CN110059367A - 新型双频带Chireix功率合成网络及其设计方法 - Google Patents

新型双频带Chireix功率合成网络及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了新型双频带Chireix功率合成网络及其设计方法。现有Outphasing功率放大系统只能在单频点下实现高效率的功率合成。本发明包括第一带通滤波器和第二带通滤波器。所述的第一带通滤波器包括第一相位补偿线、第二相位补偿线和依次相连的n个第一阶跃阻抗单元。第一相位补偿线、第二相位补偿线分别位于n个第一阶跃阻抗单元的两端。第二带通滤波器包括第三相位补偿线、第四相位补偿线线和依次相连的n个第二阶跃阻抗单元。第三相位补偿线、第四相位补偿线分别位于n个第一阶跃阻抗单元的两端。第二相位补偿线与第四相位补偿线的另一端连接在一起。本发明能够在双频点下实现高效率的功率合成。

Description

新型双频带Chireix功率合成网络及其设计方法
技术领域
本发明属于射频功率放大器技术领域，具体涉及一种新型双频带Chireix功率合成网络及其设计方法。
背景技术
近年来，无线通信技术得到了很大的发展，调制方式也日趋复杂。功率放大器，作为发射机中的末级模块，是整个射频系统中功耗最大的部件，它的主要作用是对前级输出的信号进行功率放大，然后将放大后的信号送给天线进行发射。由于现在发射机制的改变和传输距离的增大，功放能够输出足够高的功率并且拥有足够高的效率成为了当下主要追求的技术指标同时线性度也是功率放大器的关键指标。
无线通信技术的快速发展要求在一个系统中采用不同的通信标准。包括雷达、天线等射频系统都需要在不止一个频率下运行。实现这种系统的一种方法是开发具有双频特性的功率放大器。
为了适应现代通信中高数据、高速率传输的工作，射频系统采用了高峰均比(PAPR)信号，这反过来又要求功率放大器具有高效率和高线性度的特性。由于现在发射机制的改变和传输距离的增大，功放能够输出足够高的功率并且拥有足够高的效率成为了当下主要追求的技术指标。为了提高功率放大器的效率和线性度，目前已经有了多种技术，如Doherty、包络消除和恢复、包络跟踪、Outphasing等技术。若使现阶段这些体系结构实现双频，便能同时解决承载多个通信标准和高数据高速率通信的挑战。
射频功率合成技术已经在功率放大器、天线系统中得到了广泛的应用。常用的射频合成方式有分支线电桥、环形电桥、Lange耦合线、传输线变压器、Wilkinson合成器、Chireix合成器等。分支线电桥和环形电桥体积较大且不易调整；传输线变压器结构为非平面结构，只适用于低频段小功率的场合；Wilkinson合成器为隔离式合成器，由于隔离电阻的存在，会消耗电能，从而导致整体功放系统效率的降低；Chireix合成器是一种异相合成器，可用于Outphasing功放系统中，具有较好的效率和线性度。
综上所述，现阶段技术中，基于微带线的合路器带宽有限，只能调谐到单载波频率。这是因为微带线的相移与频率有关，对输出组合网络有不利影响。因此，鉴于现阶段技术的缺陷，本发明提出了一种新型基于阻抗压缩网络以及带通滤波器技术的双频Chireix异相合成器网络，可以工作在两个频点，并且可以与双频功率放大器集成，构成Outphasing功率放大系统，以此在两个不同的载波频率下同时都能进行功率合成。
Outphasing功率放大系统如图1所示，包括信号分离电路1、合成网络3和两个功率放大器2。其中合成网络3采用Chireix合成器，其结构由λ/4微带线及补偿电抗组成，它是一种异相合成器，具有较好的效率和线性度，但是传统的Chireix合成器只能用于单频点的功率合成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型双频带Chireix功率合成网络及其设计方法。
本发明新型双频带Chireix功率合成网络，包括第一带通滤波器和第二带通滤波器。所述的第一带通滤波器包括第一相位补偿线、第二相位补偿线和依次相连的n个第一阶跃阻抗单元，n为偶数。位于首端的第一阶跃阻抗单元与第一相位补偿线的一端连接。位于尾端的第一阶跃阻抗单元与第二相位补偿线的一端连接。
