B1/04—Circuits
    • H04B1/0458—Arrangements for matching and coupling between power amplifier and antenna or between amplifying stages
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/02—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
    • H03F1/0205—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
    • H03F1/0211—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers with control of the supply voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/42—Modifications of amplifiers to extend the bandwidth
    • H03F1/48—Modifications of amplifiers to extend the bandwidth of aperiodic amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/24—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/451—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a radio frequency amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/02—Transmitters
    • H04B1/04—Circuits
    • H04B2001/0408—Circuits with power amplifiers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

该发明公开了一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器，属于发射机中宽带高效率功率放大器的关键技术。本发明功率放大器中提供一种有源负载阻抗调制方法，间接通过匹配网络使晶体管在工作带宽内的得到最佳负载阻抗。根据Doherty功放的应用经验，采用有源负载调制技术可以人为改变电路中某个节点的视入阻抗。因此，该技术也可以用于消除功放在超宽带工作时无源网络匹配的阻抗误差，辅助实现功放端面所需要的最佳阻抗。从而实现了该功率放大器能工作于更宽的带宽和更宽带宽内的高效率。

Description

一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器
技术领域
本发明研究发射机中宽带高效率功率放大器的关键技术，提供宽带高效率功率放大器的最新方法。
背景技术
随着电子系统的发展，对发射机的效率、带宽及软件可配置的要求变高。由于功率放大器的设计具有功率、带宽、效率与线性指标相互制约的特点，既有发射机结构难以满足系统的最理想要求。因此，实现理想发射机的难点主要集中在以功率放大器为基础的结构设计和分析理论上，这也是高性能软件可配置射频的最大障碍之一。
宽带高效率发射机的研究主要分为3个方面：一是基于传统发射机结构的高效率功放类型研究及宽带负载匹配网络设计方法；二是新型高效率发射机结构，包括采用多个放大支路或幅相分离放大的方法，例如文献C.Hyunseok,L.Yumi and H.Songcheol，ADigital Polar CMOS Power Amplifier With a 102-dB Power Dynamic Range Using aDigitally Controlled Bias Generator，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，2014，62(3)：579-589中的极坐标发射机；三是发射机的集成电路新结构，主要是基于RF CMOS，GaAs、GaN MMIC等工艺产生的新结构。
基于传统发射机结构的宽带高效率功放研究一般采取拓展经典高效率功放负载网络匹配带宽的技术路线。经典的高效率功放类型包括谐波控制类功放，如文献A.Jain,P.R.Hannurkar,S.K.Pathak,D.K.Sharma and A.K.Gupta，Investigation of class Jcontinuous mode for high-power solid-state RF amplifier，IET Microwaves,Antennas&Propagation，2013，7(8)：686-692。
[8]Y.Leng,Z.Yun,Z.Lijun,Z.Guoliang,P.Yatao,G.Jin and Y.Yuepeng，AnExtended Topology of Parallel-Circuit Class-E Power Amplifier UsingTransmission-Line Compensation，IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques，2013，61(4)：1628-1638，中的Class-J。这类功放类型在1-4GHz频段内放大单音信号时，均能达到70％左右的漏极效率。如果可以容忍一定程度的效率降低，并采用最佳负载阻抗优化、实频技术等方法基本能够实现倍频程的工作带宽和大于40％的漏极效率[9]。
