CN110971194A - 一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器 - Google Patents

一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，晶体管源极接地，栅极连接RC稳定电路，漏极连接双频带二次谐波调节电路；RC稳定电路分别连接双频带输入匹配电路和双频带栅极直流偏置电路；双频带二次调节电路连接双频带二次谐波控制电路、双频带三次谐波调节电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路。本发明克服了现有技术电路复杂度过高和谐波阻抗控制不够精确导致的工作效率恶化问题；在满足双频带传输的前提下，有效简化了电路结构，同时进行了双频带谐波阻抗的控制，从而达到提升功放效率的目的。

Description

一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器
技术领域
本发明属于功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器。
背景技术
随着现代通信系统的进一步发展，不断增加的频段和操作模式对射频前端的要求越来越高。功率放大器作为射频前端中最关键以及耗能最大的组件，也需要具备高效率和多模多带的工作能力。射频功放技术主要存在两种的解决方案：宽频带功率放大器和多频带功率放大器。
连续模式，宽带E类和谐波调谐等技术提供了设计宽带高效功率放大器的潜力。然而，需要精确的谐波控制方法来实现这些高效模式，这对于宽带应用而言并不容易在整个设计频段上实现。对某些通信标准使用的特殊频段进行优化设计更加实用。多频带功率放大器也被认为是现代和未来通信系统的解决方案。所以，高效率多频带功率放大器的设计已成为功放研究领域的热点，而高效率双频带功率放大器是其中最基本的一类。
但是，目前已有的双频带功率放大器没有实现优异的功率附加效率（PAE）性能[1]- [4]。主要是由于它们实现的电路结构复杂，没有考虑谐波的阻抗，或者在两个工作频带上的谐波阻抗控制方法不够精确，这会降低双频带功率放大器的效率；在实际电路设计中，一般只考虑到三次谐波阻抗。
如何解决现有双频带功率放大器存在的问题，从而提高双频带功率放大器的PAE，已成为本领域亟需解决的问题。
【参考文献】
[1]R. Liu, et,al.“Concurrent dual-band power amplifier with differentoperation modes,”in IEEE MTT-S Int. Dig., Aug. 2011, pp. 1–3.
[2]C. Peng,et,al.“1.7/2.6 Ghz high-efficiency concurrent dual-band poweramplifier with dual-band harmonic wave controlled transformer,” IEEEElectron. Lett., vol. 50, no. 3, pp. 184–185,Jan. 2014.
[3]X. Fu, D. T. Bespalko, and S. Boumaiza, “Novel dual-band matchingnetwork for effective design of concurrent dual-band power amplifiers,”IEEETrans. Circuits Syst., vol. 61, no. 1, pp. 293–301, Jan. 2014.
[4]X. Chen,et,al.“ Enhanced analysis and design method of concurrentdual-band power amplifiers with intermodulation impedance tuning,” IEEETrans. Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 12, pp. 4544–4558, Dec. 2013。
发明内容
一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，克服了现有技术电路复杂度过高和谐波阻抗控制不够精确导致的工作效率恶化问题；在满足双频带传输的前提下，有效简化了电路结构，同时进行了双频带谐波阻抗的控制，从而达到提升功放效率的目的。
一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，晶体管输入端由RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；RC稳定电路位于晶体管和双频带栅极直流偏置电路之间；双频带栅极直流偏置电路位于双频带输入匹配电路和RC稳定电路之间；在两个工作频带f 1和f 2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，RC稳定电路用来保证功放的稳定性。晶体管输出端由双频带二次谐波调节电路、双频带二次谐波控制电路、双频带三次谐波调节电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成；所述双频带二次谐波调节电路位于晶体管和双频带二次谐波控制电路之间；所述双频带二次谐波控制电路位于双频带二次谐波调节电路和双频带三次谐波调节电路之间；所述双频带三次谐波调节电路位于双频带二次谐波控制电路和具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路之间；所述具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路位于双频带三次谐波调节电路和双频带输出匹配电路之间。
本发明提出的双频带二次谐波控制电路由传输线T11、T12构成，终端开路传输线T12接在传输线T11上；在两个工作频带的二次谐波2f 1和2f 2处，该电路提供2f 1和2f 2在A点的短路状态。传输线T11在A点和C点之间的电长度在2f 1下为θ1，T11另一段的电长度在2f 2下为θ2，该电路工作方式如下所述：
1、在低频带二次谐波2f 1下，终端开路传输线T12的电长度应为90o，在T12与T11的连接处C点呈现短路状态；传输线T11的电长度θ1在2f 1的电长度应为180o，使得2f 1在A点呈现短路状态；
2、在高频带二次谐波2f 2下，通过调节传输线T11的电长度θ2和特征阻抗，以及T12的特征阻抗，使得高频带二次谐波2f 2在A点呈现短路状态。
所述双频带二次谐波调节电路由两段串联的传输线构成，将两个工作频带的二次谐波2f 1和2f 2在A点的短路状态转换到晶体管最佳的二次谐波负载阻抗处；所述双频带三次谐波调节电路由两段串联的传输线构成，将两个工作频带的三次谐波3f 1和3f 2在B点的短路状态转换到晶体管最佳的三次谐波负载阻抗处；所述具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件，以及提供两个工作频带的三次谐波3f 1和3f 2处，在B点的短路状态；所述双频带输出匹配电路能在基波频率f 1 和f 2 处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。
本发明的有益效果是：（1）实现了高达三次谐波负载阻抗的控制，可以进一步提高功放的效率；（2）提出了一种新型的谐波控制电路，简化了电路结构的同时，实现了两个工作频带的二次谐波控制；（3）设计的双频带谐波控制电路独立于双频带基波阻抗匹配电路，可以很好地对谐波阻抗进行控制。
附图说明
图1是一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器的原理框图；
图2是一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器的电路结构图；
图3是本发明提出的双频带二次谐波控制电路的结构示意图；
图4是双频带二次谐波调节电路在smith圆中的工作示意图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本发明提供的一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其原理框图如图1所示，其中，晶体管输入端由R-C稳定电路、双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；晶体管输出端由双频带二次谐波调节电路、双频带二次谐波控制电路、双频带三次谐波调节电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成。
图2所示为基于谐波控制的高效双频带功率放大器的电路结构图。低频带基波为f 1 ，高频带基波为f 2 ；双频带输入匹配电路和双频带输出匹配电路都由三段串联的传输线和一段并联开路传输线构成，在两个工作频带处匹配晶体管最优基波阻抗到50Ω；R-C稳定电路与栅极偏置线连接的电阻R 1 用来保证功放的稳定性；并联的扇形线T8和传输线T5、T6、T7一起构成双频带栅极偏置电路；并联的扇形线T18、T20和传输线T15、T16、T17、T19一起构成具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路，在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件，以及两个工作频带的三次谐波3f 1和3f 2处在B点的短路状态。
图3所示为本发明提出的双频带二次谐波控制电路的结构示意图，由两段传输线T11、T12构成，其中T11接在T12上；对于两个工作频带的二次谐波2f 1 和2f 2 ，双频带二次谐波控制电路可以在A点呈现短路状态。具体实现原理和方法阐述如下：
为了简化问题，假设传输线T11的特征阻抗为Z1，T11在A点和C点之间的电长度在2f 1下为θ1，T11另一段的电长度在2f 2下为θ2；并联的开路传输线T12的特征阻抗为Z2，在2f 1下的电长度为θ3；阻抗Z为2f 1 和2f 2 在A点呈现的阻抗；从A点向C点方向，在C点呈现的阻抗为ZL。
在低频带二次谐波2f 1下，终端开路传输线T12的电长度θ3应为90o，此时，传输线T11的电长度θ1在2f 1的电长度应为180o，所以在A点呈现的阻抗Z为零，使得2f 2在A点呈现短路状态。
在高频带二次谐波2f 2下，在C点的阻抗ZL的表达式如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
表达式（2）为在A点呈现的阻抗Z：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）
为了将高频带二次谐波2f 1在A点呈现短路状态，需要将式（2）为零，也就是式（2）的分子为零，因为特征阻抗Z1不为零，所以如式（3）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
将式（1）代入式（3），通过化简式（3）,即可求得传输线T11另一段在2f 2下的电长度θ2，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（4）
如式（4）所示。
双频带二次谐波调节电路由串联的传输线T9、T10组成；图4是双频带二次谐波调节电路在smith圆中的工作示意图，黑色方块为smith圆的短路点A，黑色圆为通过ADS软件的负载牵引仿真得到的晶体管在2f 1下的最佳负载阻抗，黑色五角星为通过ADS软件的负载牵引仿真得到的晶体管在2f 2下的最佳负载阻抗。双频带二次谐波控制电路在A点呈现两个工作频带二次谐波2f 1和2f 2的短路状态后，调节传输线T9、T10，将2f 1和2f 2在A点的短路状态转换到晶体管最佳的二次谐波负载阻抗处。双频带三次谐波调节电路工作方式同样如此。