所述的第二带通滤波器包括第三相位补偿线、第四相位补偿线线和依次相连的n个第二阶跃阻抗单元。位于首端的第二阶跃阻抗单元与第三相位补偿线的一端连接。位于尾端的第二阶跃阻抗单元与第四相位补偿线的一端连接。第二相位补偿线与第四相位补偿线的另一端连接在一起。
进一步地，所述的第一阶跃阻抗单元包括第一低阻抗微带线和第一高阻抗微带线。第一低阻抗微带线的内端与第一高阻抗微带线的内端连接。前一个第一阶跃阻抗单元内第一高阻抗微带线的外端与后一个第一阶跃阻抗单元内第一低阻抗微带线的外端连接。
进一步地，所述的同一第一阶跃阻抗单元内，第一低阻抗微带线的电长度大于第一高阻抗微带线的电长度。
进一步地，所述的第二阶跃阻抗单元包括第二低阻抗微带线和第二高阻抗微带线。第二低阻抗微带线的内端与第二高阻抗微带线的内端连接。前一个第二阶跃阻抗单元内第二低阻抗微带线的外端与后一个第二阶跃阻抗单元内第二高阻抗微带线的外端连接。
进一步地，同一第二阶跃阻抗单元内，第二低阻抗微带线的电长度大于第二高阻抗微带线的电长度。
该新型双频带Chireix功率合成网络的设计方法具体如下：
步骤一、根据设计要求，确定滤波器阶数n、通频带、通带衰减、阻带衰减。设计要求包括输入信号的相位θ、S31参数和两个工作频点。
步骤二、滤波器阶数n、通频带、通带衰减、阻带衰减，设计出一个阶跃阻抗微带线结构的带通滤波器。
步骤三、在步骤二所得带通滤波器的频率与相移关系图中，找到相移分别为90°和-90°的两个频率点；将该两个频率点分别作为特征频率点。进入步骤四。
步骤四、计算两个特征频率点之间的频率差值；若两个特征频率点之间的频率差值减去两个工作频点之间的频率差值的所得值的绝对值小于误差阈值，则进入步骤五；否则，重复步骤二和三。
步骤五、将第一个步骤二所得的带通滤波器的两端分别连上第一相位补偿线、第二相位补偿线，得到第一带通滤波器；将第二个步骤二所得的带通滤波器的两端分别连上第三相位补偿线、第四相位补偿线线，得到第二带通滤波器。
步骤六、调整第一相位补偿线、第二相位补偿线、第三相位补偿线及第四相位补偿线线的阻抗，使得第一带通滤波器内两个特征频率点中较小的那个频率值与两个工作频点中较小的那个频率值相等；第二带通滤波器内两个特征频率点中较小的那个频率值与两个工作频点中较小的那个频率值相等。
步骤七、调整第一相位补偿线、第二相位补偿线、第三相位补偿线及第四相位补偿线线的电长度，使得第一带通滤波器与第二带通滤波器之间的相移差值达到2θ。
进一步地，步骤一中，通频带是根据工作频点确定的；确定原则为：两个工作频点均位于通频带内。
进一步地，步骤二中，带通滤波器通过ADS软件设计得到。
进一步地，步骤四中，误差阈值为50MHz。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明将偶数阶滤波器加入在Chireix合成器中，利用偶数阶滤波器在其截止频率下的相移为90°和-90°的特点，使得Chireix合成器在两个频点下均实现高效率的合成。这相比于传统Chireix合成器只能在单频点下实现合成的特点，大大扩展了Outphasing功率放大系统的工作频点。
2、本发明中的第一带通滤波器与第二带通滤波器组合后可以看做反向的阻抗压缩网络(RCN)。而阻抗压缩网络能够有效减小频率变化带来的输入阻抗变化，从而提高了本发明的合成效率。
3、本发明中不需要使用现有的Chireix合成器结构中补偿电抗，结构更加简洁。
附图说明
图1为Outphasing功率放大系统的系统框图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明所得合成网络的S31参数仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示，新型双频带Chireix功率合成网络，包括第一带通滤波器和第二带通滤波器。第一带通滤波器包括第一相位补偿线Z1、第二相位补偿线Z6和依次相连的n个第一阶跃阻抗单元，n为偶数。第一阶跃阻抗单元包括第一低阻抗微带线和第一高阻抗微带线。第一低阻抗微带线的内端与第一高阻抗微带线的内端连接。第一带通滤波器中，前一个第一阶跃阻抗单元内第一高阻抗微带线的外端与后一个第一阶跃阻抗单元内第一低阻抗微带线的外端连接。位于首端的第一阶跃阻抗单元内第一低阻抗微带线的外端接第一相位补偿线Z1的一端连接。位于尾端的第一阶跃阻抗单元内第一高阻抗微带线的外端接第二相位补偿线Z6的一端连接。同一第一阶跃阻抗单元内，第一低阻抗微带线的电长度大于第一高阻抗微带线的电长度。
