CN111446934A - 非对称Chireix合成架构及其设计方法 - Google Patents

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程知群
徐鹏
刘国华
孟明文
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    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了非对称Chireix合成架构及其设计方法，包括第一支路和第二支路，所述第一支路设置第一功率放大器，所述第二支路设置第二功率放大器，所述第一功率放大器的输入端与第一信号相连接，所述第二功率放大器的输入端与第二信号相连接，所述第一信号和第二信号为非对称恒包络相位调制信号；所述第一功率放大器和第二功率放大器的输出端与非对称Chireix功率合成器相连接。采用本发明的非对称Chireix合成架构，具有比传统Chireix合成架构小的异相角，能够改善传统Chireix合成架构的输出效率，而且能改善传统Chireix合成架构只能在单一频点高效率输出，拓展了带宽。

Description

非对称Chireix合成架构及其设计方法
技术领域
本发明属于射频功率放大器技术领域，具体涉及一种非对称Chireix合成架构及其设计方法。
背景技术
目前5G技术火热，作为下一代无线通信网络，相比于目前已普及的4G技术，有着更高的网络传输速率，最快能达到4G的上百倍。随着通信速率越来越高的要求，现代无线通信系统使用越来越复杂和有效的数字调制方法，导致信号的峰均功率比比较大。这种信号对于射频功率放大器在高速率通信中具有重要意义，在保持高效率的情况下还能保持信号的带宽，但是会导致线性度的恶化。为了解决射频功率放大器的线性效率问题，人们付出了巨大的努力，并由此产生了各种各样的架构，包括polar、outphasing、包络跟踪，前馈技术，负反馈技术。
在outphasing系统中，将同时包含振幅和相位调制的输入信号分成两个恒包络相位调制信号。原始信号的放大是通过改变这两个信号的相位并将放大后的支路信号与无源功率合成器相加来实现的。当分支为同相时，得到最大包络；当分支为反相时，得到最小包络。该技术的优点是可以使用高效的开关类功率放大器对两个恒包络相位调制信号进行放大，在不降低线性的情况下提高整体效率。
在outphasing系统中，为了避免上下支路相互的负载调制，保证线性度，应该使用隔离合成器。如威尔金森合成器，它通过隔离两个功率放大器，并为每个功率放大器提供一个固定的负载阻抗。但是隔离合成器只有在最大输出功率的情况下才能达到100％的效率。不然功率就会在隔离电阻中以热的形式浪费掉，降低了效率。非隔离的outphasing合成器在损失一定线性度的代价下，能够提高合成器的效率，比如Chireix合成器就是常见的非隔离合成器。
传统的Chireix合成架构如图1所示，是将经过功率放大器放大的两路具有对称相位±θ(t)的等幅信号,进行合成,如图2所示，为传统Chireix合成器输出信号的矢量合成，导致Chireix合成器异相角偏大，降低效率。而且由于没有隔离电阻的存在，会导致其中的一路电路对另一路电路产生负载调制作用，在中心频点时，通过两支路加入对称电抗，可以弥补非隔离合成器中由两支路相互影响带来的电抗部分，但在偏移中心频点时，两支路相互影响带来的电抗部分无法完全抵消，导致传统的Chireix合成架构带宽比较窄，效率低。
所以，针对上述这种问题，有必要深入研究分析，提供一种宽带高效率Chireix合成架构。
发明内容
针对现有设计方式存在的缺陷，本发明提出一种非对称Chireix合成架构及其设计方法，采用新型非对称Chireix合成器，具有比传统Chireix功率合成器小的异相角，提高了效率，同时解决了传统Chireix合成架构只能在单一频点实现高效率。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明，通过输入非对称恒包络相位调制信号，将放大后的输出信号经过非对称Chireix合成器进行合成，如图4所示，为非对称Chireix合成器输出信号的矢量合成，非对称Chireix合成器具有比传统Chireix合成器小的异相角，提高了效率。而且由于采用上下非对称信号，阻抗轨迹会分别向上向下移动，然后通过适当添加电抗元件旋转阻抗轨迹，使在史密斯圆上两支路的阻抗轨迹上下对称，抵消电抗，实现了在一定带宽下弥补非隔离合成器中由两支路相互影响带来的电抗部分。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
