CN108009319A - 一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统，属于无线通信技术领域，特别设计了基于限定的阻抗解空间的宽带匹配网络。传统的匹配网络设计方法，往往是找到每个频点的最优阻抗点(R_opt)，进而把匹配网络的S参数朝着最优点逼近，这样的设计方法对于宽带设计有着明显的局限性，尤其是跨倍频程，本发明提及的宽带匹配设计方法，限定了合适的阻抗解空间，不局限于R_opt，这样在宽带设计时，带宽内每个频点都对应一个解空间，由于计算方法可关联频率，只需利用计算机软件就可以在整个频段内快速找到每个频点的合理解，让每个频点的S₁₁参数都在其相应的解空间区域内部，由于扩展的阻抗解空间，大大降低了宽带匹配的设计难度。

Description

一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别设计了一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统。

背景技术

射频功率放大器是无线发射系统中的重要组成部分，会直接影响发射机的整体性能。评估功率放大器的性能指标主要有带宽，输出功率，线性度，效率(分为功率附加效率和漏极效率)。而带宽在很大程度上是由匹配结构决定的。一个好的宽带匹配设计方法往往能够大大拓展放大器的工作带宽。现在业界广泛采用的宽带匹配设计方法主要有史密斯圆图匹配，实频技术，负载牵引技术(Load pull)等。但大多数的设计方法往往是依靠设计者的经验，并没有形成系统的宽带匹配设计方法。

现有技术中专利申请号为201310415732.2的专利公开了一种射频功率放大器的宽带匹配设计方法，该专利中提出了一个宽带设计的新工具——立体三维史密斯圆图，该工具是在传统经典的二维史密斯圆图的基础上进行拓展，增加了频率坐标，实现了宽带设计时大量数据的可视化，避免了传统经典的二维史密斯圆图在宽频带上显示出现重叠导致图解困难的问题，使得在宽频段内也可以进行简化计算和图解，尤其是在宽带功放设计的匹配网络中。

上述专利的思想体现了宽频带对匹配网络设计的重要性和局限性，经典的二维史密斯圆图匹配往往是在某一个频点处进行，无法进行宽频带匹配，上述专利的三维结构增加了频率分量，在理论上对宽带匹配的设计有一定的指导意义。

现有2014年IEEE检索文章Design of Broadband High-Efficiency PowerAmplifiers Based on a Series of Continuous Modes，提出了连续类的设计方法，其思路是在F类功放的基础上进行拓展，在晶体管电流源平面进行电流电压波形重塑，使放大器的功率损耗最小。具体设计方法是在史密斯圆图上，把晶体管单个频点的最优阻抗点延伸为一条连续的曲线，拓展了阻抗解空间，使得宽带匹配易于进行。但是这种连续类的设计方法不仅需要把阻抗解空间从电流源平面转换到封装平面，而且具体设计过程中很难把一条曲线涉及的阻抗解空间作为优化目标，这大大增加了设计的难度。

介于上述专利和文章中的不足之处，本发明进行了改善，基于获取的晶体管的初始等功率圆和等效率圆数据(获取方法包括Load pull技术，平台测试等)，综合考虑功率和效率，再利用数学工具处理数据，并限定合适的阻抗解空间进行匹配网络的设计，这样就把最优阻抗曲线族拓展为封闭区域，扩大了阻抗解空间，使宽带匹配的设计易于进行。

发明内容

本发明具体提供了一种利用限定的阻抗解空间进行宽带匹配网络设计的方法，基于获取的初始等功率圆和等效率圆数据，综合考虑功率和效率，再利用数学工具限定出合适的阻抗解空间，从而在宽频带内进行匹配网络的设计；其特征在于输出匹配网络架构包括：晶体管、数据获取器、数据处理器、参数计算器，所述的数据获取器的作用为获取晶体管初始的等功率圆和等效率圆数据，所述的数据处理器的作用为综合功率和效率限定合适的阻抗解空间，所述的参数计算器的作用为计算限定区域的相关参数，为匹配网络的设计提供优化目标。

本发明技术方案为一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统，该系统包括：数据获取器、数据处理器、参数计算器、性能评估器；其中数据获取器为获取待匹配晶体管在频段内每个频点初始的等功率圆和等效率圆数据；数据处理器为对数据获取器得到的数据进行数据处理，在每个频点处限定一个满足设定功率和效率要求的解空间区域(即晶体管的合理阻抗空间区域)；参数计算器为计算限定解空间的相关参数求解出宽带匹配网络；性能评估器为衡量功率放大器的输出功率和效率等指标是否满足设计需求，若不满足要求则返回数据处理器重新开始；

