CN112383282A - 采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆f类功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，包括输入匹配网络、输出匹配网络。输出匹配网络包括碎片离散结构匹配网络和规则结构基波匹配网络。其中，碎片离散结构匹配网络用于实现谐波频段的传输零点，可离散化为矩形形状的子网格，用0或1对每个子网格进行描述，1表示该网格区域为金属材质，0表示未附着金属。规则结构基波匹配网络用于实现宽频段内的基波阻抗匹配。本发明通过使用多目标优化算法对功率放大器的碎片离散结构谐波匹配网络进行优化，解决了传统切比雪夫低通匹配网络带外抑制差、滤波特性不够理想的问题。

Description

采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放 大器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器。
背景技术
随着无线通信的快速发展，移动通信传输的信息量不断增大，数据速率逐步提高，对功率放大器的性能要求也随之提高。传统连续类功率放大器包含J类，连续F类，连续逆F类等改进谐波控制类，由于其具有宽带高效率的优点，连续类功率放大器受到了工业界和学术界的广泛关注。
一方面，连续类放大器所需的谐波负载不是固定的开路或者短路，而是一系列在Smith圆图边沿连续分布的阻抗。所以，其输出匹配网络中不需要谐振电路结构，可以在实现宽带工作的同时维持高效率。传统连续类功率放大器如图1所示。其输出匹配网络有两个部分组成。1)基波匹配网络：基波匹配网络则是实现基波负载阻抗与标准负载50Ω的匹配。2)谐波匹配网络：与传统谐波控制类放大器不同，因连续类功率放大器不需要将谐波控制在标准的短路或开路状态，只需要将谐波阻抗匹配到特定的阻抗区域内，所以连续类功放可以实现宽带内的阻抗匹配。连续类功率放大器可以实现比传统谐波控制类放大器更宽的带宽范围，可以有效地放大移动通信系统中宽带的调制信号。但是，由于规则匹配结构中电路尺寸的限制，所实现的负载阻抗难以覆盖预期的最佳负载阻抗所在的区域，由此可能会带来功率放大器功率和效率的下降。
另一方面，常规功率放大器设计通常采用“理论设计—参数调整”的设计模式，该设计模式在功率放大器输出匹配网络结构和参数调整方面不够灵活，具有一定的局限性，难以满足更高性能的需求。因此，利用优化算法对功率放大器进行优化设计成为一个重要研究领域。
综上所述，通过研究发现，一方面，传统连续类功率放大器只使用规则结构来对匹配网络进行设计，而碎片离散结构的强灵活性和大自由度是规则结构远不能及的。另一方面，常规功率放大器设计通常采用“理论设计—参数调整”的设计模式，该设计模式在功率放大器输出匹配网络结构和参数调整方面不够灵活，具有一定的局限性。因此，使用优化算法对碎片离散结构的连续类功率放大器设计有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，即通过基于阻抗和S参数作为优化目标的多目标优化算法对碎片离散结构输出匹配网络的功率放大器进行优化设计，来扩展连续类功率放大器的带宽。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，包括输入匹配网络(10)、功放管(20)和输出匹配网络(30)；其特征在于：输入信号连接所述输入匹配网络(10)的输入端；所述输入匹配网络(10)的输出端连接所述功放管(20)的输入端；所述功放管(20)的输出端连接所述输出匹配网络(30)的输入端。所述输出匹配网络(30)由碎片离散结构谐波匹配网络(301)和规则结构基波匹配网络(302)串联连接组成。
所述输出匹配网络(30)是由碎片离散结构谐波匹配网络(301)和规则结构基波匹配网络(302)串联连接组成。所述碎片离散结构谐波匹配网络(301)用于实现谐波频段的传输零点，可离散化为矩形形状的子网格，用0或1对每个子网格进行描述，对应该设计空间的二进制矩阵编码，0-1编码可以表征每个子网格空间的电路特性，1表示该网格区域为金属材质，0表示未附着金属。所述规则结构基波匹配网络(302)采用低通切比雪夫结构，用于实现宽频带基波阻抗的匹配。
所述的碎片离散结构谐波匹配网络(301)是采用多目标进化算法模块实现，以连续逆F类功率放大器的阻抗和S参数作为优化目标，经过多次迭代得到。优化所得到的碎片离散结构谐波匹配网络(301)有准椭圆滤波特性，扩展了连续逆F类功率放大器的带宽。有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明能提高优化的效率。本发明使用阻抗+S参数的混合优化方法，因为谐波是影响功率放大器效率的重要因素，而功放的匹配网络对于谐波频段起阻隔作用，所以对于谐波用S参数的优化方法可以使优化更加有效；对于基波频段选择传统的阻抗作为优化目标。使用阻抗+S参数优化目标比传统阻抗作为优化目标优化的方法优化效率更高。