第二带通滤波器包括第三相位补偿线Z7、第四相位补偿线线Z12和依次相连的n个第二阶跃阻抗单元。第二阶跃阻抗单元包括第二低阻抗微带线和第二高阻抗微带线。第二低阻抗微带线的内端与第二高阻抗微带线的内端连接。第二带通滤波器中，前一个第二阶跃阻抗单元内第二低阻抗微带线的外端与后一个第二阶跃阻抗单元内第二高阻抗微带线的外端连接。位于首端的第二阶跃阻抗单元内第二高阻抗微带线的外端接第三相位补偿线Z7的一端连接。位于尾端的第二阶跃阻抗单元内第二低阻抗微带线的外端接第四相位补偿线Z12的一端连接。同一第二阶跃阻抗单元内，第二低阻抗微带线的电长度大于第二高阻抗微带线的电长度。
可以看出，第一带通滤波器和第二带通滤波器内阶跃阻抗线的排列次序相反，从而使得第一带通滤波器与第二带通滤波器内低阻抗微带线相互错开，避免电磁耦合效应。
第一相位补偿线Z1、第三相位补偿线Z7的另一端分别作为两个输入端口。第二相位补偿线Z6与第四相位补偿线Z12的另一端通过T型微带线的其中两个端口连接在一起；T型微带线的第三个端口作为合成输出端口。
本实施例中，n＝2，第一个第一阶跃阻抗单元内的第一低阻抗微带线、第一高阻抗微带线分别为图2中的微带线Z2、Z3；第二个第一阶跃阻抗单元内的第一低阻抗微带线、第一高阻抗微带线分别为图2中的微带线Z4、Z5。第一个第二阶跃阻抗单元内的第二高阻抗微带线、第二低阻抗微带线分别为图2中的微带线Z8、Z9。第二个第二阶跃阻抗单元内的第二高阻抗微带线、第二低阻抗微带线分别为图2中的微带线Z10、Z11。
一些偶数阶滤波器(n＝2,6,10..)在其截止频率下的相移为90°和-90°，而输入Chireix合成器的射频信号为异相信号。故将偶数阶滤波器加入在Chireix合成器中能够使得Chireix合成器在两个频点下均实现高效率的合成。这相比于传统Chireix合成器只能在单频点下实现合成的特点，大大扩展了Outphasing功率放大系统的工作频点。
同时，第一带通滤波器与第二带通滤波器组合后可以看做反向的阻抗压缩网络(RCN)。而阻抗压缩网络能够有效减小频率变化带来的输入阻抗变化，从而提高了本发明的合成效率。
该新型双频带Chireix功率合成网络的设计方法具体如下：
步骤一、根据设计要求，确定滤波器阶数n、通频带、通带衰减、阻带衰减。设计要求包括输入信号的相位θ、S31参数和两个工作频点。通频带是根据工作频点确定的；确定原则为：两个工作频点均位于通频带内。本实施例中，S31参数的要求为大于-3dB；两个工作频点分别为4.4GHz、5.2GHz，滤波器阶数为2，通频带选用4.3～5.3GHz，通带衰减为0.2dB，阻带衰减为20dB，所得的带通滤波器即为两个第一阶跃阻抗单元连接后的状态。
步骤二、滤波器阶数n、通频带、通带衰减、阻带衰减，在ADS软件(Advanced DesignSystem，先进设计系统)设计出一个阶跃阻抗微带线结构的带通滤波器。
步骤三、在步骤二所得带通滤波器的频率与相移关系图中，找到相移分别为90°和-90°的两个频率点；将该两个频率点分别作为特征频率点。进入步骤四。
步骤四、计算两个特征频率点之间的频率差值；若两个特征频率点之间的频率差值减去两个工作频点之间的频率差值的所得值的绝对值小于误差阈值，则进入步骤五；否则，重复步骤二和三。误差阈值为50MHz。
步骤五、将一个步骤二所得的带通滤波器的两端分别连上第一相位补偿线Z1、第二相位补偿线Z6，得到第一带通滤波器；将另一个步骤二所得的带通滤波器的两端分别连上第三相位补偿线Z7、第四相位补偿线线Z12，得到第二带通滤波器。
步骤六、调整第一相位补偿线Z1、第二相位补偿线Z6、第三相位补偿线Z7及第四相位补偿线线Z12的阻抗(即宽度)，从而使得第一带通滤波器内两个特征频率点(相移分别为90°和-90°的频率点)中较小的那个频率值与两个工作频点中较小的那个频率值相等；第二带通滤波器内两个特征频率点中较小的那个频率值与两个工作频点中较小的那个频率值相等。