例如，CGH40010F晶体管在1GHz-6GHz保证39.3dBm以上输出功率和60％以上PAE的最佳基波负载阻抗如附图1实线所示。结果表现出较强的非解析性，采用普通阻抗匹配网络(附图1虚线所示)基本只能做到窄带匹配(附图1中3.5GHz附近)，即使采用宽带网络(附图1中点划线所示，可做到覆盖2.5-5GHz的宽带匹配)也难以全部覆盖。文献[1]S.Balasubramanian,S.Boumaiza,H.Sarbishaei,T.Quach,P.Orlando,J.Volakis,G.Creech,J.Wilson and W.Khalil，Ultimate Transmission，IEEE Microwave Magazine，2012，13(1)：64-82，[2]W.Burger and U.Nickel，Space-time adaptive detection forairborne multifunction radar，IEEE Radar Conference，1-5，2008中功率放大器设计的典型结构如附图2所示：包括如下基本模块单元：偏置网络、输入输出匹配网络、功率晶体管，要想实现宽带高效率的射频功率放大器设计，人们通常从输入输出匹配网络出发，考虑优化匹配网络设计，使尽可能宽的频带范围内的阻抗变化处近于晶体管阻抗的高效率区。采用无源网络(包括集总参数LC网络和分布式参数微带线网络等)作为功率放大器的输出匹配网络是常见技术手段。与具备成熟理论的宽带滤波器设计目标不同，高效率功率放大器在较宽工作频带内的最佳负载阻抗表现出的变化趋势通常是非解析函数的形式，仅使用无源网络来逼近跨多倍频程的最佳阻抗变化具有较大难度。当前成功设计的、跨倍频程的宽带高效率功率放大器，均需要容忍带内一定程度的性能波动和退化。要实现跨多倍频程的带宽，无源网络的设计与优化往往无解。
发明内容
本发明克服传统设计中无源匹配网络设计的弊端，提供一种包括有源负载调制的功率放大器，解决带宽更宽，效率更高的问题。
本发明功率放大器中提供一种有源负载阻抗调制方法，间接通过匹配网络使晶体管在工作带宽内的得到最佳负载阻抗。根据Doherty功放的应用经验，采用有源负载调制技术可以人为改变电路中某个节点的视入阻抗。因此，该技术也可以用于消除功放在超宽带工作时无源网络匹配的阻抗误差，辅助实现功放端面所需要的最佳阻抗。
因而本发明的技术方案是一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器，该放大器包括：传统功率放大器电路，其特征在于还包括有源负载调制电路，该有源负载调制电路通过电流求和节点向功率放大电路输入电流信号，改变电路输出节点的视入阻抗。
进一步的，所述功率放大电路包括：耦合器、匹配输入、功放、匹配输出、偏置电路，输入信号依次经过耦合器、匹配输入、功放、匹配输出，偏置电路用于提供对功放的静态工作点；所述有源负载调制电路与功率放大电路中匹配输入、功放、匹配输出组成的电路并联，所述有源负载调制电路包括：衰减器、移相器、负载调制控制单元、有源负载调制器，该电路输入信号依次经过衰减器、移相器、有源负载调制器后输出，其中负载调制控制单元根据有源负载调制电路的输入信号对衰减器、移相器进行控制，所述有源负载调制器的作用为控制有源负载调制电路的电流输出大小。
本发明一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器，通过有源负载调制电路通过电流求和节点向功率放大电路输出端输入电流信号，调节放大电路的视入阻抗，使功放端面处于工作的最佳阻抗，从而实现了该功率放大器能工作于更宽的带宽和更宽带宽内的高效率。
附图说明
图1为CGH40010F晶体管在1-6GHz的最佳负载阻抗及无源网络效果示例。
图2为传统设计的宽带高效率功率放大器结构图。
图3为有源负载阻抗调制基本原理。
图4为有源负载调制系统框图。
图5为负载调制器完成电流源平面电流到负载接入点所需电流的变换过程示意图。
图6为不同频率下最佳输出阻抗和负载端面等效阻抗示意图。
图7为一种有源负载调制器幅相分离控制方案。
具体实施方式
本发明的技术方案是：有源负载阻抗调制的基本原理是通过电流求和节点来改变其中某端口的等效阻抗。如附图3所示，当调制器输出信号的频率与功放输出频率相同时，通过改变调制器输出电流Im可以对功放输出端口等效负载ZL1进行扰动，达到阻抗调制的目的。阻抗调制的目标是实现功放工作时所需的最佳阻抗ZLopt。最佳负载阻抗可按照效率、输出功率、线性等指标进行筛选，且根据确定的功放类型而有所不同，均可根据理论计算或者负载牵引方法来确定。本研究不预设高效率功放类型，有源负载调制拓宽带宽的原理应当适应所有类型功放。实际上在超宽带工作范围内保持单一功放类型的设计不易实现，只要能保持输出功率和效率在容差范围内，应当允许功放类型的不断切换。
该发明不仅可用于功率放大器的基波频率，同样对工作频率的各次谐波以及基波频率和谐波频率的任意频率组合适用，均可通过调制输出电流IM来改变输出端口等效阻抗ZL1，进而达到阻抗调制的目的。
为了验证本发明设计方法的可行性，下面给出一种该方法的具体设计，并进行电路模块详细阐述。
基于本发明阐述的设计方法设计的宽带高效率功率放大器如附图4所示，主要由下列部分组成：
传统功率放大器部分模块1：主要包括耦合器、输入匹配、功率晶体管、偏置电路和输出匹配网络。
有源负载调制器模块2：有源负载调制器包括可产生扰动电流的有源电路(例如晶体管，电流源等)和对矢量调制器信号进行应答的扰动电流调整电路。
负载调制器与功放的应用目的不同，功放是为了在带宽内输出较为恒定的功率，而本项目所采用的负载调制器只需要在工作频带内具有一定的电流提供能力，并不需要保持输出功率的恒定。晶体管在放大区工作时，其本身可以看做受输入电压控制的电流源，其电流源平面电流大小与负载无关。负载调制器输出网络的目的是完成电流源平面电流到负载接入点所需电流的变换过程。其基本实现原理和设计过程如附图5所示，根据负载扰动范围，首先确定调制节点所需要的最大调制电流IM，然后通过经典宽带低阶输出匹配网络的设计，将晶体管端面的最大调制电流IMODmax变换到调制节点。
负载调制控制单元模块3：根据不同频率点输出阻抗与晶体管端面最佳阻抗ZLopt的差值(如附图6所示)，对矢量信号调制器模块进行控制。晶体管的输出匹配所需的最佳阻抗随频率的变化而变化，负载调制控制单元完成将一定频率范围内的最佳输出阻抗与实际输出匹配的差值进行输出电流的幅相控制，分别针对不同的频率点对有源负载调制器进行补偿电流IM的调节，尽量减小晶体管最佳输出阻抗ZLopt和输出端口等效阻抗ZL1的差值，使功放向负载方向看过去阻抗随频率变化能一直呈现出最佳负载阻抗ZLopt。
矢量信号调制器模块4：可包括衰减器、移相器等电路模块，可采用模拟或数字控制的矢量调制器方案，分别为极坐标和笛卡尔坐标控制。首先对具有一定功率的射频输入信号RFin进行衰减,然后进行移相处理，附图7为有源负载调制器幅相分离控制的一种实现方案，负载调制控制单元根据工作频率调整有源负载调制器的幅度与相移，进而控制有源负载调制器输出扰动的电流，达到补偿主功放负载偏差的目的。附图7中负载调制器采用了宽带放大器来进行设计，对输出电流的幅相控制可以通过改变调制器驱动信号的幅度与相位来实现。晶体管电流源平面电流可认为与输入控制信号呈线性关系，但却不同于调制节点电流IM，因其受到调制器输出匹配网络和可变负载阻抗的影响，需要对该影响过程进行研究。