(2)本发明能提高功放设计的灵活性。传统功率放大器设计采用规则结构，通过输出匹配网络中尺寸参数的改变和调整来改善整个放大器的性能。但是，通过理论分析或者负载牵引得到的最佳负载阻抗分布在Smith圆图特定区域内，而采用规则结构的输出匹配网络所能够实现的阻抗区域是有限的，有可能不能覆盖所需要的最佳负载阻抗，制约了放大器的功率、效率等性能。本发明所使用的碎片离散结构将区域分割成为碎片式的离散结构，通过碎片式的填充区域来组成匹配网络，这种结构比规则结构的设计灵活性高。
(3)本发明能增强匹配网络的滤波特性。在传统连续类功放的设计中，匹配网络选择低通切比雪夫结构，广义切比雪夫低通滤波匹配网络够在宽带上提供精确的基波阻抗匹配。但是，此类结构从通带到阻带的过渡是渐进的，需要很宽的过渡带宽。而本发明的碎片离散结构匹配网络可以达到准椭圆滤波的特性，可以得到更好的带外过渡特性。
附图说明
图1传统连续类功率放大器的结构框图。
图2本发明采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器的结构框图。
图3本发明优化流程图。
图4本发明实施例碎片离散结构输出匹配网络结构图。
图5本发明实施例优化函数值变化趋势图。
图6本发明实施例不同代数可行解数量图。
图7本发明实施例优化结构3.7GHz电流分布图。
图8本为本发明实施例优化结构与采用低通切比雪夫结构匹配网络的S参数仿真结果对比图。
图9本发明实施例功率放大器与传统低通切比雪夫结构功率放大器结果对比图。
图10为本发明实施例实物图。
图11为本发明实施例实物测试结果图。
图中：输入匹配网络(10)、功放管(20)和输出匹配网络(30)、碎片离散结构谐波匹配网络(301)和规则结构基波匹配网络(302)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1-2所示为本发明的一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，包括输入匹配网络(10)、功放管(20)和输出匹配网络(30)；其特征在于：输入信号连接所述输入匹配网络(10)的输入端；所述输入匹配网络(10)的输出端连接所述功放管(20)的输入端；所述功放管(20)的输出端连接所述输出匹配网络(30)的输入端。所述输出匹配网络(30)由碎片离散结构谐波匹配网络(301)和规则结构基波匹配网络(302)串联连接组成。
在上述的连续逆F类功率放大器中，输出匹配网络(30)是由碎片离散结构谐波匹配网络(301)和规则结构基波匹配网络(302)串联连接组成。所述碎片离散结构谐波匹配网络(301)用于实现谐波频段的传输零点，可离散化为矩形形状的子网格，用0或1对每个子网格进行描述，对应该设计空间的二进制矩阵编码，0-1编码可以表征每个子网格空间的电路特性，1表示该网格区域为金属材质，0表示未附着金属。所述规则结构基波匹配网络(302)采用低通切比雪夫结构，用于实现宽频带基波阻抗的匹配。
在上述的连续逆F类功率放大器中，碎片离散结构谐波匹配网络(301)是采用多目标进化算法，以连续逆F类功率放大器的阻抗和S参数作为优化目标，经过多次迭代得到。优化所得到的碎片离散结构谐波匹配网络(301)有准椭圆滤波特性，扩展了连续逆F类功率放大器的带宽。
本发明的工作原理是：采用多目标优化算法，选取功率放大器输出匹配网络的阻抗和S参数为优化目标，对碎片离散结构谐波匹配网络进行优化，得到准椭圆滤波特性的匹配网络，实现快速带外过渡的输出匹配网络，以扩展连续逆F类功率放大器的带宽。
优化流程图如图3所示。首先，根据连续逆F类功率放大器设计要求，对放大器的基波与谐波阻抗进行分析。其次，确定输出匹配网络的S参数和负载阻抗要求，将其要求参数化，优化目标函数如下：
Fa＝|real(Z)-real(Zgoal)| (1)
Fb＝|imag(Z)-imag(Zgoal)| (2)
Figure BDA0002780058400000041
其中，Zgoal输出匹配网络的基波目标阻抗，Z为优化个体的阻抗，real()、imag()分别为取得阻抗的实部和虚部值，S21(f)是谐波所在频段的S21参数。
然后，确定碎片离散结构，对优化算法参数初始化，对目标问题进行优化。优化过程中每一个个体代表了一个碎片离散结构电路编码，通过将编码传输至仿真软件HFSS对其匹配电路分析。最后，再将分析结果中参数传入程序作个体的评估函数值继续进行优化，直至算法结束，得到优化结果。
下面例举一个实施例。
本实施例连续类功率放大器工作频率为1.5-3GHz，功放管20采用CREE的GaN HEMT功放管CGH40010F。功放管20偏置在AB类。
图4为本发明实施例碎片离散结构输出匹配网络结构图。在虚线所围的9.1mm×4.3mm区域采用碎片离散结构对输出匹配网络进行优化设计，将该区域划分为30×14的碎片型离散结构，每个单元大小为0.4mm×0.4mm，左侧为网络输入端，与功放管的漏极相连，右侧为输出端，连接50Ω负载。上述微带匹配网络在HFSS中建模和仿真，结果输出至优化算法程序进行个体适应度评价。
