CN110011623A - 一种双频带射频异向功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双频带射频异向功率放大器。该射频异向功率放大器包括输入信号调理电路、两路双带功率放大处理电路、双带功率合成电路；其中每一路均包括双带输入匹配电路、偏置电路、功率放大器、双带虚部补偿电路。其中双带功率合成电路采用T型或者Pi型节替换传统的90度阻抗变换器实现双频带不同阻抗的90度变换，双带虚部补偿电路采用T型节来满足双频带不同虚部的补偿。通过信号调理电路得到的等幅异向两路信号作为输入信号，从而实现了双频带异向射频功率放大器。本发明所提出的双频带射频异向功率放大器填补了双频带Outphasing的设计空白，并且设计思路简单，便于推广。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波通信领域，提出了一种能够在两个独立频带下工作的高效率射频异向功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要。为了在有限的频谱带宽内传输尽可能大的数据量，通信运营商通常需要采用非常复杂的调制方式，而这会导致信号的峰值平均比(简称峰均比)变大，即信号包络会剧烈变化。传统的功率放大器形式如A类、AB类虽然能实现高保真放大，但是对于非恒包络信号的放大效率很低，尤其是在大功率回退的时候。因此，针对高峰均比信号应用，能同时兼顾高效率和高线性度的射频功率放大器成为学术界和工业界的研究热点之一。异向功率放大器因能在保持输出信号高线性度的同时实现高效放大调制信号，从而得到射频微波功放研究人员的广泛重视。异向功率放大器包括上下两个子放大器，其工作时候由信号调理电路预先将基带信号进行上变频，并且分成两路具有恒定幅度、相位不同的调制信号进行激励。由于输入端激励信号的幅度恒定，因此可以采用D类、E类等开关式放大器作为子放大器的选择，从而保证了高放大效率。紧接着，通过一个输出端合成器将两路等幅异相的信号进行合并，可重新还原输入的调制信号的波形，进而达到在高效放大信号的同时实现高线性。但是，由于反向放大器整体效率是子放大器放大效率与输出合成器合成效率的乘积，于是，为了保证高效率我们采用无隔离输出合成器对两路信号进行高效合并。但是，该种形式的合成器(Chreix合成器)会对两个子功放引入无功虚部。为了消除上述虚部对其效率造成的影响，一个经典的Chireix异向功率放大器需要在输出端为子放大器提供合适的虚部补偿和阻抗匹配。
然而，随着通信技术的快速发展，各种调制方式相继出现，各运营商能获得的授权频率也各不相同。为了提升通信系统对各种制式信号的适应性，亟须研制出能支持多频带工作的高效率功率放大器。多频带异向功率放大器也理所当然的成为了学术界和工业界研究的热点。但是，受制于前期设计理论的不完善，目前有关多频异向功率放大器的设计方案基本属于空白。
针对目前现有技术中存在的不足，实有必要进行研究，以提供一种通用的关于多频率异相放大器的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以实现在两个频带下工作的异向高效功率放大器。通过将经典的Chireix异向单频带功率放大器结构中各部分单频率元件替换为双频带元件，实现双频带功能。
为了填补现有技术的缺陷，本发明采用经典的ChireixOutphasing结构来配置。该放大器的核心设计方法是将经典Chireixoutphasing放大器的各结构包括输出功率组合电路、输出虚部补偿电路、输入匹配电路，采用特殊的双带结构来替换各部分进而实现双带射频异向功率放大器。其中功率合成电路采用T型或者Pi型节替换传统的90度阻抗变换器实现双频带不同阻抗的90度变换，输出虚部补偿电路采用T型节来满足双频带不同虚部的补偿。另外为了验证设计方法的通用性，该放大器的输入匹配电路也采用输出匹配电路的设计方法。最后通过输入信号调理电路得到的等幅异向两路信号作为输入信号，从而实现了双频带异向射频功率放大器。本发明所提出的双频带射频异向功率放大器填补了双频带Outphasing的设计空白，并且设计思路简单，便于推广。
具体如下：
一种双频带射频异向功率放大器包括输入信号调理电路、两路双带功率放大处理电路、双带功率合成电路；其中每一路均包括双带输入匹配电路、偏置电路、功率放大器、双带虚部补偿电路；双带输入匹配电路的输入端与输入信号调理电路的输出端连接，双带输入匹配电路的输出端接功率放大器的栅极；偏置电路的输入端接直流电源，输出端接功率放大器的栅极；功率放大器的漏级接双带虚部补偿电路的输入端；虚部补偿电路的输出端开路；
输入信号调理电路将待放大的射频调制信号调整为等幅异向的两路信号，分别作为两路双带输入匹配电路的输入信号；即实现从基带信号到射频信号的转变，同时完成必要的预放大及滤波等功能。
