CN112994626A - 一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，主要包括输入匹配网络、场效应管、端接负载以及输出匹配网络，其中输出匹配网络包括调优网络、第二偏置网络、双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络和第二因子谐波匹配网络、以及基波电抗补偿网络。其中双因子谐波匹配网络分别由两段具有特定特征阻抗且电长度为四分之一波长的阻抗变换器构成，基波电抗补偿网络是三阶的低通匹配网络组成。本发明相对于传统的连续类模式功率放大器可有效拓宽放大器的工作带宽，进一步提高效率，并且相对于传统的宽带功率放大器，设计理论简单、易实现、可靠性高，可应用到移动通信系统中。

Description

一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器

技术领域

本发明涉及微波有源器件领域，特别是涉及一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器。

背景技术

随着现代无线通信技术的高速发展，通信系统对高峰均比的信号与宽带的频谱资源的需求也越来越大，为了降低系统的复杂度和能耗，增强其工作的稳定性，高效率宽频带功率放大器的研究也是最为重要的。效率的提升不仅可以提高系统的稳定性也可以降低能耗，频带的扩宽可进一步的降低通信系统的成本。现如今的高效宽带的功率放大器通常采用D类、E类、F类或逆F类模式来提高效率，由于其模式带来了带宽的限制，都无法同时实现高效和宽带的性能。对于日渐稀缺的频谱资源，上述模式很难满足下一代移动通信技术对低成本、低损耗和高速传输速率的需求。

连续类模式的功率放大器一直是当前研究的重点，该模式主要是通过加入电流和电压的修正因子来扩宽最佳阻抗区域。传统的连续类模式主要是通过常规+的匹配结构进行优化设计，其实际操作过程比较复杂，然而双因子补偿的连续逆模式的功率放大器是通过加入双因子谐波匹配网络与基波电抗补偿网络来使设计的功率放大器使其更易工作于连续逆模式，从而同时达到高效宽带的目标。

目前，5G移动通信技术的迅速发展，对功率放大器的带宽和效率都提出了更高的要求。因此，如何设计出高效宽带功率放大器也成为了研究热点。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，可有效的在拓展工作带宽的同时，依然保持很高的效率值，且设计理论简单，匹配结构易实现。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，该功率放大器主要包括：输入匹配网络、场效应管T、端接负载以及输出匹配网络，其中输出匹配网络包括调优网络、第二偏置网络、双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络和第二因子谐波匹配网络、以及基波电抗补偿网络；输入信号连接到输入匹配网络的输入端，输入匹配网络另一端与场效应管T栅极连接，同时通过第一偏置网络与栅极供电电压和第四电容连接，场效应管T的漏极连接到输出匹配网络，输出匹配网络的输出端通过端接负载接地；

该功率放大器的实现首先通过设定双因子即第一扩展因子β和第二扩展因子γ的值，进而得出场效应管T的二次谐波阻抗的值；然后，通过双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络和第二因子谐波匹配网络进行匹配；最后，通过确定电抗扩展因子α的值，利用调优网络和基波电抗补偿网络来使所设计的功率放大器工作于连续逆模式的状态下，达到最理想的性能指标。

进一步的，所述输出匹配网络具体结构为：调优网络在第一调优微带线和第二调优微带线之间通过第二偏置网络与漏极供电电压和第五电容连接，调优网络的输出端连接到第一因子谐波匹配网络、第二因子谐波匹配网络以及基波电抗补偿网络。

进一步的，所述调优网络是由两段具有特定的特征阻抗和电长度的第一调优微带线和第二调优微带线组成。

进一步的，所述双因子谐波匹配网络中第一因子谐波匹配网络由和为四分之一波长的第一因子其一微带线和第一因子其二微带线组成，第二因子谐波匹配网络由和为四分之一波长的的第二因子其一微带线和第二因子其二微带线组成。

