CN109660210B - 适用于逆f类高效功率放大器的谐波注入理论 - Google Patents

Abstract

本发明公开适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，包括：计算与描述晶体管非线性特性的幂级数以及输入栅极电压有关的参数，根据该参数计算出三次谐波注入时的漏极效率，计算出三次谐波注入时的输出功率，建立三次谐波注入时计算出的漏极效率输出功率与获得的对输入端栅极电压波形，输出端漏极电压波形和电流波形的关系，根据上述关系对晶体管输入端栅极电压波形控制，以实现控制晶体管漏极效率以及输出功率。本发明可以探索出逆F类高效功放的最佳注入波形，进而达到从输入端进行谐波注入来提升逆F类高效功放功率和效率的目的。

Description

适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论

技术领域

本发明涉及无线通信功率放大器技术领域，特别是涉及一种适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论。

背景技术

随着无线通信系统的迅速发展，对信息传输的要求也越来越高。而在无线通信领域，射频功率放大器一直是无线收发系统中最为重要的部件之一。为了满足现代通信信号的复杂性和多变性，高效率、高功率、高增益、高线性度的指标已越来越成为功放设计者所关注的焦点。

目前，高效率、高功率功放的研究已趋于成熟，主要包括：开关类功率放大器和谐波调谐类功率放大器。由于谐波调谐类功放相比于开关类功放在漏极峰值电压、适用频率等方面有着诸多的优势，因此成为了一个热门的研究领域。谐波调谐类功放的原理是通过控制输出端基波和谐波的阻抗，使得漏极电压和漏极电流波形在时域上的重叠部分减小，从而降低晶体管功耗提升整体效率，。其中最为典型的就是F类高效功率放大器和逆F类高效功率放大器。逆F类高效功放相比于F类高效功放的优势在于：实际设计中漏极效率高，基波阻抗值小，高输出功率时输出匹配电路设计简单等等，。因此，近年来越来越的学者将研究的重点投入到逆F类高效功放中。

如上所述，传统的谐波调谐类功放都是从晶体管的输出端进行谐波(阻抗)控制进而达到高效率高功率的目的。而新型的研究结果表明，在晶体管的输入端进行谐波注入，也可以使得功放的性能提升。2017年，Amirreza等人首次基于理论和仿真对J类功放进行了谐波注入理论的研究，得出半正弦的波形注入可以使J类功放的功率和效率大幅度提升。

基于上述逆F类高效功放的优势和谐波注入理论的研究基础，本文创新性地提出了一种适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，从而计算出其最佳注入波形。这种新型理论不仅说明了逆F类功放功率和效率的提升可以通过输入端谐波注入实现，而且其最佳的注入波形也为多级逆F类功放相互级联奠定了良好的基础。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，可以探索出逆F类高效功放的最佳注入波形，进而达到从输入端进行谐波注入来提升逆F类高效功放功率和效率的目的。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，包括：

计算与描述晶体管非线性特性的幂级数a₀-a₃以及输入栅极电压有关的一个参数k₁，

根据该参数k₁，计算出三次谐波注入时的漏极效率η’，

根据三次谐波注入时的功率P’_out与未进行谐波注入时的功率P_out的比值，即注入功率比P_nor关系式，计算出三次谐波注入时的输出功率P’_out，

其中，m表示输入电压三次谐波幅值与基波幅值的比，

表示栅极输入电压三次谐波相对于基波的初相位，V_dc表示晶体管的供电电压和V_k表示晶体管的膝点电压，V_gs3，V_gs1分别表示栅极输入电压的三次谐波幅值与栅极输入电压的基波幅值；

建立三次谐波注入时计算出的漏极效率η，输出功率P’_out，与获得的对输入端栅极电压波形，输出端漏极电压波形和电流波形的关系；

根据上述的关系对晶体管输入端栅极电压波形控制，以实现控制晶体管漏极效率以及输出功率。

所述的参数k₁表示如下：

其中，V_gs0表示栅极输入电压的直流项。

本发明采用以上方法，可以探索出逆F类高效功放的最佳注入波形，进而达到从输入端进行谐波注入来提升逆F类高效功放功率和效率的目的。这种最佳注入波形不仅有益于提升逆F类高效功放的效率和输出功率，扩大了逆F类功放的应用场景和应用前景，也为多级逆F类高效功放相互级联奠定了理论基础。

附图说明

图1是基于场效应管模型的逆F类高效功率放大器原理图；

图2是逆F类高效功率放大器在正弦波注入时的ADS仿真示意图；

图3是逆F类高效功率放大器在正弦波注入时的栅极电压波形；

图4是逆F类高效功率放大器在正弦波注入时的漏极电压波形和电流波形；

图5是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的注入功率比等高线图；

图6是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的漏极效率等高线图；

图7是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的ADS仿真示意图；

图8是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的栅极电压波形；

图9是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的漏极电压波形和电流波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入方法，通过以下实现：