优选，输入信号调理电路包括两路依次串联的数模转换芯片、低通滤波器、正交混频器、自适应增益控制器，最终输出待输入的射频调制信号。
其中，数模转换芯片将数字调制信号转换为模拟调制信号；低通滤波器用于消除基带信号的杂波成份；正交混频器用于将基带信号调制到载波频率上；自适应增益控制器用于将射频调制信号的幅度调整到合适的大小以待输入到后端放大器中。以上技术与器件均为公知技术。
所述的双带输入匹配电路采用分解匹配方法构建，具体是将待匹配复阻抗分成实部阻抗和虚部阻抗两个部分，采用先匹配实部阻抗后匹配虚部阻抗的方法分别实现双频带下阻抗匹配，使得输入调制信号能够低损得传输至功率放大器；
优选，双带输入匹配电路包括双频带90°阻抗变换的第一T微带线、双虚部匹配的第二T微带线；第一T微带线的第一端口与输入信号调理电路的输出端连接，第一T微带线的第二端口与功率放大器的栅极、第二T微带线的第一端连接，第一T微带线的第三端口、第二T微带线的第二端口、第二T微带线的第三端口开路；其中第一T微带线的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，从而构成T形结构；第二T微带线的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，从而构成T形结构。
双带虚部补偿电路利用短路并联枝节配合串联微带线来实现f1频率下的所需电抗，而后再增加开路或短路微带线来实现另一频率f2的电抗；同时将功率放大器的寄生电容吸收进电路，最终实现虚部匹配；
作为优选,双带虚部补偿电路通过T型节来实现。
更为优选，双带虚部补偿电路采用双虚部匹配的第三T微带线；第三T微带线的一端与功率放大器的漏极连接后作为双带功率放大处理电路的输出；其中第三T微带线可分为三部分，第一部分实现f1频率下的虚部补偿，第二部分消除f2虚部补偿对f1虚部补偿的影响，第三部分实现f2频率下的虚部补偿；第一部分、第三部分所在直线与第二部分垂直设置，从而构成T形结构。
双带功率合成电路将两路双带功率放大处理电路输出的信号功率合并后输出，并同时实现双带实阻抗变换。
作为优选，双带功率合成电路通过T型节或者Pi型节来实现阻抗变换和功率组合。
更为优选，双带功率合成电路采用双频带90°阻抗变换的第四T微带线A、第四T微带线B，第四T微带线A的第一端口、第四T微带线B的第一端口分别与两路双带功率放大处理电路的输出端连接，第四T微带线A的第二端口、第四T微带线B的第二端口合并后输出，第四T微带线A的第三端口、第四T微带线B的第三端口开路；其中第四T微带线A的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，，从而构成T形结构；第四T微带线B的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，从而构成T形结构。
作为优选，功率放大器均为基本放大器，可以采用AB类、B类等多种高效率功率放大器形式。更为优选，放大器采用独立晶体管。
优选地，所述偏置电路为功率放大器晶体管提供偏置电压，将功率放大器晶体管偏置到AB类。
本发明的有效效果是：在经典的Chireixoutphasing结构上，利用双带T型节或者pi型节来替代经典单频带组件,其中核心组件为功率合成和虚部补偿。阻抗匹配被拆分为实部功率合成和虚部补偿两个部分，利用T型节来实现。虚部补偿融合进虚部匹配中利用T型节来实现双虚部补偿。同时寄生电容也加入进来简化了电路结构。最终达到了双带outphasing功能。
附图说明
图1是本发明中一种双频带高效异向功率放大器的结构示意图。
图2是本发明中双频带90度阻抗变换线示意图，其中(a1)开路T型节，(a2)短路T型节，(b1)开路pi型节，(b2)短路pi型节。
图3是本发明中双频带虚部补偿电路结构示意图。
图4是利用ADS软件模拟本发明的双频带下2.6GHz仿真结果示意图。
图5是利用ADS软件模拟本发明的双频带下3.5GHz仿真结果示意图。
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。
针对双频带异向功率放大器领域的空白，申请人对经典异向单频带结构进行深入的研究，申请人发现单频带下虚部补偿电路和功率合成电路均可以用特殊结构来进行替换以实现双频带的功能。具体示意图参见图1。
图1所示为本发明一种双频带高效率异向功率放大器的结构框图，包括信号调理电路、微波功率放大电路、双带虚部补偿电路、双带功率合成电路。其中，信号调理电路包括基带信号产生、DAC(数模转换芯片)、低通滤波器、正交混频器、自适应增益控制器大器，所述的上述结构均为公知技术。所述的微波功率放大电路包括输入、输出匹配电路用于保证信号低损耗传输，输入与输出匹配电路在功率合成电路和双带虚部补偿电路中一起介绍实现方法。
所述微波功率放大器为公知的独立晶体管功率放大器，负载阻抗为50欧。