进一步的，所述基波电抗补偿网络是由第一电感、第二电感、第三电感以及第一电容、第二电容、第三电容构成的三阶的LC低通网络。

进一步的，所述场效应管T的二次谐波阻抗的值为：

Z_F＝(β+γ)j

其中，0≤β，γ≤1。

进一步的，所述双因子谐波匹配网络中，微带线的电长度分别需要满足：

θ_s0+θ_s01＝λ/4

θ_s1+θ_s11＝λ/4

其中，θ_s0、θ_s01、θ_s1和θ_s11分别是第一因子其一微带线、第一因子其二微带线、第二因子其一微带线、第二因子其二微带线的电长度，λ为一个波长的电长度360°。

进一步的，所述场效应管T在深AB类工作状态时的栅极电压为栅极供电电压，漏极电压为漏极供电电压，输出基波阻抗为：

Z_OMN＝R_opt(1+jα)

其中，α为基波阻抗引入的电抗扩展因子，其范围为-1≤α≤1；R_opt为场效应管T输出的最佳基波阻抗。

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技术效果：

本发明的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，相对于已有的连续类模式的功率放大器，可有效的在拓展工作带宽的同时，依然保持很高的效率值；同时相对于传统的高效率功率放大器，在性能相近的条件下，设计理论简单，匹配结构易实现，可靠性高。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器的拓扑结构图；

图2为本发明具体实施方式中传统模式与双因子谐波匹配连续逆模式下阻抗带宽的区域扩宽示意图；

图3为本发明具体实施方式中基波电抗补偿网络在宽频特性下的插入损耗与回波损示意图；

图4为本发明具体实施方式中功率放大器饱和功率、饱和效率以及饱和增益随频率变化的实测曲线。

图中有：输入匹配网络1，场效应管2，调优网络3，第二偏置网络TB2，第一因子谐波匹配网络5，第二因子谐波匹配网络4，基波电抗补偿网络6，端接负载7，输出匹配网络8。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的介绍。

本发明的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，如图1所示，主要包括四部分：输入匹配网络1，场效应管T，端接负载7以及输出匹配网络8，其中输出匹配网络8包括调优网络3，第二偏置网络TB2，双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络5和第二因子谐波匹配网络4，以及基波电抗补偿网络6。

输入信号RF连接到输入匹配网络1输入端，输入匹配网络1另一端与场效应管T栅极连接，同时通过第一偏置网络TB1与栅极供电电压Vg和第四电容C4连接，场效应管T的漏极连接到输出匹配网络8，输出匹配网络8的输出端通过端接负载7接地。

输出匹配网络8具体结构为：调优网络3在第一调优微带线TL0和第二调优微带线TL1之间通过第二偏置网络TB2与漏极供电电压Vd和第五电容C5连接，调优网络3的输出端连接到第一因子谐波匹配网络5、第二因子谐波匹配网络4以及基波电抗补偿网络6。

调优网络3是由两段具有特定的特征阻抗和电长度的第一调优微带线TL0和第二调优微带线TL1组成。

基波电抗补偿网络6是由第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃以及第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃构成的三阶的LC低通网络。

双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络5和第二因子谐波匹配网络4，第一因子谐波匹配网络5由第一因子其一微带线TS0、第一因子其二微带线TS01组成，第二因子谐波匹配网络4由第二因子其一微带线TS1、第二因子其二微带线TS11组成。双因子谐波匹配网络中的微带线的电长度分别需要满足：

θ_s0+θ_s01＝λ/4 (1)

θ_s1+θ_s11＝λ/4 (2)

其中，θ_s0、θ_s01、θ_s1和θ_s11分别是第一因子其一微带线TS0、第一因子其二微带线TS01、第二因子其一微带线TS1、第二因子其二微带线TS11的电长度，λ为一个波长的电长度360°。

