CN109921750A - 一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法，包括宽带功率分配器、宽带功率放大电路、负载调制功率放大电路。当输入信号频率处于倍频程以下时，宽带功率放大器输出阻抗条件良好，负载调制功率放大电路未工作；当输入信号频率进入倍频程以上时，宽带功率放大器的基波阻抗开始降低，这时负载调制功率放大电路开始工作，在其输出端产生电流I2，而宽带功率放大电路的输出电流为I1。根据有源负载调制的原理，宽带功率放大电路的负载阻抗Z1被提高，再经过宽带输出匹配电路的阻抗变换，其基波阻抗被提高至高效率区内。这样，宽带功率放大器的基波阻抗能在更宽的频带内处于高效率区，因此能够在更宽的频带内获得较高的效率，变相地拓展了功率放大器的带宽。

Description

一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法
技术领域
本发明涉及射频通讯技术领域，尤其涉及一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，射频功率放大器朝着更高效率、更宽频带和高线性的方向发展。然而，由于晶体管寄生参数以及宽带输出匹配电路频率响应的复杂性，在宽频带范围内获得高效率将变得十分困难。兼顾高效率和宽频带的射频功率放大器成为学术界和工业界的研究热点之一。连续型功率放大器因为最优阻抗解空间的拓宽，从而降低了基波和谐波阻抗的要求，成为宽带功率放大器的主流形式。一个典型的连续F类功率放大器具有最优阻抗条件为：
Z3F＝∝
通过在宽带范围内使得基波和谐波阻抗对应不同的γ值，功率放大器便能在宽频带上获得非常高的效率。
实际上，连续F类放大器的输出阻抗，只要基波阻抗在高效率区域，二次谐波阻抗处于短路点(或者在短路点附近)，三次谐波处于开路点(远远大于基波阻抗，要求最不严格)，就可以获得较高的效率。但是，由此也引发了一些问题。如果基波f0阻抗位于高效率区，而二次谐波2f0位于短路点附近，就无法在倍频程附近获得较好的阻抗条件，因为此时2f0作为基波的阻抗早已不在高效率区。通常的解决办法是降低基波最低频率处的二次谐波条件，或者是基波最高频率远离倍频程，但是这样做或多或少都会降低频带上部分效率或者部分带宽。
因此，需要研究新型的拓扑结构以满足连续型功率放大器倍频程处高效率阻抗的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于有源负载调制的宽带功率放大器及其设计方法，通过增加辅功放回路并采用新型的匹配电路实现有源负载调制，解决了连续型功率放大器在倍频程以上基波阻抗变低的问题，极大提高了连续型功率放大器的带宽。
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的技术方案如下：
一种基于有源负载调制的宽带功率放大器，至少包括宽带功率分配器、宽带功率放大电路以及负载调制功率放大电路，其中，
所述宽带功率分配器用于将输入信号在宽的频率范围内分别输出给宽带功率放大电路和负载调制功率放大电路，所述的宽带功率放大电路的输出端与负载调制功率放大电路的输出端直接并联将功率合路输出给负载；
所述宽带功率放大电路包括依次串接的宽带输入匹配电路、宽带功率放大器、宽带输出匹配电路；
所述负载调制功率放大电路包括相位补偿线、窄带输入匹配电路、负载调制功率放大器、负载调制输出匹配电路；
所述窄带输入匹配电路具有窄带特性，用于抑制频率在倍频程以下的输入信号；当输入信号频率处于倍频程以下，窄带输入匹配电路位于阻带，负载调制功率放大器处于截止状态，负载调制功率放大电路无电流输出；
当输入信号频率进入倍频程以上时，所述窄带输入匹配电路位于通带，并对栅极驱动功率进行控制，负载调制功率放大器处于导通状态，所述负载调制功率放大电路在其输出端产生与宽带功率放大电路输出端同相的电流。
作为进一步改进的技术方案，通过调节相位补偿线、窄带输入匹配电路和负载调制输出匹配电路，控制负载调制功率放大电路的输出电流大小和相位。
作为进一步改进的技术方案，还设置偏置电路，所述偏置电路用于该功率放大器提供静态工作点。
作为进一步改进的技术方案，所述宽带功率放大电路的输出匹配为连续型匹配模式。
作为进一步改进的技术方案，所述负载阻抗为50欧姆。
本发明还提出了一种基于有源负载调制的宽带功率放大器的设计方法，至少包括以下步骤：
步骤S1：在传统宽带功率放大电路基础上增加负载调制功率放大电路，并直接并联将功率合路输出给负载；
步骤S2：根据实际带宽需求设计负载调制功率放大电路的输入匹配电路使其具有窄带特性以抑制频率在倍频程以下的输入信号；
步骤S3：通过调节相位补偿线、窄带输入匹配电路和负载调制输出匹配电路，当输入信号频率进入倍频程以上时，控制负载调制功率放大电路的输出电流大小和相位，以增大倍频程以上时连续型功放的负载阻抗。