Claims (6)

1.一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其特征在于：晶体管输入端由RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；RC稳定电路位于晶体管和双频带栅极直流偏置电路之间；双频带栅极直流偏置电路位于双频带输入匹配电路和RC稳定电路之间；在两个工作频带f 1和f 2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，RC稳定电路用来保证功放的稳定性；晶体管输出端由双频带二次谐波调节电路、双频带二次谐波控制电路、双频带三次谐波调节电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成；所述双频带二次谐波调节电路位于晶体管和双频带二次谐波控制电路之间；所述双频带二次谐波控制电路位于双频带二次谐波调节电路和双频带三次谐波调节电路之间；所述双频带三次谐波调节电路位于双频带二次谐波控制电路和具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路之间；所述具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路位于双频带三次谐波调节电路和双频带输出匹配电路之间。
2.根据权利要求1所述一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其特征在于：双频带二次谐波控制电路由传输线T11、T12构成，终端开路传输线T12接在传输线T11上；在两个工作频带的二次谐波2f 1和2f 2处，该电路提供2f 1和2f 2在A点的短路状态；传输线T11在A点和C点之间的电长度在2f 1下为θ1，T11另一段的电长度在2f 2下为θ2。
3.根据权利要求1所述一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其特征在于：双频带二次谐波调节电路由两段串联的传输线构成，将两个工作频带的二次谐波2f 1和2f 2在A点的短路状态转换到晶体管最佳的二次谐波负载阻抗处。
4.根据权利要求1所述一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其特征在于：所述双频带三次谐波调节电路由两段串联的传输线构成，将两个工作频带的三次谐波3f 1和3f 2在B点的短路状态转换到晶体管最佳的三次谐波负载阻抗处。
5.根据权利要求1所述一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其特征在于：所述具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件，以及提供两个工作频带的三次谐波3f 1和3f 2处，在B点的短路状态。
6.根据权利要求1所述一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器，其特征在于：所述双频带输出匹配电路能在基波频率f 1 和f 2 处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。
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