该双因子谐波匹配网络主要是用来对不同频点谐波阻抗进行开路匹配，从而提高谐波阻抗电抗网络能够有效拓宽载波放大器在回退工作时的回退阻抗带宽范围。如图2所示，空心圆形图例表示传统工作模式下放大器最优阻抗空间在史密斯圆上的分布，实心圆形图例表示本发明在双因子补偿连续逆模式下放大器最优阻抗空间在史密斯圆上的分布。

场效应管T在深AB类工作状态时的栅极电压为栅极供电电压Vg，漏极电压为漏极供电电压Vd，输出基波阻抗为：

Z_OMN＝R_opt(1+jα) (3)

其中，α为基波阻抗引入的电抗扩展因子，其范围为-1≤α≤1；R_opt为场效应管T输出的最佳基波阻抗。

场效应管T输出二次谐波阻抗为：

Z_F＝(β+γ)j (4)

其中，β和γ分别为谐波阻抗引入的第一扩展因子和第二扩展因子，其范围为0≤β，γ≤1。

式(4)分别对应图1中的第一因子谐波匹配网络的谐波阻抗Z_Ff1＝βj和第二因子谐波匹配网络的谐波阻抗Z_Ff2＝γj。

基波电抗补偿网络6需要满足：

Z_R＝R_opt (5)

其中，Z_R为场效应管T经过谐波匹配之后的最佳基波输出阻抗。

调优网络3中的两条微带线的电长度需满足以下关系：

其中，θ₀和θ₁分别为第一调优微带线TL0和第二调优微带线TL1的电长度。

上述工作模式所需要的条件都为初始条件，可以根据工作频带来选择计算匹配网络的特征阻抗和电长度值。

当场效应管T的栅极连接栅极供电电压Vg，漏极先通过调优网络3的第一调优微带线TL0的一端连接漏极供电电压Vd，另一端连接第二调优微带线TL1，第二调优微带线TL1的一端分别连接第一因子谐波匹配网络5、第二因子谐波匹配网络4和基波电抗补偿网络6，并分别满足式(6)、式(1)、式(2)和式(5)条件时，功率放大器的工作状态处于连续逆模式状态。通过该网络设计出高效宽带的连续逆模式可功率放大器在扩宽宽带同时，依然保持很高的效率值。

根据所要设计的频带宽度BW，将其分成两段，分别选取两段中的中心频点处的谐波阻抗进行匹配，由于本次设计的频带为0.9-3.2GHz，根据ADS初步仿真可以得到场效应管T任意频点处的谐波阻抗，因此在本次设计中，从图2中可以看出，将双因子即β和γ的值设为0.2，谐波阻抗的范围是比较大的，从而根据式(4)得出二次谐波阻抗Z_F的值，然后通过双因子谐波匹配网络进行开路匹配，使该设计工作在逆模式状态下，α的值受谐波匹配网络的影响，为了减小影响，α值通过扩展虚部的范围，来扩展阻抗匹配空间，进而扩展带宽，换言之，α的取值为[-1,1]，利用调优网络3和基波电抗补偿网络6来使所设计的功率放大器工作于连续逆模式的状态下。

如图3所示，实线图例和虚线图例分别表示基波电抗补偿网络对基波阻抗在被设计的频带内回波损耗和插入损耗的频率响应。由图2和图3可见，本发明使用的双因子补偿网络能够有效的在拓宽功率放大器带宽的同时也能保持高的效率值。

当场效应管工作时，根据输出基波阻抗Z_OMN的值，来确定调优网络3，第二偏置网络TB2，双因子谐波匹配网络及其基波电抗补偿网络6的初值，基波电抗补偿网络是将Z_R值匹配到标准的50欧姆，在不考虑谐波阻抗匹配网络的影响下，经过基波阻抗匹配得出的就是其基波电抗补偿网络的初值，在不考虑基波阻抗，只需要将双因子二次谐波阻抗匹配到开路状态(即连续逆模式)所得出的值为双因子谐波匹配网络参数的初值，但是由于谐波阻抗与基波阻抗相互之间有一定的影响，当所有初值确定之后然后再根据所设计功率放大器的性能进行优化调优网络，才能使功率放大器达到最理想的性能指标。