功率合成电路在实现功率合成的同时兼顾阻抗变换。在一种优选实施方式中利用T型节或者Pi型节来实现双频带下不同阻抗的变换。由于不同频带下晶体管所需最优阻抗不同，所以需要一种双频带下不同特征阻抗的变换结构。如图2所示，对于T型或者Pi型节，参数ZT1和ZT2分别为在f1和f2频带下对应的阻抗变换线特征阻抗值。n为较高频f2与较低频率f1的比值，显然n大于1。ZS和θS对应串联干路上微带线的特性阻抗和电长度。ZP和θP对应并联开路或者短路枝节微带线特性阻抗和电长度值。等价替换双频带下不同阻抗90度变换微带线，在确定各自单频带下的最优特性阻抗ZT1和ZT2后，利用以下公式得到T型节结构下串联干路对应的ZS和θS值。
ZT1＝ZS|tanθS|在f1
ZT2＝ZS|tan(nθS)|在f2
并联枝节可以采用ZP和θP的值可以采用开路或者短路的形式来实现。图2(a1)为开路T型节，(a2)为短路T型节。
对于开路枝节可以利用以下公式确定：
在f1
在f2
对于短路枝节则用以下公式确定：
对应的Pi型节串联干路微带线特性阻抗和电长度值ZS和θS由如下公式确定：
ZT1＝ZS|sinθS|at f1
ZT2＝ZS|sin(nθS)|at f2
同样的并联枝节也存在开路枝节和短路枝节的情况。图2(b1)为开路pi型节，(b2)为短路pi型节。
对于开路枝节的情况，特性阻抗与电长度ZP和θP的确定由如下公式确定：
在f1
在f2
同样对于短路枝节的情况，相对应的特性阻抗和点长度确定由如下公式确定：
在f1
在f2
一种优选地实施方式，本发明采用T型节来实现双频带90度阻抗变换作用。
另外，无损非隔离型电路引入的无功电抗成分会对功率合并电路的效率产生很大的影响。本发明添加双带虚部补偿电路来消除无功阻抗的影响。由于不同频率下对应的所需虚部补偿是不相同的。所以实现双频带不同虚部补偿电路的设计尤为重要。在一种优选实施方式中，采用T型节来满足上述要求，具体要求为：首先满足f1频率虚部补偿而后再对f2频带进行补偿，为了防止f2虚部补偿对f1虚部补偿的影响，在f1虚部补偿末端添加并联90度开路枝节来实现。上述三段共同为f2提供虚部补偿，具体步骤如下：
所述双带虚部补偿电路需要实现在双频带下的不同补偿。如图3所示，虚部补偿电路一共由三部分微带线组成，第一部分实现对f1频率下的虚部补偿。
第二部分在f1虚部补偿的末端通过添加在f1频率下电长度为90度的开路微带线，目的是在并联点处使得第一部分对f1频率的虚部补偿短路从而再增加微带线不会对f1频率补偿产生影响。而后增加第三部分并结合一、二部分共同起到对f2频率的补偿。
YB(f2)＝YA(f2)-YC(f2)
θB3＝tan-1(ZB3img(YB(f2)))对于开路枝节
对于短路枝节
其中θB1,θB2,θB3分别为第一部分、第二部分、第三部分微带线的电长度；ZB1,ZB2ZB3分别为第一部分、第二部分、第三部分的微带线的特征阻抗；YA(f2)为第二、三部分微带线合并看进去的输入导纳,YB(f2)为第三部分微带线看进去的输入导纳,Yc(f2)第二部分微带线看进去的输入导纳。
本发明一种双频带高效率异向功率放大器，通过如下步骤实现：
步骤一：将待传输调制信号经过角度调制、数模转换芯片、低通滤波器、正交混频器、自适应增益控制器得到两路等幅异向的待输入调制信号。
步骤二：调试两个相同标准的AB类功率放大器作为功率放大器，并作双带输入匹配电路。
步骤三：调试功率合成电路实现功率组合和最优阻抗到负载阻抗的匹配。
步骤四：调试双带虚部补偿电路实现双频带下不同虚部的补偿
步骤五：将晶体管寄生参数合并到双带虚部补偿电路中
步骤六：将调试好的双带输入匹配电路、双带虚部补偿电路、功率合成电路组合起来构成一种双频带高效率异向功率放大器。
针对现有双频带异向功率放大器的空白，本发明通过将两个单频带下输入匹配电路、虚部补偿电路、功率合成电路分别用特殊结构(T型节、pi型节)替代，从而使得能够实现在双频带下实现高效率异向功率放大的功能。
图4为基于本发明的方法，针对2.6GHz频率，利用ADS软件模拟的数据图。图5为基于本发明的方法，针对3.5GHz频率，利用ADS软件模拟的数据图。由仿真结果可知，在2.6GHz和3.5GHz频率下饱和效率均可以达到70％以上。回退6dB效率为63％和55％。结果说明实现了双频带高效率异向功率放大器的功能。
其中，功率合成电路(阻抗匹配电路)由T型节来实现，得到ZS和θS为72.99欧、149.59度。并联开路枝节为Zp和θS为23.87欧、159.93度。
虚部补偿电路由T型节来实现，正角度输入放大器路一、二、三部分特性阻抗均选择50欧，对应电长度分别为30.7度在3.5Ghz、90度在3.5Ghz、105度在2.6Ghz。同样，对于负角度输入放大器路一、二、三部分特性阻抗均选择50欧，对应的电长度分别为7.9度在3.5Ghz、90度在3.5Ghz、101度在2.6Ghz。