Claims (1)

1.一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器，该放大器包括：传统功率放大器电路，其特征在于还包括有源负载调制电路，该有源负载调制电路通过电流求和节点向功率放大电路输入电流信号，改变电路输出节点的视入阻抗；其特征在于所述功率放大电路包括：耦合器、匹配输入、功放、匹配输出、偏置电路，输入信号依次经过耦合器、匹配输入、功放、匹配输出，偏置电路用于提供对功放的静态工作点；所述有源负载调制电路与功率放大电路中匹配输入、功放、匹配输出组成的电路并联，所述有源负载调制电路包括：衰减器、移相器、负载调制控制单元、有源负载调制器，该电路输入信号依次经过衰减器、移相器、有源负载调制器后输出，其中负载调制控制单元根据有源负载调制电路的输入信号对衰减器、移相器进行控制，所述有源负载调制器的作用为控制有源负载调制电路的电流输出大小。
CN201710003228.XA 2017-01-04 2017-01-04 一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器 Active CN106685443B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710003228.XA CN106685443B (zh) 2017-01-04 2017-01-04 一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710003228.XA CN106685443B (zh) 2017-01-04 2017-01-04 一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106685443A CN106685443A (zh) 2017-05-17
CN106685443B true CN106685443B (zh) 2019-02-15