作为进一步改进的技术方案，当输入信号频率处于倍频程以下，窄带输入匹配电路位于阻带，负载调制功率放大器处于截止状态，负载调制功率放大电路无电流输出；
当输入信号频率进入倍频程以上时，所述窄带输入匹配电路位于通带，并对栅极驱动功率进行控制，负载调制功率放大器处于导通状态，所述负载调制功率放大电路在其输出端产生与宽带功率放大电路输出端同相的电流。
作为进一步改进的技术方案，宽带功率分配器用于将输入信号在宽的频率范围内分别输出给宽带功率放大电路和负载调制功率放大电路。所述宽带功率放大电路包括依次串接的宽带输入匹配电路、宽带功率放大器、宽带输出匹配电路以及偏置电路；输入信号经过功率分配器、输入匹配、功放、输出匹配，偏置电路为功放提高静态工作点。所述负载调制功率放大电路包括依次串接的相位补偿线、窄带输入匹配电路、负载调制功率放大器、负载调制输出匹配电路以及偏置电路；输入信号在频率处于倍频程以下时被输入匹配电路抑制，在频率处于倍频程以上时依次经过相位补偿线、输入匹配、功放、输出匹配；通过对相位补偿线、输入输出匹配电路的调谐优化控制负载调制功率放大电路的输出电流大小和相位。所述的宽带功率放大电路的输出端与负载调制功率放大电路的输出端直接并联将功率合路输出给负载。
作为进一步改进的技术方案，所述宽带功率放大器偏置在深AB类或B类，所述负载调制功率放大器偏置在B类或C类。
相对于传统宽带连续型功率放大器，本发明提出了一种基于有源负载调制拓展带宽的新型结构，能够增大倍频程以上时连续型功放的负载阻抗，提高了连续型功放在倍频程以上的效率，使得整体电路在更宽的频带上具有较高的效率，拓展了功率放大器的带宽。
附图说明
图1是本发明基于有源负载调制的宽带功率放大器的连接示意图。
图2是本发明基于有源负载调制的宽带功率放大器的结构示意图。
图3是有源负载调制的原理示意图。
图4是本发明中经过负载调制前后连续型功率放大器的输出阻抗随频率变化关系示意图。
图5是Doherty功率放大器的结构示意图。
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。
针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中连续型功率放大器进行了深入的研究，申请人发现传统连续型功率放大器在带宽达到倍频程时，基波阻抗已经难以处于高效率阻抗范围内，这表明传统连续型功率放大器在保持高效率时带宽达到一个倍频程以上已经非常困难，难以满足更宽频带通信系统的要求。
为了克服现有技术的缺陷，参见图1-2，所示为本发明中一种基于有源负载调制拓展带宽的结构框图，包括宽带功率分配器、宽带功率放大电路、负载调制功率放大电路。其中，宽带功率分配器用于将输入信号在宽的频率范围内分别输出给宽带功率放大电路和负载调制功率放大电路，宽带功率放大电路的输出端与负载调制功率放大电路的输出端直接并联将功率合路输出给负载。
所述宽带功率放大电路包括依次串接的宽带输入匹配电路、宽带功率放大器、宽带输出匹配电路以及偏置电路；所述负载调制功率放大电路包括依次串接的相位补偿线、窄带输入匹配电路、负载调制功率放大器、负载调制输出匹配电路以及偏置电路。
负载调制功率放大器的输入匹配电路具有窄带特性，当输入信号频率处于倍频程以下，窄带输入匹配电路位于阻带，此时负载调制功率放大器处于截止状态，负载调制功率放大电路无电流输出。当输入信号频率进入倍频程以上时，窄带输入匹配电路位于通带，并且可对栅极驱动功率进行控制，此时负载调制功率放大器处于导通状态，通过对相位补偿线、负载调制输入输出匹配电路的调节，使负载调制功率放大电路输出端产生与宽带功率放大电路输出端同相的电流。根据有源负载调制的原理(如图3所示)：
Z1＝RL+(I2/I1)RL
RL为终端负载，I1为宽带功率放大电路的输出电流，I2为负载调制功率放大电路的输出电流。
当频率低于倍频程时，I2＝0，宽带功率放大电路的负载阻抗为Z1＝RL，宽带功率放大器输出阻抗条件良好，其工作在原有的高效率连续型工作模式；当频率高于倍频程时，宽带功率放大器的基波阻抗开始降低，但是此时I2>0,通过改变I2/I1的大小来调节宽带功率放大电路的负载阻抗Z1＝RL+(I2/I1)RL，再经过宽带输出匹配电路的阻抗变换，宽带功率放大器的基波阻抗便能位于高效率区。这样，即使频率超过倍频程，宽带功率放大电路也能获得较高的效率。宽带功率放大器的基波阻抗能在更宽的频带内处于高效率区，因此能够在更宽的频带内获得较高的效率，变相地拓展了功率放大器的带宽。
此外，在负载调制功率放大器导通的频率范围，宽带功率放大电路对负载调制功率放大电路同样具有负载调制的效果。所以，在对负载调制输出匹配电路调节时，考虑两路负载互相调制的问题，将负载调制功率放大器的输出阻抗匹配到最优值，因此负载调制功率放大电路能够获得较高的效率。