图4为本具体实施方式中功率放大器的大信号特性测试结果。如图4所示，黑色方形图例代表饱和时的效率曲线，黑色圆形图例为饱和时的输出功率的曲线，黑色三角形图例为大信号增益的曲线。本具体实施方式的功率放大器的中心频率为2.05GHz，带宽为2.3GHz，相对带宽112％，全频带饱和功率为40.2-42.2dBm，饱和效率为61.2-84.1％，信号增益为10.2-12.5dB。仿真结果与测试结果具有良好的一致性。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，该功率放大器主要包括：输入匹配网络(1)、场效应管T(2)、端接负载(7)以及输出匹配网络(8)，其中输出匹配网络(8)包括调优网络(3)、第二偏置网络(TB2)、双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络(5)和第二因子谐波匹配网络(4)、以及基波电抗补偿网络(6)；输入信号(RF)连接到输入匹配网络(1)的输入端，输入匹配网络(1)另一端与场效应管T(2)栅极连接，同时通过第一偏置网络(TB1)与栅极供电电压(Vg)和第四电容(C4)连接，场效应管T(2)的漏极连接到输出匹配网络(8)，输出匹配网络(8)的输出端通过端接负载(7)接地；

该功率放大器的实现首先通过设定双因子即第一扩展因子β和第二扩展因子γ的值，进而得出场效应管T(2)的二次谐波阻抗的值；然后，通过双因子谐波匹配网络即第一因子谐波匹配网络(5)和第二因子谐波匹配网络(4)进行匹配；最后，通过确定电抗扩展因子α的值，利用调优网络(3)和基波电抗补偿网络(6)来使所设计的功率放大器工作于连续逆模式的状态下，达到最理想的性能指标。

2.根据权利要求1所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络(8)具体结构为：调优网络(3)在第一调优微带线(TL0)和第二调优微带线(TL1)之间通过第二偏置网络(TB2)与漏极供电电压(Vd)和第五电容(C5)连接，调优网络(3)的输出端连接到第一因子谐波匹配网络(5)、第二因子谐波匹配网络(4)以及基波电抗补偿网络(6)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述调优网络(3)是由两段具有特定的特征阻抗和电长度的第一调优微带线(TL0)和第二调优微带线(TL1)组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述双因子谐波匹配网络中第一因子谐波匹配网络(5)由和为四分之一波长的第一因子其一微带线(TS0)和第一因子其二微带线(TS01)组成，第二因子谐波匹配网络(4)由和为四分之一波长的的第二因子其一微带线(TS1)和第二因子其二微带线(TS11)组成。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述基波电抗补偿网络(6)是由第一电感(L₁)、第二电感(L₂)、第三电感(L₃)以及第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、第三电容(C₃)构成的三阶的LC低通网络。

6.根据权利要求1所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述场效应管T(2)的二次谐波阻抗的值为：

Z_F＝(β+γ)j

其中，0≤β，γ≤1。

7.根据权利要求1所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述双因子谐波匹配网络中，微带线的电长度分别需要满足：

θ_s0+θ_s01＝λ/4

θ_s1+θ_s11＝λ/4

其中，θ_s0、θ_s01、θ_s1和θ_s11分别是第一因子其一微带线(TS0)、第一因子其二微带线(TS01)、第二因子其一微带线(TS1)、第二因子其二微带线(TS11)的电长度，λ为一个波长的电长度360°。

8.根据权利要求1所述的一种基于双因子补偿的连续逆模式高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述场效应管T(2)在深AB类工作状态时的栅极电压为栅极供电电压(Vg)，漏极电压为漏极供电电压(Vd)，输出基波阻抗为：

Z_OMN＝R_opt(1+jα)

其中，α为基波阻抗引入的电抗扩展因子，其范围为-1≤α≤1；Ropt为场效应管T输出的最佳基波阻抗。

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