图5为本发明实施例优化函数值变化趋势图。其中，带有实心正方形的线条表示本发明实施例优化目标Fa的变化趋势，带有实心圆形的线条表示本发明实施例优化目标Fb的变化趋势，带有空心三角形的线条表示本发明实施例优化目标Fc的变化趋势。图中体现了采用碎片离散结构优化连续逆F类功率放大器输出匹配网络的过程，从图中可以看出，三个目标函数在第10代达到设计要求。
图6为本发明实施例不同代数可行解数量图。可行解个数随优化代数的变换情况可以直接观察得到。从中可以看出，从第10代开始出现符合要求的可行解，到20代解的个数收敛到10个。
图7为本发明实施例优化结构3.7GHz电流分布图。本图是对3.7GHz频率处优化所得输出匹配网络的电流分布进行了仿真结果图，可从其中观察得到该结构的传输特性。从图中可看出，在3.7GHz，电流被束缚在碎片离散结构所在区域，信号不能传输，该结构对该频率信号起到了阻隔作用。
图8为本发明实施例优化结构与采用低通切比雪夫结构匹配网络的S参数仿真结果对比图。其中，带有空心正方形的线条表示本发明实施例优化结构匹配网络的S11参数，带有空心三角形的线条表示本发明实施例优化结构匹配网络的S21参数，带有实心正方形的线条表示采用低通切比雪夫结构匹配网络的S11参数，带有实心三角形的线条表示采用低通切比雪夫结构匹配网络的S21参数。从图中可看出，优化后最优个体所实现的S参数满足目标频率和S参数要求。所提出的方法与传统切比雪夫方法相比，所有优化方法可以在通带外3.7GHz处实现一个传输零点(S21接近-40dB)，具有更为陡峭的带外抑制特性，同时在通带内可以实现S11<-10dB，S21>-1dB，因此，可以在快速实现通带与阻带的快速过渡的同时获得基波和二次谐波的最佳匹配。
图9为本发明实施例功率放大器与传统低通切比雪夫结构功率放大器结果对比图。其中，带有实心圆形的线条表示本发明实施例的输出功率，带有实心正方形的线条表示采用传统低通切比雪夫匹配网络的功率放大器的输出功率，带有空心圆形的线条表示本发明实施例的漏极效率，带有空心正方形的线条表示采用传统低通切比雪夫匹配网络的功率放大器的漏极效率。仿真时，两个功率放大器的输入信号功率为26dBm，栅极偏置电压为-3V，漏极电压为28V。结果表明，本发明实施例在1.5-3GHz工作频段内，饱和输出功率约为40～42dBm，对应的最大效率在65％-79％之间。在保证输出功率>40dBm，效率>65％的情况下，可以实现66.7％的相对工作带宽。与之相比，传统切比雪夫设计方法，工作带宽仅为1.7-2.9GHz(相对带宽52％)。本发明实施例可以实现约15％的带宽扩展。
图10为本发明实施例功率放大器实物图。其中，在连接功放管输出端是碎片离散结构谐波匹配网络，之后串联规则结构基波匹配网格，两者组合成本发明实施例的输出匹配网络。
图11位本发明实例实物测试结果图。其中，带有实心圆形的线条表示功率放大器的输出功率，带有空心正方形的线条表示功放的漏极效率。从图中可看出，所设计功率放大器在1.5至3GHz工作频率范围内实现高于65％的漏极效率，相对带宽达到66.7％。在2.3GHz时测得的最大效率为74.7％。在整个工作频带上，饱和输出功率保持在40.2至42.2dBm的范围内。在保持高效率的情况下，本发明例可以有效展宽连续类功率放大器的带宽。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，其特征在于：包括输入匹配网络(10)、功放管(20)和输出匹配网络(30)；输入信号连接所述输入匹配网络(10)的输入端；所述输入匹配网络(10)的输出端连接所述功放管(20)的输入端；所述功放管(20)的输出端连接所述输出匹配网络(30)的输入端，所述输出匹配网络(30)由碎片离散结构谐波匹配网络(301)和规则结构基波匹配网络(302)串联连接组成。
2.根据权利要求1所述的一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，其特征在于：所述碎片离散结构谐波匹配网络(301)用于实现谐波频段的传输零点，可离散化为矩形形状的子网格，用0或1对每个子网格进行描述，对应该设计空间的二进制矩阵编码，0-1编码可以表征每个子网格空间的电路特性，1表示该网格区域为金属材质，0表示未附着金属；所述规则结构基波匹配网络(302)采用低通切比雪夫结构，用于实现宽频带基波阻抗的匹配。
3.根据权利要求1所述的一种采用碎片离散结构匹配网络优化设计的连续逆F类功率放大器，其特征在于：所述的碎片离散结构谐波匹配网络(301)是采用多目标进化算法模块实现，以连续逆F类功率放大器的阻抗和S参数作为优化目标，经过多次迭代得到，优化所得到的碎片离散结构谐波匹配网络(301)有准椭圆滤波特性，扩展了连续逆F类功率放大器的带宽。
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