参数计算器的计算方法：

步骤1：利用最小二乘法拟合出解空间区域的对称中心，记为(C_r，C_i)，C_r和C_i在史密斯圆图上代表对称中心的实部和虚部；

步骤2：设匹配网络的S₁₁参数(S参数即散射系数，S₁₁为输入反射系数，用以衡量1端口的匹配状况)与解空间区域的所有数据做差运算形成向量组b_n，n为限定区域的数据点个数，匹配网络的S₁₁参数与限定区域的对称中心(C_r，C_i)做差运算，记为a；

步骤3：求向量a与b_n的夹角的绝对值θ_n，并求出θ_n的最大值α；

θ_n＝abs(phase(a/b_n))

α＝max{θ_n}

步骤4：若α≥90°，则求解出的匹配网络满足要求，若α<90°，则不满足。

传统的匹配网络设计方法，往往是找到每个频点的最优阻抗点(R_opt)，进而把匹配网络的S参数朝着最优点逼近，这样的设计方法对于宽带设计有着明显的局限性，尤其是跨倍频程，本发明提及的宽带匹配设计方法，限定了合适的阻抗解空间，不局限于R_opt，这样在宽带设计时，带宽内每个频点都对应一个解空间，由于计算方法可关联频率，只需利用计算机软件就可以在整个频段内快速找到每个频点的合理解，让每个频点的S₁₁参数都在其相应的解空间区域内部，由于扩展的阻抗解空间，大大降低了宽带匹配的设计难度。

附图说明

图1是所述的输出匹配网络架构；

图2是本发明提及的设计方法的具体流程图；

图3是参数计算器在0.7GHz处判断匹配网络的S₁₁参数在限定解空间内部还是外部所用到的数学方法图示；

图4是利用传统设计方法仿真得出的匹配网络的S₁₁曲线与本发明提及的限定解空间之间的比较图；

图5是利用本发明提出的设计方法仿真得出的匹配网络的S₁₁曲线与提及的限定解空间之间的比较图，包括匹配网络的二次谐波仿真和三次谐波仿真；

图6是实例中使用的匹配网络结构；

图7是利用本发明的设计方法设计的0.25GHz–1.25GHz跨倍频程功率放大器的仿真结果。

具体实施方式

一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统，该系统包括：数据获取器、数据处理器、参数计算器、性能评估器；其中数据获取器为获取待匹配晶体管在频段内每个频点初始的等功率圆和等效率圆数据；数据处理器为对数据获取器得到的数据进行数据处理，在每个频点处限定一个满足设定功率和效率要求的解空间区域(即晶体管的合理阻抗空间区域)；参数计算器为计算限定解空间的相关参数求解出宽带匹配网络；性能评估器为衡量功率放大器的输出功率和效率等指标是否满足设计需求，若不满足要求则返回数据处理器重新开始；

参数计算器的计算方法：

步骤1：利用最小二乘法拟合出解空间区域的对称中心，记为(C_r，C_i)，C_r和C_i在史密斯圆图上代表对称中心的实部和虚部；

步骤2：设匹配网络的S₁₁参数(S参数即散射系数，S₁₁为输入反射系数，用以衡量1端口的匹配状况)与解空间区域的所有数据做差运算形成向量组b_n，n为限定区域的数据点个数，匹配网络的S₁₁参数与限定区域的对称中心(C_r，C_i)做差运算，记为a；

步骤3：求向量a与b_n的夹角的绝对值θ_n，并求出θ_n的最大值α；

θ_n＝abs(phase(a/b_n))

α＝max{θ_n}

步骤4：若α≥90°，则求解出的匹配网络满足要求，若α<90°，则不满足。

下面针对附图对本申请进行详细的说明。

图1是所述的输出匹配网络架构，模块1为晶体管模型，模块2为数据获取器，用于获取晶体管初始的等功率圆和等效率圆，模块3为数据处理器，用于根据设计需求限定合理的阻抗解空间，模块4为参数计算器，用于计算出频段内每个频点的夹角α，用于匹配网络的设计，模块5为晶体管实现最大功率传输的匹配网络。