非对称Chireix合成架构，包括第一支路和第二支路，所述第一支路设置第一功率放大器，所述第二支路设置第二功率放大器，所述第一功率放大器的输入端与第一信号相连接，所述第二功率放大器的输入端与第二信号相连接，所述第一信号和第二信号为非对称恒包络相位调制信号；所述第一功率放大器和第二功率放大器的输出端与非对称Chireix合成器相连接。
所述非对称恒包络相位调制信号，其特点在于其幅度不同，分别为V1，V2，相位不对称，分别为-φm1，φm2。经开关类功率放大器放大后两路信号如下式(1)所示。Vm1,Vm2是放大后的幅度。
Figure BDA0002463002600000031
所述非对称Chireix合成器其特点在于：包括第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4和第五微带线TL5，其中，第一微带线TL1的一端与第一功率放大器的输出端相连接，第一微带线TL1的另一端与第二微带线TL2的一端相连接；第三微带线TL3的一端与第二功率放大器的输出端相连接，第三微带线TL3的另一端与第四微带线TL4的一端相连接；第二微带线TL2的另一端与第四微带线TL4的另一端合路后与第五微带线TL5的一端相连接，第五微带线TL5的另一端与负载相连接。
所述第五微带线TL5，其特征在于：第五微带线TL5的电长度为λ/4，所以第五微带线TL5的特征阻抗如式(2)所示,Rsum为负载，负载阻抗为50欧。
Figure BDA0002463002600000041
两支路的输出电流如式(3)所示:
I1＝Am1(sinφm1-jcosφm1)
I2＝Am2(sinφm2+jcosφm2) (3)
其中Am1，Am2是电流的幅度，φm1，φm2是相位变量，I1是上支路输出电流，I2是下支路输出电流。
根据式(3)，阻抗可以用相位变量所表示，如式(4)所示：
Figure BDA0002463002600000042
将式(4)带入式(2)可以得出第五微带线TL5的特征阻抗ZC1。
所述的第二微带线TL2，第四微带线TL4，其特征在于：用于阻抗变换，以达到提高非对称Chireix功率合成器效率的目的。且电长度都为λ/4，特征阻抗都为Zc2，所以根据式(4)可以得到：
Figure BDA0002463002600000051
所述的第一微带线TL1，第三微带线TL3，其特征在于：第一微带线TL1，第三微带线TL3的电长度由晶体管的寄生参数，传统Chireix合成器两支路加入的对称电抗，以及非对称Chireix合成器额外增加的电抗共同决定。本发明中采用的晶体管为Cree's GaN HEMTCGH40010F，其主要寄生参数为电容Cds,由于寄生参数的存在，会导致阻抗轨迹发生偏移，我们可以通过并联一个电感L1抵消Cds，但是集总元件会限制带宽，通过公式(6)，我们将对应的L1转为微带线，由此确定第一微带线TL1，第三微带线TL3的初始电长度θ，用于补偿其寄生参数；传统Chireix合成器两条支路对称的电抗分别为±jB，其中上支路为
Figure BDA0002463002600000052
下支路为
Figure BDA0002463002600000053
通过式(6)，(7)将电感L，电容C转化为对应的微带线，电长度分别为α1，α2；非对称Chireix合成器每条支路额外增加的并联电抗-jBc，可以通过用ADS软件，调整电抗来旋转阻抗轨迹，达到理想的工作轨迹，根据式(7)转为对应的电长度β。则可以得出，第一微带线TL1的电长度为l1＝θ-α1-β，第三微带线TL3的电长度为l2＝θ+α2-β,则可以得到式(8),Zc3为第一微带线TL1，第三微带线TL3的特征阻抗。
Figure BDA0002463002600000054
Figure BDA0002463002600000055
Figure BDA0002463002600000061
根据式(1),(3)则上支路的输入导纳
Figure BDA0002463002600000062
下支路的输入导纳
Figure BDA0002463002600000063
本发明还公开了新型非对称Chireix合成架构的设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用ADS软件模拟输入上下两路非对称恒包络相位调制信号。
步骤S2：选取合适的开关类功率放大器，要求宽带，高效率。
步骤S3：根据式(2),(4)得出第五微带线TL5的特征阻抗ZC1。
步骤S3：根据晶体管的寄生参数，传统Chireix合成器两支路加入的对称电抗，以及非对称Chireix合成器额外增加的电抗，结合公式(6),(7)，共同确定第一微带线TL1，第三微带线TL3的电长度。
步骤S4：根据式(1),(3),(5),(8),得出第一微带线TL1，第三微带线TL3的特征阻抗Zc3，第二微带线TL2,第四微带线TL4的特征阻抗ZC2。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：新型非对称Chireix合成器具有比传统Chireix功率合成器小的异相角，提高了效率；解决了传统Chireix合成架构只能在单一频点实现高效率，提供了一种宽带高效率Chireix合成架构。
附图说明
图1为传统Chireix合成架构示意图
图2为传统Chireix合成器输出信号矢量合成图。
图3为本发明非对称Chireix合成架构整体结构示意图。
图4为本发明非对称Chireix合成器输出信号矢量合成图。
图5为传统Chireix合成架构与非对称Chireix合成架构效率对比图。
图6为传统Chireix合成架构与非对称Chireix合成架构输出功率对比图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本方案做进一步阐述。但本发明并不限于这些实施例。
针对现有技术中传统的Chireix合成架构，效率低且只能在单一频率下实现高效率输出，本发明通过大量理论与实验研究，对Chireix合成架构的理论进行深入分析，最终设计出非对称的Chireix合成架构，从而在扩宽了宽带的同时保持高效率。
参见图3-4，所示为新型非对称Chireix合成架构结构框图，包括第一支路和第二支路，所述第一支路设置第一功率放大器，所述第二支路设置第二功率放大器，所述第一功率放大器的输入端与第一信号相连接，所述第二功率放大器的输入端与第二信号相连接，所述第一信号和第二信号为非对称恒包络相位调制信号；所述第一功率放大器和第二功率放大器的输出端与非对称Chireix合成器相连接。
所述非对称恒包络相位调制信号，其特点在于其幅度不同，分别为V1，V2，相位不对称，分别为-φm1，φm2。经开关类功率放大器放大后两路信号如下式(1)所示。Vm1,Vm2是放大后的幅度。
Figure BDA0002463002600000081
所述非对称Chireix合成器其特点在于：包括第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4和第五微带线TL5，其中，第一微带线TL1的一端与第一功率放大器的输出端相连接，第一微带线TL1的另一端与第二微带线TL2的一端相连接；第三微带线TL3的一端与第二功率放大器的输出端相连接，第三微带线TL3的另一端与第四微带线TL4的一端相连接；第二微带线TL2的另一端与第四微带线TL4的另一端合路后与第五微带线TL5的一端相连接，第五微带线TL5的另一端与负载相连接。
第五微带线TL5的电长度为λ/4，所以第五微带线TL5的特征阻抗为式(2)，Rsum为负载，负载阻抗为50欧。
Figure BDA0002463002600000082
两支路的输出电流如式(3)所示:
Figure BDA0002463002600000091
其中Am1，Am2是电流的幅度，φm1，φm2是相位变量，I1是上支路输出电流，I2是下支路输出电流。
根据式(3)，阻抗可以用相位变量所表示，如式(4)所示：
Figure BDA0002463002600000092
Figure BDA0002463002600000093
将式(4)带入式(2)可以得出第五微带线TL5的特征阻抗ZC1。
第二微带线TL2，第四微带线TL4，用于阻抗变换，以达到提高非对称Chireix合成器效率的目的。且电长度都为λ/4，特征阻抗都为Zc2，所以根据式(4)可以得到：
Figure BDA0002463002600000094
其中Zc2分别是第二微带线TL2，第四微带线TL4的特征阻抗。
第一微带线TL1，第三微带线TL3的电长度由晶体管的寄生参数，传统Chireix合成器两支路加入的对称电抗，以及非对称Chireix合成器额外增加的电抗共同决定。本发明中采用的晶体管为Cree's GaN HEMT CGH40010F，其主要寄生参数为电容Cds,由于寄生参数的存在，会导致阻抗轨迹发生偏移，我们可以通过并联一个电感L1抵消Cds，但是集总元件会导致限制带宽，通过公式(6)，我们将对应的L1转为微带线，由此确定第一微带线TL1，第三微带线TL3的初始电长度θ，用于补偿其寄生参数；传统Chireix合成器两条支路对称的电抗分别为±jB，其中上支路为
Figure BDA0002463002600000101
下支路为
Figure BDA0002463002600000102
通过式(6)，(7)将电感L，电容C转化为对应的微带线，电长度分别为α1，α2；非对称Chireix合成器每条支路额外增加的并联电抗-jBc，可以通过用ADS软件，调整电抗来旋转阻抗轨迹，达到理想的工作轨迹，根据式(7)转为对应的电长度β。则可以得出，第一微带线TL1的电长度为l1＝θ-α1-β，第三微带线TL3的电长度为l2＝θ+α2-β,则可以得到式(8),Zc3为第一微带线TL1，第三微带线TL3的特征阻抗。
Figure BDA0002463002600000103
Figure BDA0002463002600000104
Figure BDA0002463002600000105
根据式(1)(3)则上支路的输入导纳
Figure BDA0002463002600000111
下支路的输入导纳
Figure BDA0002463002600000112
本发明还公开了新型非对称Chireix合成架构的设计方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用ADS软件模拟输入上下两路非对称恒包络相位调制信号。
步骤S2：选取合适的开关类功率放大器，要求宽带，高效率。
步骤S3：根据式(2),(4)得出第五微带线TL5的特征阻抗ZC1。
步骤S3：根据晶体管的寄生参数，传统Chireix合成器两支路加入的对称电抗，以及非对称Chireix合成器额外增加的电抗，结合公式(6),(7)，共同确定第一微带线TL1，第三微带线TL3的电长度。
步骤S4：根据式(1),(3),(5),(8),得出第一微带线TL1，第三微带线TL3的特征阻抗Zc3，第二微带线TL2,第四微带线TL4的特征阻抗ZC2。
以下为本发明新型非对称Chireix合成架构实例的设计过程：
步骤一：确定设计电路宽度为2.0-3.2GHz，中心频点在2.6GHz。
步骤二：确定开关类功率放大器的类型，本实例采用连续F类功率放大器作为第一，第二功率放大器，因为连续F类功率放大器能够实现宽带高效率。
步骤三：利用ADS软件模拟输入上下两路非对称的恒包络相位调制信号。
步骤四：根据式(2)，(4)以及实际调谐确定第五微带线TL5：W＝3.2mm，L＝18.2mm。
步骤五：根据电长度l1,l2，以及实际调谐确定第一微带线TL1：L＝12.4mm,第三微带线TL3:L＝14.1mm。
步骤六：根据式(1)，(3)，(5)，(8)，以及实际调谐确定第一微带线TL1：W＝1.5mm；第三微带线TL3:W＝2.8mm；第二微带线TL2：W＝1.7mm，L＝13.6mm；第四微带线TL4：W＝2.6mm，L＝12.3mm。
根据上述理论，通过ADS进行电路仿真，其仿真结果如图5，6所示。使用传统的Chireix合成架构的效率为48％-60％，输出功率为39-43dBm。而采用新型非对称Chireix合成架构的效率为60％-68％，输出功率为41-45dBm。
本发明改变了传统Chireix合成架构效率低，带宽窄的缺陷，实现了一种宽带高效的Chireix合成架构。