在逆F类高效功率放大器中(假设所采用的晶体管是FET管)，当晶体管输入端的栅极电压是正弦波注入时，其输入电压V_gs(θ)的表达式为：

Vgs(θ)＝V_gs0+V_gs1sin(θ) (1)

其中V_gs0表示栅极输入电压的直流项，V_gs1表示栅极输入电压的基波幅值。

由于晶体管的非线性效应，其输入电压与输出电流的关系可以表示为幂级数的形式，即：

其中a₀-a₃表示幂级数的系数，i_D(θ)表示漏极的输出电流。

因此，把(1)式带入(2)式可以得到正弦电压波形注入的情况下，漏极电流的表达式，即：

从上式可以看出，在正弦电压波形注入的情况下，漏极电流产生了直流项，基波项，二次谐波项和三次谐波项。而对于逆F类高效功放而言，其二次谐波的阻抗条件为开路，因此漏极电流的二次谐波项i₂(θ)在阻抗端面处应该为零。所产生的二次谐波漏极电流i₂(θ)将从晶体管向地端泄露出去，如图1所示。

若设泄露的漏极二次谐波电流为i₂(θ),其表达式为：

i₂(θ)＝r₂cos(2θ)+q₂sin(2θ) (4)

其中r₂和q₂为其傅里叶展开式的系数。

则在阻抗端面处的漏极电流i_d(θ)应该为：

i_d(θ)＝i_D(θ)-i₂(θ) (5)

此时的漏极电流i_d(θ)是不包含二次谐波电流的，因此其傅里叶展开式中没有二次项，即：

从上式可以得出r₂和q₂的值：

q₂＝0 (9)

同时，逆F类的漏极电流标准形式为：

其中I_max表示晶体管漏极的最大电流。

因此，在未进行谐波注入时，由幂级数得到的漏极电流i_d(θ)应该与逆F类标准的漏极电流相等，从而满足逆F类的条件：

逆F类漏极电压的标准形式为：

其中V_dc表示漏极的供电电压，V_k表示晶体管的膝点电压。

根据式(11)和式(12)可以算出逆F类功放在未进行谐波注入时的输出功率P_out为：

根据式(11)和式(12)还可以算出逆F类功放在未进行谐波注入时的漏极效率η：

当晶体管输入端的栅极电压有三次谐波注入时，其输入电压V’_gs(θ)的表达式为：

其中V_gs0和V_gs1依旧表示栅极输入电压的直流项和基波幅值。V_gs3表示栅极输入电压的三次谐波幅值。

表示栅极输入电压三次谐波相对于基波的初相位。

此时，将式(15)带入式(2)可以得到三次谐波注入时的漏极电流表达式i’_d(θ)，即：

由于表示式较为复杂，上式仅显示出漏极电流i’_d(θ)的直流项和基波项。

根据三次谐波注入后的漏极电流表达式(16)、逆F类的漏极电压表达式(12)和未注入谐波时的漏极电流恒等式(11)，可以计算出在三次谐波注入时的输出功率P’_out，进而计算出三次谐波注入时的功率P’_out与未进行谐波注入时的功率P_out的比值，即注入功率比P_nor：

其中m表示输入电压三次谐波幅值与基波幅值的比。

根据三次谐波注入时的漏极电流表达式(16)、逆F类的漏极电压表达式(12)和未注入时的漏极电流恒等式(11)，还可以计算出在三次谐波注入时漏极效率η’的表达式，即：

其中，k₁表示与描述晶体管非线性特性的幂级数a₀-a₃以及输入栅极电压有关的一个参数，其表示式如(19)所示。

对于某一具体FET晶体管而言，若可以拟合出其描述晶体管非线性特性的幂级数a₀-a₃、供电电压V_dc和膝点电压V_k,就可以得到输入端在三次谐波注入后只与

和m有关的注入功率比P_nor、漏极效率η’的表达式，进而求得其最佳的三次谐波注入幅值V_gs3以及初相位

以上可以看出，本发明通过建立三次谐波注入时计算出的漏极效率η，输出功率P’_out，，与获得的对输入端栅极电压波形，输出端漏极电压波形和电流波形的关系后，即可以实现根据上述的关系对晶体管输入端栅极电压波形控制，选择最优的波形输入，以实现控制晶体管漏极效率以及输出功率。

