CN110445471B - 一种双波段可重构射频功率放大器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双波段可重构射频功率放大器及其控制方法，涉及通信技术领域。该系统包括输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、晶体管、偏置电路、输出匹配电路以及输出端口。所述控制方法包括：对要放大的目标信号进行采集，将目标信号转换为目标频段后将转换后的信号进行放大，同时将转换并放大后的信号传入信号接收装置。本发明将可重构功率放大器与双频匹配网络相结合，增大了设计自由度，简化了电路结构，解决了匹配电路对可重构功率放大器频段间隔限制的问题，电路整体性能显著提升，实现了信号在不同的两个频段之间进行切换，可以工作在当前主流通信频段，解决了各个系统之间兼容性问题，能够更加合理地利用通信系统的频谱资源。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种双波段可重构射频功率放大器及其控制方法。
背景技术
随着5G通信的出现，通信系统的频段和标准越来越多，通信质量和容量的需求也越来越高。通信系统需要不断地更新，以适应多标准、多模式的无线通信。但是，传统功率放大器的工作标准比较单一，限制了通信行业的发展。因此无线通信系统将会朝着智能化和多元化的方向发展，可重构理论作为实现系统智能化和多元化的关键技术，是指通过开关和变容器件等可重构器件对无源网络进行控制，使得模块可以重构，实现不同的功能。功率放大器作为系统关键模块，对其进行可重构研究已经成为学术界和工业界的热点。然而目前存在的宽带功放在整个频带范围内性能存在差异且由于带宽有限，不能覆盖较多的通信系统。
与其他双波段功率放大器相比，双波段可重构功率放大器可以独立工作在两个不同频段，具有智能化、灵活性、可重构性的优势，降低了多模多带无线通信设备的体积和成本，缓解了频谱资源紧张的问题，在未来5G通信和其他领域具有更广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种双波段可重构射频功率放大器及其控制方法。本发明将可重构功率放大器与双频匹配网络相结合，增大了设计自由度，简化了电路结构，解决了匹配电路对可重构功率放大器频段间隔限制的问题，电路整体性能显著提升。本发明实现了信号在不同的两个频段之间进行切换，可以工作在当前主流通信频段，解决了各个系统之间兼容性问题，能够更加合理地利用通信系统的频谱资源。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种双波段可重构射频功率放大器，包括输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、稳定网络、晶体管、偏置电路、输出匹配电路、输出端口、干路微带线；
所述输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、稳定网络、偏置电路、晶体管和输出匹配电路、输出端口依次串联连接；
所述输入匹配电路包括干路微带线和电容，端口P1连接微带线TL1输入端，微带线TL1输出端连接电容C1输入端，电容C1输出端连接T型连接器Tee1输入端，T型连接器Tee1输出端连接电容C2和地，T型连接器Tee1输出端与微带线TL2输入端连接，微带线TL2输出端与T型连接器Tee2输入端连接，T型连接器Tee2输出端连接电容C3和地，T型连接器Tee2输出端与微带线TL3输入端连接，微带线TL3输出端与T型连接器Tee3输入端连接，T型连接器Tee3输出端连接电容C4，电容C4与微带线TL6输入端连接，微带线TL6输出端连接电容C6输入端，电容C6输出端与T型连接器Tee5输入端连接，T型连接器Tee5中端与电感L1连接，电感L1与T型连接器Tee6输入端连接，T型连接器Tee6中端与电容C8和地连接，T型连接器Tee6输出端与电阻R2连接，电阻R2与电源SRC1和地连接，T型连接器Tee5输出端与PIN开关X1和地连接，T型连接器Tee3输出端与微带线TL4输入端连接，微带线TL4输出端与T型连接器Tee4连接，T型连接器Tee4中端连接电容C5，电容C5与微带线TL7输入端连接，微带线TL7输出端连接电容C7输入端，电容C7输出端与T型连接器Tee6输入端连接，T型连接器Tee6中端与电感L2连接，电感L2与T型连接器Tee7输入端连接，T型连接器Tee7中端与电容C9和地连接，T型连接器Tee7输出端与电阻R1连接，电阻R1与电源SRC2和地连接，T型连接器Tee5输出端与PIN开关X2和地连接，T型连接器Tee4输出端与TL5输入端连接，微带线TL5输出端连接端口P2。
