CN106685467A - 一种二倍频程宽带高效功率放大器 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种二倍频程宽带高效功率放大器，属于无线通信技术领域，具体设计一种新型二倍频程宽带放大器结构。本发明首先将信号进行分离，分别输送给主功放模块、谐波控制模块和控制单元。而整个功放模块采用双管结构，不同的晶体管分别用于设计主功放模块和谐波控制模块。主功放设计方法与传统混合类宽带功放设计方法类似，其工作频段为整个带宽，而谐波控制功放工作在第二倍频程。其次，对于谐波控制单元，除了谐波控制功放之外，还有控制单元和谐波控制网络。从而实现多倍频程功放高效率的实现。

Description

一种二倍频程宽带高效功率放大器
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体设计一种新型二倍频程宽带放大器结构。
背景技术
随着无线通信行业的发展，对信息传输要求越来越高，而在无线通信领域内，高效率射频功率放大器是无线收发系统重要部件之一。为了适应现代通信信号的复杂性，对功放的性能，如带宽、效率、线性等提出了更高的要求。因此为了应对以上问题，宽带功放、线性功放等等都在研究之中。
近些年来，宽带高效率功放的研究已趋于成熟，主要由有代表性的开关类E类功放和谐波控制类F类功放。而随着学者们的研究，谐波控制类功放又衍生出了逆F类、连续类、J类功放等等，其主要原理为控制信号的谐波，使得晶体管输入电流和电压在时域上重叠部分减小，从而降低晶体管功耗提升效率，常用的技术为宽带匹配技术。然而谐波控制类功放在原理上无法指导设计超过一倍频程的功放，因为这类功放有部分频率的谐波落在带宽之内，这就要求功放需要在某一段频率下拥有两个阻抗值，这是传统功放所不能实现的。
对于传统功放，其设计多倍频程功放时，通常会采取舍弃低频段谐波的控制，其实际工作状态为A类或AB类，而只进行高频段谐波的控制，这类传统功放应该叫做混合类功放，让不同频段工作在不同类型下，从而实现整体效率的优化。
发明内容
为了克服上述多倍频程出现的总体效率相对谐波控制类功放降低的情况，本发明提出了一种新型二倍频程宽带高效功率放大器，其原理结构同样适用于多倍频程功放的设计，从而实现多倍频程功放高效率的实现。
本发明结构仅考虑二倍频程设计，假设宽带工作频率范围为f1～f3，若f3＝4f1，则认为带宽为二倍频程。为了之后描述方便性，设f2＝2f1，并将频率范围为f1～f2命名为第一倍频程，而频率范围为f2～f3命名为第二倍频程。本发明结构的原理为，主功放模块为主要功率输出模块，其本身设计与工作类型和传统宽带功放设计相类似，采用宽带输入和输出匹配结构。而谐波控制功放采用低功耗晶体管，工作频段为第二倍频程。
本发明首先将信号进行分离，分别输送给主功放模块、谐波控制模块和控制单元。而整个功放模块采用双管结构，不同的晶体管分别用于设计主功放模块和谐波控制模块。主功放设计方法与传统混合类宽带功放设计方法类似，其工作频段为整个带宽，而谐波控制功放工作在第二倍频程。其次，对于谐波控制单元，除了谐波控制功放之外，还有控制单元和谐波控制网络。对于控制单元，其主要功能为得到原始信号后，对信号进行分析，判断其频带范围和功率等参数，从而产生控制信号，对输入谐波控制晶体管的信号进行幅度相位调制，并控制改变Vg2和Vd2的大小。谐波控制网络为谐波控制功放的补充，其主要目的是调整谐波控制功放输出电流，使得其在控制主功放谐波阻抗时能够具有更灵活的设计。最后合成网络，主要目的为将主功放模块和谐波控制模块进行合成，最终得到输出信号。
因而本发明技术方案为一种二倍频程宽带高效功率放大器，该功率放大器包括：信号分离网络、主功放模块、谐波控制模块、合成网络；其中主功放模块的输入射频信号依次经过：输入匹配模块、主晶体管、输出匹配模块，所述匹配模块和主晶体管之间设置输入电压Vg1，所述主晶体管和输出匹配之间设置输入电压Vd1；谐波控制模块包括：控制单元和谐波控制电路，所述谐波控制电路的输入射频信号依次经过调幅调相模块、输入匹配模块、谐波控制晶体管、谐波控制网络，所述输入匹配模块和谐波控制晶体管之间设置输入电压Vg2，所述谐波控制晶体管和谐波控制网络之间设置输入电压Vd2，所述控制单元控制调幅调相模块对信号的调制、输入电压Vg2和输入电压Vd2的大小；所述信号分离网络将原输入射频信号分离为3路信号，3路信号分别输入主功放模块中的输入匹配模块、谐波控制模块中的控制单元、谐波控制模块中的调幅调相模块；所述主功放模块通过输出匹配模块将射频信号输出，所述谐波控制模块通过谐波控制网络将射频信号输出，主功放模块和谐波控制模块的输出射频信号通过合成网络合成为最终的输出射频信号。
进一步的，所述信号分离网络将原输入射频信号分为3路，输入主功放模块中的输入匹配模块的为射频输入1，输入谐波控制模块中的控制单元的为射频输入2，输入谐波控制模块中的调幅调相模块的为射频输入3，当原输入射频信号为第一倍频程时，射频输入1为改变原输入射频信号经过幅度或者相位变化得到，射频输入2与原输入射频信号相同，射频输入3为原输入射频信号经过倍频或者变频得到；当原输入射频信号为第二倍频程时，射频输入1、2、3都与原输入射频信号相同。
本发明一种新型二倍频程宽带高效功率放大器，其原理结构同样适用于多倍频程功放的设计本发明包含四个模块，信号分离模块、主功放模块、谐波控制模块和合成网络模块；主要效果为，引入数字控制模块，即采用数模混合，从而实现多倍频程功放高效率的实现。
附图说明
图1是本发明新型二倍频程宽带高效功率放大器原理框图。
图2是基于本发明的一种具体实施方案结构框图。
具体实施方式
为了使得本发明实施目的、技术方案更加明确化，在下面将结合发明中一种具体能够实现的结构的附图进行详细阐述。
结合图1进行如下说明，当信号为第一倍频程时，射频输入1仅仅改变原始信号幅度或者相位而不改变频率参数，而射频输入3经过信号倍频或者变频等处理，使输入到谐波控制功放的信号频率范围为第二倍频程；而射频输入2则采用原始信号，控制单元通过分析信号频率、功率等参数对射频信号3进行幅度相位调整，并且对Vg2和Vd2大小进行控制，并最终通过谐波控制网络对电流电压进行优化之后通过合成网络与主功放进行合成，从而对主功放的二次谐波进行控制，使其达到高效率区域。当输入信号为第二倍频程时，信号分离网络分离出的三个信号都不改变其频率，同样的，控制单元对原始信号分析之后对射频信号3进行幅度相位调整，并对Vg2和Vd2大小进行控制，最终进行合成，从而提高主功放在此频段下的功率。
基于本发明的一种具体实施方案结构框图如图2所示，主要由四个模块组成：
功分器模块00：主要功能为实现信号的分离，分为不等分和等分两种，用于之后两模块的输入。
主功放模块10：带宽为整个二倍频程，设计方法为传统宽带高效功放设计，其主要功能为输出功率。
谐波控制模块20：带宽为信号的第二倍频程，通过控制单元对信号的提取和分析，从而控制谐波控制功放的参数。其主要功能为调整主功放的第二倍频程的阻抗大小。
合成网络模块30：其主要功能为将模块10和模块20输出的信号进行合成，转化为单一输出信号。
其中主功放模块包括输入匹配网络11和输出匹配网络12，为传统功放结构；谐波控制模块包括输入匹配21、谐波控制网络22、倍频器23、控制单元24。
信号首先经过功分器模块00，分别产生主功放模块10和谐波控制模块20的输入信号。对于传入主功放的信号，经过输入匹配11、晶体管、输出匹配12的顺序，其原理和传统功率放大器一样，最后由输出网络产生放大后的信号。对于传入谐波控制模块的信号，首先进入控制单元24，控制单元分析信号频率、功率，进而产生三个信号，分别控制倍频器23的工作与否，Vg2和Vd2的大小。信号若为第一倍频程，则经过倍频器进行二倍频之后进入输入匹配21、晶体管、谐波控制网络22最终输出；而信号若为第二倍频程，则直接经过输入匹配21、晶体管、谐波控制网络22最终输出。最终主功放模块10输出信号和谐波控制模块20输出信号通过合成网络，最终输出。