参见图4，未经负载调制前，宽带功率放大器在倍频程以下频率范围1.5GHz-3GHz的输出阻抗条件良好，而倍频程以上频率范围3GHz-3.5GHz的输出阻抗较低；经负载调制后，由于负载调制功率放大电路输出电流对宽带功率放大电路负载阻抗的影响，宽带功率放大器在3GHz-3.5GHz的输出阻抗具有明显的提升。因此，宽带功率放大电路在超过3GHz-3.5GHz的效率也会随之提升，带宽由1.5GHz-3GHz的1.5GHz带宽拓展为1.5GHz-3.5GHz的2GHz带宽。
需要指出的是，本申请虽然借鉴doherty功率放大器的结构原理，但其与doherty功率放大器的结构相比，是一种完全不同的结构。参见图5，所示为现有技术doherty功率放大器的结构框图，Doherty功率放大器主要由载波放大器和峰值放大器组成，两路放大器的输入输出匹配电路完全一样，载波功率放大器偏置在AB类，峰值放大器偏置在C类，载波输出匹配电路的输出端加上一段λ/4阻抗变换器。本发明与Doherty功率放大器不同之处在于：(1)本发明中的两路功率放大器分别为宽带功率放大器和窄带功率放大器，其输入输出匹配电路并不是一样的，而Doherty功率放大器的两路功率放大器分别为载波放大器和峰值放大器，其输入输出匹配电路完全一样，(2)本发明中利用窄带输入匹配电路的频率响应控制负载调制源的工作状态，而Doherty功率放大器利用偏置条件不同和输入功率回退控制负载调制源的工作状态，(3)本发明中主功放的负载阻抗随负载调制源的输出电流增大而增大，而Doherty功率放大器中添加了λ/4阻抗变换器，主功放的负载阻抗随负载调制源的输出电流增大而减小。从根本上来说，本发明是为了拓展功率放大器的带宽，而Doherty功率放大器是为了提高输入功率回退下的效率。
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 (7)

1.一种基于有源负载调制的宽带功率放大器，其特征在于，至少包括宽带功率分配器、宽带功率放大电路以及负载调制功率放大电路，其中，
所述宽带功率分配器用于将输入信号在宽的频率范围内分别输出给宽带功率放大电路和负载调制功率放大电路，所述的宽带功率放大电路的输出端与负载调制功率放大电路的输出端直接并联将功率合路输出给负载；
所述宽带功率放大电路包括依次串接的宽带输入匹配电路、宽带功率放大器、宽带输出匹配电路；
所述负载调制功率放大电路包括相位补偿线、窄带输入匹配电路、负载调制功率放大器、负载调制输出匹配电路；
所述窄带输入匹配电路具有窄带特性，用于抑制频率在倍频程以下的输入信号；当输入信号频率处于倍频程以下，窄带输入匹配电路位于阻带，负载调制功率放大器处于截止状态，负载调制功率放大电路无电流输出；
当输入信号频率进入倍频程以上时，所述窄带输入匹配电路位于通带，并对栅极驱动功率进行控制，负载调制功率放大器处于导通状态，所述负载调制功率放大电路在其输出端产生与宽带功率放大电路输出端同相的电流。
2.根据权利要求1所述的基于有源负载调制的宽带功率放大器，其特征在于，通过调节相位补偿线、窄带输入匹配电路和负载调制输出匹配电路，控制负载调制功率放大电路的输出电流大小和相位。
3.根据权利要求1或2所述的基于有源负载调制的宽带功率放大器，其特征在于，还设置偏置电路，所述偏置电路用于该功率放大器提供静态工作点。
4.根据权利要求3所述的基于有源负载调制的宽带功率放大器，其特征在于，所述宽带功率放大电路的输出匹配为连续型匹配模式。
5.根据权利要求3所述的基于有源负载调制的宽带功率放大器，其特征在于，所述负载阻抗为50欧姆。
6.一种基于有源负载调制的宽带功率放大器的设计方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤S1：在传统宽带功率放大电路基础上增加负载调制功率放大电路，并直接并联将功率合路输出给负载；
步骤S2：根据实际带宽需求设计负载调制功率放大电路的输入匹配电路使其具有窄带特性以抑制频率在倍频程以下的输入信号；
步骤S3：通过调节相位补偿线、窄带输入匹配电路和负载调制输出匹配电路，当输入信号频率进入倍频程以上时，控制负载调制功率放大电路的输出电流大小和相位，以增大倍频程以上时连续型功放的负载阻抗。
7.根据权利要求6所述的基于有源负载调制的宽带功率放大器的设计方法，其特征在于，当输入信号频率处于倍频程以下，窄带输入匹配电路位于阻带，负载调制功率放大器处于截止状态，负载调制功率放大电路无电流输出；
当输入信号频率进入倍频程以上时，所述窄带输入匹配电路位于通带，并对栅极驱动功率进行控制，负载调制功率放大器处于导通状态，所述负载调制功率放大电路在其输出端产生与宽带功率放大电路输出端同相的电流。
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