所述单刀单掷开关为基于PIN二极管的集总参数结构，包括term端口两个，PIN二极管，电容C1和C2，电阻R1；单刀单掷开关直接与偏置电路和晶体管进行串联连接；通过对不同的单刀单掷开关的开闭动作，使输入匹配电路在保持干路微带线不变的情况下，实现对两个不同频段的切换功能；
所述稳定网络端口P1连接电阻R3与电容C10并联的输入端，电阻R3与电容C10并联的输出端与T型连接器Tee9输入端连接，T型连接器Tee9中端与电容C11和地连接，T型连接器Tee9输出端与端口P2连接。
所述晶体管与偏置电路和输出匹配电路依次串联连接；
所述偏置电路包括微带线TL10-TL15，扇形微带线Stub1和Stub2，微带线Taper1和Taper2，端口P1、P2以及连接微带线，设计部分依次串联连接，端口P1与微带线TL10输入端连接，微带线TL10输出端与弧型连接器Curve1连接，弧型连接器Curve1与微带线TL11连接，微带线TL11与扇形微带线Stub1连接，扇形微带线Stub1与微带线TL12连接，微带线TL12与微带线Taper2连接，微带线Taper2与T型连接器Tee2中端连接，T型连接器Tee2输入端与输入匹配电路连接，T型连接器Tee2输出端与功放管CGH40010F栅极连接，功放管CH40010F漏极与地连接，功放管CH40010F源极与T型连接器Tee1输入端连接，T型连接器Tee1中端与微带线Taper1连接，微带线Taper1与微带线TL13连接，微带线TL13与扇形微带线Stub1连接，扇形微带线Stub2与微带线TL14连接，微带线TL14与弧型连接器Curve2连接，弧型连接器Curve2与微带线TL15连接，微带线TL15与端口P2连接，；
所述输出匹配电路为双频匹配网络，包括端口P1、P2，串行电容C12，微带线TL16-TL25，端口P1连接电容C12，电容C12连接微带线TL16，微带线TL16分别与微带线TL17和微带线TL18串联后和微带线TL19并联，再与微带线TL22串联，微带线TL18接地，微带线TL19与微带线TL20和微带线TL21连接，微带线TL21接地，微带线TL22与微带线TL23串联，微带线TL23与微带线TL24并联后与微带线TL25串联，微带线TL25接地；
所述输出端口与所述输出匹配电路相适应并连接；
所述干路微带线分别连接输入端口、晶体管和偏置电路；所述干路微带线上接有5个电容。
另一方面，本发明还提供一种双波段可重构射频功率放大器控制方法，通过所述的一种双波段可重构射频功率放大器实现；包括以下步骤：
步骤1：将要放大的目标信号接入输入端口，并传入所述干路微带线；
步骤2：通过对单刀单掷开关进行控制，将目标信号转换为目标频段；
步骤3：通过晶体管和偏置电路，将转换后的信号进行放大；
步骤4：将转换并放大后的信号通过输出端口传出，完成对要放大信号的频段切换与放大功能。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明实现了信号在不同的两个频段之间进行切换，可以工作在当前主流通信频段，解决了各个系统之间兼容性问题，能够更加合理地利用通信系统的频谱资源；通过单刀单掷开关的构建，降低了可重构功放以及其他射频模块的设计难度；利用单刀单掷开关控制输入匹配电路的方法，使得匹配网络容易实现；采用双频匹配网络作为输出匹配电路，提高了整体功放的效率；通过上述设计使得功放易于实现且达到高效率的目的，同时更加有利于通信系统的小型化和集成化，本发明设计合理，易于实现，具有很好的实用价值。
附图说明
图1为双波段可重构射频功率放大器的结构示意图；
图中，1-输入端口，2-输入匹配电路，3-单刀单掷开关，4-稳定网络，5-晶体管，6-偏置电路，7-输出匹配电路，8-输出端口，9-干路微带线；
图2为实施例中输入匹配电路图
图3为实施例中单刀单掷开关电路图；
图4为实施例中单刀单掷开关仿真结果图；
图5为实施例中稳定网络图；
图6为实施例中偏置电路图；
图7为实施例中输出匹配电路图；
图8为双波段可重构射频功率放大器控制方法流程图；
图9为实施例中0.945GHz可重构功放性能仿真结果图；
图中：(a)为增益、PAE曲线，(b)为输出功率曲线；
图10为实施例中2.6GHz可重构功放性能仿真结果图；
图中：(a)为增益、PAE曲线，(b)为输出功率曲线；
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种双波段可重构射频功率放大器，如图1所示，包括输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、稳定网络、晶体管、偏置电路、输出匹配电路、输出端口、干路微带线；
所述输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、稳定网络、偏置电路、晶体管和输出匹配电路、输出端口依次串联连接；
所述输入匹配电路包括干路微带线和电容；本实施例中的输入匹配电路如图2所示，端口P1连接微带线TL1输入端，微带线TL1输出端连接电容C1输入端，电容C1输出端连接T型连接器Tee1输入端，T型连接器Tee1输出端连接电容C2和地，T型连接器Tee1输出端与微带线TL2输入端连接，微带线TL2输出端与T型连接器Tee2输入端连接，T型连接器Tee2输出端连接电容C3和地，T型连接器Tee2输出端与微带线TL3输入端连接，微带线TL3输出端与T型连接器Tee3输入端连接，T型连接器Tee3输出端连接电容C4，电容C4与微带线TL6输入端连接，微带线TL6输出端连接电容C6输入端，电容C6输出端与T型连接器Tee5输入端连接，T型连接器Tee5中端与电感L1连接，电感L1与T型连接器Tee6输入端连接，T型连接器Tee6中端与电容C8和地连接，T型连接器Tee6输出端与电阻R2连接，电阻R2与电源SRC1和地连接，T型连接器Tee5输出端与PIN开关X1和地连接，T型连接器Tee3输出端与微带线TL4输入端连接，微带线TL4输出端与T型连接器Tee4连接，T型连接器Tee4中端连接电容C5，电容C5与微带线TL7输入端连接，微带线TL7输出端连接电容C7输入端，电容C7输出端与T型连接器Tee6输入端连接，T型连接器Tee6中端与电感L2连接，电感L2与T型连接器Tee7输入端连接，T型连接器Tee7中端与电容C9和地连接，T型连接器Tee7输出端与电阻R1连接，电阻R1与电源SRC2和地连接，T型连接器Tee5输出端与PIN开关X2和地连接，T型连接器Tee4输出端与TL5输入端连接，微带线TL5输出端连接端口P2；
本实施例中的单刀单掷开关如图3所示，是基于PIN二极管的集总参数结构，其数量为2个，包括term端口两个，型号为smp1322的PIN二极管一个，电容C1和C2两个，电阻R1一个。通过对不同的单刀单掷开关的开闭动作，使输入匹配电路在保持干路微带线不变的情况下，实现对两个不同频段的切换功能；单刀单掷开关S参数的仿真结果如图4所示，从图4可以看出在0.945GHz和2.6GHz三个频段内，当开关接通时，回波损耗S(1,1)小于-11.5dB，插入损耗S(2,1)大于-0.4dB；在开关断开时，回波损耗S(1,1)大于-0.3dB，插入损耗S(2,1)小于-12dB。从上述仿真结果可知，本发明所设计的单刀单掷开关在导通和断开时性能较好，可以满足设计要求。
所述稳定网络如图5所示，端口P1连接电阻R3与电容C10并联的输入端，电阻R3与电容C10并联的输出端与T型连接器Tee9输入端连接，T型连接器Tee9中端与电容C11和地连接，T型连接器Tee9输出端与端口P2连接。
所述晶体管与偏置电路和输出匹配电路依次串联连接；
本实施例中偏置电路如图6所示，包括微带线TL10-TL15，扇形微带线Stub1和Stub2，微带线Taper1和Taper2，端口P1、P2以及连接微带线，设计部分依次串联连接，端口P1与微带线TL10输入端连接，微带线TL10输出端与弧型连接器Curve1连接，弧型连接器Curve1与微带线TL11连接，微带线TL11与扇形微带线Stub1连接，扇形微带线Stub1与微带线TL12连接，微带线TL12与微带线Taper2连接，微带线Taper2与T型连接器Tee2中端连接，T型连接器Tee2输入端与输入匹配电路连接，T型连接器Tee2输出端与功放管CGH40010F栅极连接，功放管CH40010F漏极与地连接，功放管CH40010F源极与T型连接器Tee1输入端连接，T型连接器Tee1中端与微带线Taper1连接，微带线Taper1与微带线TL13连接，微带线TL13与扇形微带线Stub1连接，扇形微带线Stub2与微带线TL14连接，微带线TL14与弧型连接器Curve2连接，弧型连接器Curve2与微带线TL15连接，微带线TL15与端口P2连接，该设计不仅拓展了高输入阻抗偏置电路的带宽，还可以通过调整微带线值使得晶体管的工作状态符合静态工作点，有效地保持电路的稳定性。通过设置Vhigh＝28V，Vlow＝-2.5V，经仿真调试，得到的效果很好。
所述输出匹配电路为双频匹配网络；本实施例中的输出匹配电路如图7所示，采用双频匹配网络与微带线结构相结合的方法可以使电路结构简单化，使仿真结果更加精确，提高整体功放的效率。根据求出的最佳负载阻抗值，利用ADS仿真软件中的Smith圆图进行输出匹配电路的设计，输出匹配电路包括端口P1、P2，串行电容C12，微带线TL16-TL25，端口P1连接电容C12，电容C12连接微带线TL16，微带线TL16分别与微带线TL17和微带线TL18串联后和微带线TL19并联，再与微带线TL22串联，微带线TL18接地，微带线TL19与微带线TL20和微带线TL21连接，微带线TL21接地，微带线TL22与微带线TL23串联，微带线TL23与微带线TL24并联后与微带线TL25串联，微带线TL25接地；
所述输出端口与所述输出匹配电路相适应并连接；
所述干路微带线分别连接输入端口、晶体管和偏置电路；所述干路微带线上接有5个电容；
本发明还提供一种双波段可重构射频功率放大器控制方法，通过所述的一种双波段可重构射频功率放大器实现；如图8所示，包括以下步骤：
步骤1：将要放大的目标信号接入输入端口，并传入所述干路微带线；
步骤2：通过对单刀单掷开关进行控制，将目标信号转换为目标频段；
步骤3：通过晶体管和偏置电路，将转换后的信号进行放大；
步骤4：将转换并放大后的信号通过输出端口传出，完成对要放大信号的频段切换与放大功能；
本实施例对本发明增益、PAE和输出功率的仿真，通过是否对PIN开关接入外部电压来控制单刀单掷开关的“开”与“关”，以改变功放的工作模式。模式“1”为0.945GHz频率下，大信号输入时的性能仿真结果如图9所示，此时开关1处于“开”状态，开关2处于“关”状态。
图9(a)为增益和PAE随输入功率变换曲线图，功放的小信号增益约为15dB，输出功率的增大，使功放在饱和区内工作，增益压缩现象出现，增益曲线开始下降，但没有出现骤降的情况，当输入功率为29dBm时，此时对应的增益为13dB，PAE为56.29％。图9(b)为功放的输出功率随输入功率变换曲线图，可知当输入功率为29dBm时，输出功率可达到42dBm。
模式“2”为2.6GHz频率下仿真结果如图10所示，开关状态与模式“1”相反。通过仿真结果可得知，图10(a)为增益和PAE随输入功率变换曲线图，功放的小信号增益约为13dB，图10(b)为功放的输出功率随输入功率变换曲线图，输入功率为29dBm时对应的输出功率可达到40dBm，PAE可达到61.67％，增益约为11.05dB，增益波动范围较小。从可重构功放的性能仿真结果图可知通过开关可以切换功放的工作状态且均具有优越的性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (1)
1.一种双波段可重构射频功率放大器控制方法，通过一种双波段可重构射频功率放大器实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将要放大的目标信号接入输入端口，并传入所述干路微带线；
步骤2：通过对单刀单掷开关进行控制，将目标信号转换为目标频段；
步骤3：通过晶体管和偏置电路，将转换后的信号进行放大；
步骤4：将转换并放大后的信号通过输出端口传出，完成对要放大信号的频段切换与放大功能；
所述一种双波段可重构射频功率放大器，包括输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、稳定网络、晶体管、偏置电路、输出匹配电路、输出端口、干路微带线；