图2给出了具体的设计流程图，首先要获取每个频点初始的等功率圆和等效率圆数据(根据实际带宽设置每个频点的间隔)，综合考虑效率和功率，利用数学工具对获取的数据进行处理，限定符合设计要求的阻抗解空间，最后进行宽带匹配网络的设计，设计完成后对功率放大器的整体性能进行评估，若不满足设计要求，则需要重新限定解空间(一般为缩小解空间的范围)进行设计，直到性能满足设计要求。

图3是参数计算器在0.7GHz处判断匹配网络的S₁₁参数在限定解空间内部还是外部所用到的数学方法图示，图中所示为使用CREE公司CGH40025晶体管进行load-pull的结果，图中的封闭区域为限定的0.7GHz及其二次谐波区域，区域内部的PAE>70％，P_out>42dBm(PAE为功率附加效率，P_out为输出功率)，实际上，对二次谐波进行load-pull，其结果是一条相交于史密斯圆图边缘的曲线，在这里补全了二次谐波范围，使其成为不超出圆图范围的封闭区域。按照参数计算器的计算方法，图示中区域外部的S₁₁求出的θ₁<90°，区域内部的S₁₁求出的θ₂>90°，以所有数据点的最大夹角是否大于90°作为匹配网络的优化目标，在ADS中进行匹配网络的求解。另外，在具体设计时，要利用ADS的数据读取控件把每个频点的限定解空间数据以文本的形式读入ADS中，并在控件中设置关联频率，这样就可以做到对整个频段进行求解。

图4是利用传统设计方法仿真得出的匹配网络的S₁₁曲线与本发明提及的限定解空间之间的比较图，可以看出在传统设计方法中，是把匹配网络每个频点的S₁₁参数朝着其最优阻抗点逼近，期望S₁₁曲线与最优阻抗曲线重合，但在宽带设计尤其是跨倍频程设计中，远远达不到这种理想的情况，只能做到不断逼近而无法精确控制S₁₁参数的具体范围，会出现图4中部分频点的S₁₁参数不在所限定的解空间区域内部。

图5是利用本发明提出的设计方法仿真得出的匹配网络的S₁₁曲线与提及的限定解空间之间的比较图，可以看出直接以限定的阻抗解空间进行匹配网络的设计，匹配网络的S₁₁参数很容易达到目标，而且均在限定区域内部，并且可以很好的控制匹配网络的二次谐波范围甚至是三次谐波范围。

图6是上述实例中采用的输出匹配结构，其1端口需连接到晶体管的漏极，且阻抗与load-pull的参考阻抗相同，这里均设置为50Ohm；端口2为终端负载，阻抗一般为50Ohm。

图7是利用本发明的宽带匹配设计方法设计的0.25GHz–1.25GHz跨倍频程功率放大器性能仿真图，可以看到，输出功率在41–43dBm之间，功率附加效率在67％-73％之间。

Claims (1)

1.一种利用限定的阻抗解空间设计宽带匹配网络的系统，该系统包括：数据获取器、数据处理器、参数计算器、性能评估器；其中数据获取器为获取待匹配晶体管在频段内每个频点初始的等功率圆和等效率圆数据；数据处理器为对数据获取器得到的数据进行数据处理，在每个频点处限定一个满足设定功率和效率要求的解空间区域；参数计算器为计算限定解空间的相关参数求解出宽带匹配网络；性能评估器为衡量功率放大器的输出功率和效率等指标是否满足设计需求，若不满足要求则返回数据处理器重新开始；

参数计算器的计算方法：

步骤1：利用最小二乘法拟合出解空间区域的对称中心，记为(C_r，C_i)，C_r和C_i在史密斯圆图上代表对称中心的实部和虚部；

步骤2：设匹配网络的S₁₁参数(S参数即散射系数，S₁₁为输入反射系数，用以衡量1端口的匹配状况)与解空间区域的所有数据做差运算形成向量组b_n，n为限定区域的数据点个数，匹配网络的S₁₁参数与限定区域的对称中心(C_r，C_i)做差运算，记为a；

步骤3：求向量a与b_n的夹角的绝对值θ_n，并求出θ_n的最大值α；

θ_n＝abs(phase(a/b_n))

α＝max{θ_n}

步骤4：若α≥90°，则求解出的匹配网络满足要求，若α<90°，则不满足。