以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对应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的改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。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.非对称Chireix合成架构，其特征在于：包括第一支路和第二支路，所述第一支路设置第一功率放大器，所述第二支路设置第二功率放大器，所述第一功率放大器的输入端与第一信号相连接，所述第二功率放大器的输入端与第二信号相连接，所述第一信号和第二信号为非对称恒包络相位调制信号；所述第一功率放大器和第二功率放大器的输出端与非对称Chireix功率合成器相连接；
非对称Chireix功率合成器包括第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3、第四微带线TL4和第五微带线TL5，其中，第一微带线TL1的一端与第一功率放大器的输出端相连接，第一微带线TL1的另一端与第二微带线TL2的一端相连接；第三微带线TL3的一端与第二功率放大器的输出端相连接，第三微带线TL3的另一端与第四微带线TL4的一端相连接；第二微带线TL2的另一端与第四微带线TL4的另一端合路后与第五微带线TL5的一端相连接，第五微带线TL5的另一端与负载相连接。
2.根据权利要求1所述的非对称Chireix合成架构，其特征在于：非对称的恒包络相位调制信号的幅度不同，分别为V1，V2，相位不对称，分别为-φm1，φm2；经第一，第二功率放大器放大后两路信号如下式(1)所示，Vm1,Vm2是放大后的幅度；
Figure FDA0002463002590000011
3.根据权利要求2所述的非对称Chireix合成架构，其特征在于：第五微带线TL5的电长度为λ/4，其特征阻抗如式(2)计算，其中，Rsum为负载阻抗，其值为50欧；
Figure FDA0002463002590000021
两支路的输出电流如式(3)所示:
I1＝Am1(sinφm1-jcosφm1)
I2＝Am2(sinφm2+jcosφm2) (3)
其中Am1，Am2是电流的幅度，φm1，φm2是相位变量，I1是第一支路输出电流，I2是第二支路输出电流；
根据式(3)，阻抗用相位变量表示，如式(4)所示：
Figure FDA0002463002590000022
将式(4)带入式(2)可以得出第五微带线TL5的特征阻抗ZC1。
4.根据权利要求2所述的非对称Chireix合成架构，其特征在于：第二微带线TL2和第四微带线TL4用于阻抗变换，且电长度都为λ/4，特征阻抗都为Zc2，根据式(4)可以得到：
Figure FDA0002463002590000023
Figure FDA0002463002590000024
其中，Y1和Y2为两个支路的输入导纳。
5.根据权利要求2所述的非对称Chireix合成架构，其特征在于：第一微带线TL1和第三微带线TL3的电长度由晶体管的寄生参数、传统Chireix合成器两支路加入的对称电抗，以及非对称Chireix合成器额外增加的电抗共同决定。
6.根据权利要求2所述的非对称Chireix合成架构，其特征在于：第一功率放大器和第二功率放大器为开关类功率放大器。
7.非对称Chireix合成架构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：利用ADS软件模拟输入上下两路非对称恒包络相位调制信号；
步骤S2：根据应用需求选取第一功率放大器和第二功率放大器；
步骤S3：得出第五微带线TL5的特征阻抗ZC1，计算公式如下：
Figure FDA0002463002590000031
其中，Rsum为负载阻抗，其值为50欧；
Figure FDA0002463002590000032
其中Am1，Am2是电流的幅度，φm1，φm2是相位变量；
步骤S3：根据晶体管的寄生参数，传统Chireix合成器两支路加入的对称电抗，以及非对称Chireix合成器额外增加的电抗，共同确定第一微带线TL1，第三微带线TL3的电长度；
步骤S4：计算得出第一微带线TL1，第三微带线TL3的特征阻抗Zc3，第二微带线TL2,第四微带线TL4的特征阻抗ZC2。
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