所述输入端口、输入匹配电路、单刀单掷开关、稳定网络、偏置电路、晶体管和输出匹配电路、输出端口依次串联连接；
所述输入匹配电路包括干路微带线和电容，端口P1连接微带线TL1输入端，微带线TL1输出端连接电容C1输入端，电容C1输出端连接T型连接器Tee1输入端，T型连接器Tee1输出端连接电容C2和地，T型连接器Tee1输出端与微带线TL2输入端连接，微带线TL2输出端与T型连接器Tee2输入端连接，T型连接器Tee2输出端连接电容C3和地，T型连接器Tee2输出端与微带线TL3输入端连接，微带线TL3输出端与T型连接器Tee3输入端连接，T型连接器Tee3输出端连接电容C4，电容C4与微带线TL6输入端连接，微带线TL6输出端连接电容C6输入端，电容C6输出端与T型连接器Tee5输入端连接，T型连接器Tee5中端与电感L1连接，电感L1与T型连接器Tee6输入端连接，T型连接器Tee6中端与电容C8和地连接，T型连接器Tee6输出端与电阻R2连接，电阻R2与电源SRC1和地连接，T型连接器Tee5输出端与PIN开关X1和地连接，T型连接器Tee3输出端与微带线TL4输入端连接，微带线TL4输出端与T型连接器Tee4连接，T型连接器Tee4中端连接电容C5，电容C5与微带线TL7输入端连接，微带线TL7输出端连接电容C7输入端，电容C7输出端与T型连接器Tee6输入端连接，T型连接器Tee6中端与电感L2连接，电感L2与T型连接器Tee7输入端连接，T型连接器Tee7中端与电容C9和地连接，T型连接器Tee7输出端与电阻R1连接，电阻R1与电源SRC2和地连接，T型连接器Tee5输出端与PIN开关X2和地连接，T型连接器Tee4输出端与TL5输入端连接，微带线TL5输出端连接端口P2；
所述单刀单掷开关为基于PIN二极管的集总参数结构，包括term端口两个，PIN二极管，电容C1和C2，电阻R1；单刀单掷开关直接与偏置电路和晶体管进行串联连接；通过对不同的单刀单掷开关的开闭动作，使输入匹配电路在保持干路微带线不变的情况下，实现对两个不同频段的切换功能；
所述稳定网络端口P1连接电阻R3与电容C10并联的输入端，电阻R3与电容C10并联的输出端与T型连接器Tee9输入端连接，T型连接器Tee9中端与电容C11和地连接，T型连接器Tee9输出端与端口P2连接；
所述晶体管与偏置电路和输出匹配电路依次串联连接；
所述偏置电路包括微带线TL10-TL15，扇形微带线Stub1和Stub2，微带线Taper1和Taper2，端口P1、P2以及连接微带线，设计部分依次串联连接，端口P1与微带线TL10输入端连接，微带线TL10输出端与弧型连接器Curve1连接，弧型连接器Curve1与微带线TL11连接，微带线TL11与扇形微带线Stub1连接，扇形微带线Stub1与微带线TL12连接，微带线TL12与微带线Taper2连接，微带线Taper2与T型连接器Tee2中端连接，T型连接器Tee2输入端与输入匹配电路连接，T型连接器Tee2输出端与功放管CGH40010F栅极连接，功放管CH40010F漏极与地连接，功放管CH40010F源极与T型连接器Tee1输入端连接，T型连接器Tee1中端与微带线Taper1连接，微带线Taper1与微带线TL13连接，微带线TL13与扇形微带线Stub1连接，扇形微带线Stub2与微带线TL14连接，微带线TL14与弧型连接器Curve2连接，弧型连接器Curve2与微带线TL15连接，微带线TL15与端口P2连接；
所述输出匹配电路为双频匹配网络，包括端口P1、P2，串行电容C12，微带线TL16-TL25，端口P1连接电容C12，电容C12连接微带线TL16，微带线TL16分别与微带线TL17和微带线TL18串联后和微带线TL19并联，再与微带线TL22串联，微带线TL18接地，微带线TL19与微带线TL20和微带线TL21连接，微带线TL21接地，微带线TL22与微带线TL23串联，微带线TL23与微带线TL24并联后与微带线TL25串联，微带线TL25接地；
所述输出端口与所述输出匹配电路相适应并连接；
所述干路微带线分别连接输入端口、晶体管和偏置电路；所述干路微带线上接有5个电容。
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