Family

ID=58849835

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710003228.XA Active CN106685443B (zh) 2017-01-04 2017-01-04 一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106685443B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107508561B (zh) * 2017-08-14 2020-09-25 电子科技大学 一种跨倍频程宽带功率放大器及其实现方法
CN109150122B (zh) * 2018-08-01 2023-01-31 南京邮电大学 一种可重构的分布式放大器电路
CN109921750B (zh) * 2019-01-24 2023-05-26 杭州电子科技大学 一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法
CN112543006B (zh) * 2020-12-01 2023-04-07 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种超宽带可重构功率放大器单片微波集成电路
WO2023060549A1 (en) * 2021-10-15 2023-04-20 Huawei Technologies Co., Ltd. Impedance matching circuit for complex load

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102332875A (zh) * 2011-08-11 2012-01-25 电子科技大学 一种宽带高效率Doherty功率放大器
CN104393843A (zh) * 2014-12-19 2015-03-04 夏景 采用多级式辅路放大器的Doherty功率放大器
CN104716913A (zh) * 2015-04-07 2015-06-17 清华大学 负载调制功率放大器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102332875A (zh) * 2011-08-11 2012-01-25 电子科技大学 一种宽带高效率Doherty功率放大器
CN104393843A (zh) * 2014-12-19 2015-03-04 夏景 采用多级式辅路放大器的Doherty功率放大器
CN104716913A (zh) * 2015-04-07 2015-06-17 清华大学 负载调制功率放大器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Doherty功率放大器效率问题的研究;刘本杰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20160331;第24-26页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106685443A (zh) 2017-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106685443B (zh) 一种包括有源负载调制的宽带高效率功率放大器
Gustafsson et al. A modified Doherty power amplifier with extended bandwidth and reconfigurable efficiency
Andersson et al. A 1–3-GHz digitally controlled dual-RF input power-amplifier design based on a Doherty-outphasing continuum analysis
JP4780896B2 (ja) 複合増幅器を有する送信機
KR101145666B1 (ko) 고주파용 3-스테이지 질화 갈륨계 고전자 이동도 트랜지스터(ＧａＮ ＨＥＭＴ) 도허티 전력증폭기
EP1985012B1 (en) Power amplifier
CN103368504B (zh) 反射式非线性预失真电路
CN105379109B (zh) 用于对大操作平均功率范围的有效功率放大的方法和装置
US20020063603A1 (en) High frequency power amplifier
CN113162554A (zh) 一种基于谐波控制的混合高效功率放大器及其设计方法
CN112187184A (zh) 一种可配置的高效功率放大器
CN106685467B (zh) 一种二倍频程宽带高效功率放大器
CN109921750B (zh) 一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法
Liu et al. Design of a multi-octave power amplifier with a novel broadband design methodology
CN104270104A (zh) 一种采用apd技术的高互调功率放大器
CN213125981U (zh) 基于谐波控制的f类功率放大器、无线发射终端及系统
Park et al. High-efficiency class-F amplifier design in the presence of internal parasitic components of transistors
CN212649423U (zh) 基于后匹配结构的新型Doherty功率放大器
Colantonio et al. Efficiency improvement in Doherty power amplifier by using class F approach
CN111614331A (zh) 基于后匹配结构的新型Doherty功率放大器
KR101131910B1 (ko) 이동통신시스템의 출력단
Pichler et al. Efficiency enhanced switched mode power amplifier for digital RF transmitters
CN201733280U (zh) 线性度和功率附加效率提高的射频cascode结构功率放大器
Sajedin et al. A Doherty power amplifier based on the harmonic generating mechanism
CN112448677A (zh) 一种大带宽紧凑型的Doherty 功率放大器结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant