CN111555719A - 一种双波段射频功率放大器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双波段射频功率放大器及其控制方法，涉及通信技术领域。该系统包括输入匹配电路、稳定网络、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、输出匹配电路以及T型连接器。通过采集要放大信号，将所述要放大信号转换为目标频段，并将转换后的信号进行放大，将转换并放大后的信号传入信号接收装置。基于π型双频阻抗变换器结构的输出匹配网络，增大了设计自由度，简化了电路结构，解决了匹配电路对功率放大器小型化限制的问题，电路整体性能显著提升。本发明实现了信号可以工作在两个不同的当前主流通信频段，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

一种双波段射频功率放大器及其控制方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种双波段射频功率放大器及其控制方法。

背景技术

未来无线通信系统工作的频段和标准将越来越多，不同信号的工作模式和频段各不相同，这就要求通信系统中的所有组件都可以工作在多种模式下，功率放大器作为无线通信系统中的核心器件，这种需求给功放带来了很大的挑战。传统的宽带功放已无法满足高频带跨度和高效率的需求。多模多带功率放大器可以支持多种工作模式而且还可以覆盖多种通信频带，这使通信系统可以兼容多种通信标准，可以有效缓解未来无线通信频谱资源紧张的问题。

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，功率放大器作为系统关键模块，对其进行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。双波段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、小型化的优势，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射频功率放大器及其控制方法。

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射频功率放大器，包括输入匹配电路、稳定网络、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、输出匹配电路以及T型连接器；

所述输入匹配电路、稳定网络、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、输出匹配电路依次串联连接，所述T型连接器包括Tee1、Tee2；

所述输入匹配电路包括输入端口P1、输出端口P2、电容C1、C2、C3、C4、微带线TL2、TL4，所述输入端口P1连接电容C1输入端，电容C1输出端与电容C2和地与微带线TL2一端连接，TL2另一端与电容C3和地与微带线TL4一端连接，TL4另一端连接电容C4和地，电容C4另一端连接输入匹配电路的输出端口P2；

所述稳定网络包括输入端口P3、电容C15、电阻R1，所述输入端口P3与电容C15和电阻R1并联的输入端连接，电容C15和电阻R1并联的输出端与栅极偏置电路的T型连接器Tee1一端连接；

所述栅极偏置电路包括端口P5、电容C5、C6、C7、C8、干路微带线TL8，所述端口P5与电容C5连接，电容C5和地连接后与C6并联，电容C6和地连接后与C7并联，电容C7和地连接后与C8并联后与TL8一端连接，TL8另一端与Tee1连接；

所述晶体管的栅极与Tee1连接，晶体管的源极与地连接，晶体管的漏极与漏极偏置电路的Tee2一端连接；

所述漏极偏置电路包括端口P6、电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、干路微带线TL9，所述端口P6与电容C14并联，电容C14和地连接后与C13并联，电容C13和地连接后与C12并联，电容C12和地连接后与C11并联，电容C11和地连接后与C10并联，电容C10和地连接后与C9并联，电容C9和地连接后与TL9一端连接，TL9另一端与Tee2连接，Tee2另一端与P4连接；

所述的输出匹配电路包括输入端口P4，输出端口P8，微带线TL1、TL3、TL5、TL6、TL7；输入端口P4连接TL1，TL1和TL6并联之后与TL3串联，TL3和TL7并联之后与TL5串联，TL5连接输出端口P8。

所述输出匹配电路为双频匹配网络；

另一方面，本发明还提供一种双波段射频功率放大器控制方法，通过所述的一种双波段射频功率放大器实现；包括以下步骤：

步骤1：将目标信号与输入匹配电路输入端口P1进行连接；

步骤2：将目标信号传入稳定网络；

步骤3：通过晶体管和偏置电路，对信号进行放大；

步骤4：将传入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：

本发明提供一种双波段射频功率放大器及其控制方法，实现了信号在不同的两个频段工作，由于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；采用π型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。

附图说明

图1为本发明双波段射频功率放大器的结构示意图；

图中，1-输入匹配电路输入端口，2-输入匹配电路，3-稳定网络，4-栅极偏置电路，5-晶体管；6-漏极偏置电路，7-输出匹配电路，8-输出匹配电路输出端口，9-栅极偏置电路端口，10-漏极偏置电路端口；

图2为本发明实施例中输入匹配电路；

图3为本发明实施例中栅极偏置电路、漏极偏置电路及稳定网络电路图；

图4为本发明实施例中输出匹配电路；

图5为本发明双波段射频功率放大器控制方法流程图；

图6为实施例中并发双波段功放输出功率Pout随输入功率Pin变换曲线图；

图7为实施例中并发双波段功放增益和PAE随输入功率变换结果图。

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。

一方面，本发明提供一种双波段射频功率放大器，如图1所示，包括输入匹配电路2、稳定网络3、栅极偏置电路4、晶体管5、漏极偏置电路6、输出匹配电路7以及T型连接器；

本实施例中晶体管为功放管CGH40010F；

所述输入匹配电路2、稳定网络3、栅极偏置电路4、晶体管5、漏极偏置电路6、输出匹配电路7依次串联连接，所述T型连接器包括Tee1、Tee2；

所述输入匹配电路如图2所示，包括输入端口P1、输出端口P2、电容C1、C2、C3、C4、微带线TL2、TL4，所述输入端口P1用于接收目标信号，连接电容C1输入端，电容C1输出端与电容C2和地与微带线TL2一端连接，TL2另一端与电容C3和地与微带线TL4一端连接，TL4另一端连接电容C4和地，电容C4另一端连接输入匹配电路2的输出端口P2；该电路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。