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 (9)
1.一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于包括输入信号调理电路、两路双带功率放大处理电路、双带功率合成电路；其中每一路均包括双带输入匹配电路、偏置电路、功率放大器、双带虚部补偿电路；双带输入匹配电路的输入端与输入信号调理电路的输出端连接，双带输入匹配电路的输出端接功率放大器的栅极；偏置电路的输入端接直流电源，输出端接功率放大器的栅极；功率放大器的漏级接双带虚部补偿电路的输入端；虚部补偿电路的输出端开路；
输入信号调理电路将待放大的射频调制信号调整为等幅异向的两路信号，分别作为两路双带输入匹配电路的输入信号；
所述的双带输入匹配电路采用分解匹配方法构建，具体是将待匹配复阻抗分成实部阻抗和虚部阻抗两个部分，采用先匹配实部阻抗后匹配虚部阻抗的方法分别实现双频带下阻抗匹配，使得输入调制信号能够低损得传输至功率放大器；
双带虚部补偿电路利用短路并联枝节配合串联微带线来实现f1频率下的所需电抗，而后再增加开路或短路微带线来实现另一频率f2的电抗；同时将功率放大器的寄生电容吸收进电路，最终实现虚部匹配；
双带虚部补偿电路通过T型节来实现；
双带功率合成电路将两路双带功率放大处理电路输出的信号功率合并后输出，并同时实现双带实阻抗变换；
双带功率合成电路通过T型节或者Pi型节来实现阻抗变换和功率组合。
2.如权利要求1所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于输入信号调理电路包括两路依次串联的数模转换芯片、低通滤波器、正交混频器、自适应增益控制器，最终输出待输入的射频调制信号。
3.如权利要求2所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于数模转换芯片将数字调制信号转换为模拟调制信号；低通滤波器用于消除基带信号的杂波成份；正交混频器用于将基带信号调制到载波频率上；自适应增益控制器用于将射频调制信号的幅度调整到合适的大小以待输入到后端放大器中。
4.如权利要求1所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于双带输入匹配电路包括双频带90°阻抗变换的第一T微带线、双虚部匹配的第二T微带线；第一T微带线的第一端口与输入信号调理电路的输出端连接，第一T微带线的第二端口与功率放大器的栅极、第二T微带线的第一端连接，第一T微带线的第三端口、第二T微带线的第二端口、第二T微带线的第三端口开路；其中第一T微带线的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，从而构成T形结构；第二T微带线的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，从而构成T形结构。
5.如权利要求1所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于双带虚部补偿电路采用双虚部匹配的第三T微带线；第三T微带线的一端与功率放大器的漏极连接后作为双带功率放大处理电路的输出；其中第三T微带线可分为三部分，第一部分实现f1频率下的虚部补偿，第二部分消除f2虚部补偿对f1虚部补偿的影响，第三部分实现f2频率下的虚部补偿；第一部分、第三部分所在直线与第二部分垂直设置，从而构成T形结构。
6.如权利要求1所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于双带功率合成电路采用双频带90°阻抗变换的第四T微带线A、第四T微带线B，第四T微带线A的第一端口、第四T微带线B的第一端口分别与两路双带功率放大处理电路的输出端连接，第四T微带线A的第二端口、第四T微带线B的第二端口合并后输出，第四T微带线A的第三端口、第四T微带线B的第三端口开路；其中第四T微带线A的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，，从而构成T形结构；第四T微带线B的第一端口、第二端口所在线段与第三端口所在线段垂直设置，从而构成T形结构。
7.如权利要求1所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于功率放大器为基本放大器。
8.如权利要求7所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于功率放大器放大器采用独立晶体管。
9.如权利要求1所述的一种双频带射频异向功率放大器，其特征在于所述偏置电路为功率放大器晶体管提供偏置电压，将功率放大器晶体管偏置到AB类。
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