下面结合具体晶体管应用，根据上述推导结果，在实际应用该谐波注入理论计算逆F类高效功放的最佳注入波形进行说明，其中，晶体管选用Wolfspeed公司的GaNHEMTCGH60010D。选择这种晶体管的原因是其非线性很强，可以提供逆F类功放所需要的谐波，同时封装寄生影响较小，能最大程度地反映晶体管本身的性能。该晶体管由制造商提供的相关参数的具体数值如下：标准漏极电压为28V，膝点电压为2.4V.因此，在具体实现时选取漏极偏压为28V，栅极偏压V_gs0为-3.0V，栅极输入的正弦电压幅值V_gs1为6.4V。根据式(14)，可以计算出未进行谐波注入时其理论的漏极效率η为74.65％。

图2是在未进行谐波注入的情况下对逆F类高效功放搭建ADS仿真平台的示意图。其中输出端的谐波控制在3次，以满足逆F类功放的阻抗要求。图3是在未进行谐波注入的情况下输入端的栅极电压波形。图4是在未进行谐波注入的情况下输出端的漏极电压波形和电流波形。从中可以看出其波形符合逆F类功放的时域波形图。表1是在未进行谐波注入的情况下通过ADS的HB仿真得到的实际输出功率和漏极效率。从中可以看出其实际的漏极效率十分接近理论的漏极效率η。

实际的输出功率	实际的漏极效率
		14.73(W)	73.50(％)

与此同时，可以根据漏极电流和栅极输入电压计算出符合此晶体管特性的幂级数系数a₀-a₃以及参数k₁：

a₀＝1.5767144775390622 (20)

a₁＝0.1939703369140624 (21)

a₂＝-0.061257934570312 (22)

a₃＝-0.007278442382812 (23)

k₁＝0.88033 (24)

将上述参数带入到式(17)和(18)，就可以得到三次谐波注入后逆F类功率放大器的注入功率比P_nor和漏极效率η’的具体表达式。根据此表达式就可以画出其值随三次谐波幅值与基波幅值比V_gs3/V_gs1和初相位

变化的等高线图，即图5和图6。

从图5可以看出其漏极效率η’的最大值在V_gs3/V_gs1＝0.2219,初相位

处。最大的理论漏极效率η’为78.79％。此时的注入功率比P_nor为1.0617。根据未注入谐波时的实际输出功率和注入功率比P_nor就可以得到三次谐波注入时的理论输出功率P’_out＝15.64W。

图7是在三次谐波注入的情况下对逆F类高效功放搭建ADS仿真平台的示意图。其中输出端的谐波依旧控制在3次，以满足逆F类功放的阻抗要求。此时的三次谐波幅值与基波幅值比V_gs3/V_gs1和初相位

取理论漏极效率η’达到最大值时的点，即V_gs3/V_gs1＝0.2219；

图8是此时的输入端栅极电压波形。从中可以看出其输入波形接近理想的方波。图9是此时的输出端漏极电压波形和电流波形。从中可以看出其波形依旧符合逆F类功放的时域波形图。表2是在三次谐波注入的情况下通过HB仿真得到的实际输出功率和漏极效率以及理论的输出功率和漏极效率η’。从中可以看出其实际的漏极效率和输出功率是十分接近理论值的。

因此，通过上述仿真结果与理论计算值的比较，可以发现两者之间的误差非常小，进而可以验证所述适用于逆F类功率放大器的谐波注入理论的正确性。

表3展示了未进行谐波注入和三次谐波注入时的输出功率和漏极效率。可以发现，三次谐波注入的方法确实提升了逆F类功放的整体性能，使得其功率和效率大幅度提升。因此，这个方法也将进一步扩展逆F类高效功放的应用场景和应用前景。

此外，从图8可以看出逆F类高效功率放大器的输入端最佳注入波形是方波。而这个结论也将对双级高效功率放大器的相互级联奠定基础，即如果前一级的输出端可以提供一个方波的电压波形，两级级联起来的性能一定是最佳的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入方法，其特征在于，包括：

计算与描述晶体管非线性特性的幂级数a₀-a₃以及输入栅极电压有关的一个参数k₁，

根据该参数k₁，计算出三次谐波注入时的漏极效率η’，

根据三次谐波注入时的输出功率P’_out与未进行谐波注入时的输出功率P_out的比值，即注入功率比P_nor关系式，计算出三次谐波注入时的输出功率P’_out，

其中，m表示输入电压三次谐波幅值与基波幅值的比，

表示栅极输入电压三次谐波相对于基波的初相位，V_dc表示晶体管的供电电压和V_k表示晶体管的膝点电压，V_gs3，V_gs1分别表示栅极输入电压的三次谐波幅值与栅极输入电压的基波幅值；

建立三次谐波注入时计算出的漏极效率η’ ，输出功率P’_out，与获得的对输入端栅极电压波形，输出端漏极电压波形和电流波形的关系；

根据上述的关系对晶体管输入端栅极电压波形控制，以实现控制晶体管漏极效率以及输出功率。

2.如权利要求1所述适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入方法，其特征在于，所述的参数k₁表示如下：

其中，V_gs0表示栅极输入电压的直流项。

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