所述晶体管5和栅极偏置电路4、漏极偏置电路6用于对信号进行功率放大，如图3所示；

所述稳定网络3包括输入端口P3、电容C15、电阻R1，所述输入端口P3与电容C15和电阻R1并联的输入端连接，电容C15和电阻R1并联的输出端与栅极偏置电路4的T型连接器Tee1一端连接；

所述栅极偏置电路4包括端口P5、电容C5、C6、C7、C8、干路微带线TL8，所述端口P5与电容C5连接，电容C5和地连接后与C6并联，电容C6和地连接后与C7并联，电容C7和地连接后与C8并联后与TL8一端连接，TL8另一端与Tee1连接；

所述功放管CGH40010F的栅极与Tee1连接，功放管CGH40010F的源极与地连接，功放管CGH40010F的漏极与漏极偏置电路的Tee2一端连接，

所述漏极偏置电路6包括端口P6、电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、干路微带线TL9，所述端口P6与电容C14并联，电容C14和地连接后与C13并联，电容C13和地连接后与C12并联，电容C12和地连接后与C11并联，电容C11和地连接后与C10并联，电容C10和地连接后与C9并联，电容C9和地连接后与TL9一端连接，TL9另一端与Tee2连接，Tee2另一端与P4连接；

所述的输出匹配电路7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，如图4所示，包括输入端口P4，输出端口P8，微带线TL1、TL3、TL5、TL6、TL7；输入端口P4连接TL1，TL1和TL6并联之后与TL3串联，TL3和TL7并联之后与TL5串联，TL5连接输出端口P8所述输出匹配电路7为双频匹配网络；

另一方面，本发明还提供一种双波段射频功率放大器控制方法，如图5所示，通过所述的一种双波段射频功率放大器实现；包括以下步骤：

步骤1：将目标信号与输入匹配电路输入端口P1进行连接；

步骤2：将目标信号传入稳定网络；

步骤3：通过晶体管和偏置电路，对信号进行放大；

步骤4：将传入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。

为了更好地研究并发双波段功放在工作频段上的性能变化情况，对功放仿真结果进行分析。如图6所示为实施例中并发双波段功放输出功率随输入功率变换曲线图，由图6可以看出在输入信号功率较小时，功放的输出功率随输入功率呈线性增长趋势。当输入功率为32dBm时频率为1.75GHz和2.6GHz所对应的输出功率分别可达到42.94dBm和42.13dBm。

如图7所示为实施例中并发双波段功放增益和PAE随输入功率变换结果图；从图7中可知功放在频率为1.75GHz和2.6GHz处的小信号增益分别约为17.5dB和14.1dB，随着输出功率逐渐增大，功放进入饱和区，功放的增益逐渐被压缩，导致增益曲线呈现下降趋势。当输入功率为32dBm时在频率为1.75GHz和2.6GHz处的增益仍然大于10dB，在整个功率输出频段内增益没有出现速降的现象，此时功率附加效率分别为62.39％和59.74％。由功放的性能仿真结果可知，功放不仅可以高功率、高效率的输出且可同时工作在两个频段上，满足并发双波段功率放大器的设计要求。

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 (3)

1.一种双波段射频功率放大器，其特征在于：包括输入匹配电路、稳定网络、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、输出匹配电路以及T型连接器；

所述输入匹配电路、稳定网络、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、输出匹配电路依次串联连接，所述T型连接器包括Tee1、Tee2；

所述输入匹配电路包括输入端口P1、输出端口P2、电容C1、C2、C3、C4、微带线TL2、TL4，所述输入端口P1连接电容C1输入端，电容C1输出端与电容C2和地与微带线TL2一端连接，TL2另一端与电容C3和地与微带线TL4一端连接，TL4另一端连接电容C4和地，电容C4另一端连接输入匹配电路的输出端口P2；

所述稳定网络包括输入端口P3、电容C15、电阻R1，所述输入端口P3与电容C15和电阻R1并联的输入端连接，电容C15和电阻R1并联的输出端与栅极偏置电路的T型连接器Tee1一端连接；

所述栅极偏置电路包括端口P5、电容C5、C6、C7、C8、干路微带线TL8，所述端口P5与电容C5连接，电容C5和地连接后与C6并联，电容C6和地连接后与C7并联，电容C7和地连接后与C8并联后与TL8一端连接，TL8另一端与Tee1连接；

所述晶体管的栅极与Tee1连接，晶体管的源极与地连接，晶体管的漏极与漏极偏置电路的Tee2一端连接；

所述漏极偏置电路包括端口P6、电容C9、C10、C11、C12、C13、C14、干路微带线TL9，所述端口P6与电容C14并联，电容C14和地连接后与C13并联，电容C13和地连接后与C12并联，电容C12和地连接后与C11并联，电容C11和地连接后与C10并联，电容C10和地连接后与C9并联，电容C9和地连接后与TL9一端连接，TL9另一端与Tee2连接，Tee2另一端与P4连接；

所述的输出匹配电路包括输入端口P4，输出端口P8，微带线TL1、TL3、TL5、TL6、TL7；输入端口P4连接TL1，TL1和TL6并联之后与TL3串联，TL3和TL7并联之后与TL5串联，TL5连接输出端口P8。

2.根据权利要求1所述的一种双波段射频功率放大器，其特征在于：所述输出匹配电路为双频匹配网络。

3.一种双波段射频功率放大器控制方法，通过权利要求1所述一种双波段射频功率放大器实现，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将目标信号与输入匹配电路输入端口P1进行连接；

步骤2：将目标信号传入稳定网络；

步骤3：通过晶体管和偏置电路，对信号进行放大；

步骤4：将传入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。

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