Claims (2)

1.一种二倍频程宽带高效功率放大器，该功率放大器包括：信号分离网络、主功放模块、谐波控制模块、合成网络；其中主功放模块的输入射频信号依次经过：输入匹配模块、主晶体管、输出匹配模块，所述匹配模块和主晶体管之间设置输入电压Vg1，所述主晶体管和输出匹配之间设置输入电压Vd1；谐波控制模块包括：控制单元和谐波控制电路，所述谐波控制电路的输入射频信号依次经过调幅调相模块、输入匹配模块、谐波控制晶体管、谐波控制网络，所述输入匹配模块和谐波控制晶体管之间设置输入电压Vg2，所述谐波控制晶体管和谐波控制网络之间设置输入电压Vd2，所述控制单元控制调幅调相模块对信号的调制、输入电压Vg2和输入电压Vd2的大小；所述信号分离网络将原输入射频信号分离为3路信号，3路信号分别输入主功放模块中的输入匹配模块、谐波控制模块中的控制单元、谐波控制模块中的调幅调相模块；所述主功放模块通过输出匹配模块将射频信号输出，所述谐波控制模块通过谐波控制网络将射频信号输出，主功放模块和谐波控制模块的输出射频信号通过合成网络合成为最终的输出射频信号。
2.如权利要求1所述的一种二倍频程宽带高效功率放大器，其特征在于所述信号分离网络将原输入射频信号分为3路，输入主功放模块中的输入匹配模块的为射频输入1，输入谐波控制模块中的控制单元的为射频输入2，输入谐波控制模块中的调幅调相模块的为射频输入3，当原输入射频信号为第一倍频程时，射频输入1为改变原输入射频信号经过幅度或者相位变化得到，射频输入2与原输入射频信号相同，射频输入3为原输入射频信号经过倍频或者变频得到；当原输入射频信号为第二倍频程时，射频输入1、2、3都与原输入射频信号相同。
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