步骤七、调整第一相位补偿线Z1、第二相位补偿线Z6、第三相位补偿线Z7及第四相位补偿线线Z12的电长度，使得第一带通滤波器与第二带通滤波器之间的相移差值达到2θ。θ为第一支路输入信号的相位，-θ为第二支路输入信号的相位。
本实施例中所得新型双频带Chireix功率合成网络的S31参数仿真图如图3所示。可以看出，所得合成网络在频率4.4GHz、5.2GHz下S31参数均大于-3dB，呈在双频点均实现高效率的合成。

Claims (9)

1.新型双频带Chireix功率合成网络，其特征在于：包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；所述的第一带通滤波器包括第一相位补偿线、第二相位补偿线和依次相连的n个第一阶跃阻抗单元，n为偶数；位于首端的第一阶跃阻抗单元与第一相位补偿线的一端连接；位于尾端的第一阶跃阻抗单元与第二相位补偿线的一端连接；
所述的第二带通滤波器包括第三相位补偿线、第四相位补偿线线和依次相连的n个第二阶跃阻抗单元；位于首端的第二阶跃阻抗单元与第三相位补偿线的一端连接；位于尾端的第二阶跃阻抗单元与第四相位补偿线的一端连接；第二相位补偿线与第四相位补偿线的另一端连接在一起。
2.根据权利要求1所述的新型双频带Chireix功率合成网络，其特征在于：所述的第一阶跃阻抗单元包括第一低阻抗微带线和第一高阻抗微带线；第一低阻抗微带线的内端与第一高阻抗微带线的内端连接；前一个第一阶跃阻抗单元内第一高阻抗微带线的外端与后一个第一阶跃阻抗单元内第一低阻抗微带线的外端连接。
3.根据权利要求2所述的新型双频带Chireix功率合成网络，其特征在于：所述的同一第一阶跃阻抗单元内，第一低阻抗微带线的电长度大于第一高阻抗微带线的电长度。
4.根据权利要求1所述的新型双频带Chireix功率合成网络，其特征在于：所述的第二阶跃阻抗单元包括第二低阻抗微带线和第二高阻抗微带线；第二低阻抗微带线的内端与第二高阻抗微带线的内端连接；前一个第二阶跃阻抗单元内第二低阻抗微带线的外端与后一个第二阶跃阻抗单元内第二高阻抗微带线的外端连接。
5.根据权利要求4所述的新型双频带Chireix功率合成网络，其特征在于：同一第二阶跃阻抗单元内，第二低阻抗微带线的电长度大于第二高阻抗微带线的电长度。
6.如权利要求1所述的新型双频带Chireix功率合成网络的设计方法，其特征在于：
步骤一、根据设计要求，确定滤波器阶数n、通频带、通带衰减、阻带衰减；设计要求包括输入信号的相位θ、S31参数和两个工作频点；
步骤二、滤波器阶数n、通频带、通带衰减、阻带衰减，设计出一个阶跃阻抗微带线结构的带通滤波器；
步骤三、在步骤二所得带通滤波器的频率与相移关系图中，找到相移分别为90°和-90°的两个频率点；将该两个频率点分别作为特征频率点；进入步骤四；
步骤四、计算两个特征频率点之间的频率差值；若两个特征频率点之间的频率差值减去两个工作频点之间的频率差值的所得值的绝对值小于误差阈值，则进入步骤五；否则，重复步骤二和三；
步骤五、将第一个步骤二所得的带通滤波器的两端分别连上第一相位补偿线、第二相位补偿线，得到第一带通滤波器；将第二个步骤二所得的带通滤波器的两端分别连上第三相位补偿线、第四相位补偿线线，得到第二带通滤波器；
步骤六、调整第一相位补偿线、第二相位补偿线、第三相位补偿线及第四相位补偿线线的阻抗，使得第一带通滤波器内两个特征频率点中较小的那个频率值与两个工作频点中较小的那个频率值相等；第二带通滤波器内两个特征频率点中较小的那个频率值与两个工作频点中较小的那个频率值相等；
步骤七、调整第一相位补偿线、第二相位补偿线、第三相位补偿线及第四相位补偿线线的电长度，使得第一带通滤波器与第二带通滤波器之间的相移差值达到2θ。
7.根据权利要求1所述的新型双频带Chireix功率合成网络的设计方法，其特征在于：步骤一中，通频带是根据工作频点确定的；确定原则为：两个工作频点均位于通频带内。
8.根据权利要求1所述的新型双频带Chireix功率合成网络的设计方法，其特征在于：步骤二中，带通滤波器通过ADS软件设计得到。
9.根据权利要求1所述的新型双频带Chireix功率合成网络的设计方法，其特征在于：步骤四中，误差阈值为50MHz。
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