CN113258880A - 宽带匹配电路、信号处理电路和宽带后匹配电路 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种宽带匹配电路、信号处理电路和宽带后匹配电路，所述带宽匹配电路包括：输入端，输出端，一个或多个连接线电路，一个或多个支节电路；其中，一个或多个所述连接线电路串接在所述输入端和所述输出端之间，所述支节电路并接在所述连接线电路一端；任一所述连接线电路采用阶梯型结构，任一所述支节电路采用阶梯型结构，所述阶梯型结构包括两段传输线。

Description

宽带匹配电路、信号处理电路和宽带后匹配电路

技术领域

本申请涉及通讯技术领域，具体涉及一种宽带匹配电路、信号处理电路和宽带后匹配电路。

背景技术

目前对功放管高效率工作模式的研究是基于波形整形理论，其典型代表有E类，F/逆F类，连续F/逆F类和J类等。理论上讲，通过谐波阻抗的精确调控，可以减小时域电流波形和电压波形的重替，进而达到降低热耗、提升效率的目标。虽然各模式的理论推导结果略有不同，但上述高效率模式的实现方式都是相通的，涉及的宽带匹配电路都需要同时完成对基频阻抗的精确匹配与对谐波阻抗的精确调控。

现有宽带匹配电路通常由独立设计的谐波控制电路与基频匹配电路两部分组成，通常，为了实现谐波阻抗的理想开路或短路，谐波控制电路由多段指定电长度的连接线与支节组成，其中，上述多段指定电长度是指在基频处的λ/8或λ/16，而基频阻抗的匹配问题再单独交给基频匹配电路实现。

现有宽带匹配电路结构通常较复杂且宽带特性难以保证。

发明内容

本申请提供一种宽带匹配电路、信号处理电路和宽带后匹配电路，可以在一个宽带匹配电路中同时实现基频阻抗的精确匹配与谐波阻抗的精确调控。

第一方面，本申请实施例提供一种宽带匹配电路，包括：输入端，输出端，一个或多个连接线电路，一个或多个支节电路；其中，

一个或多个所述连接线电路串接在所述输入端和所述输出端之间，所述支节电路并接在所述连接线电路一端；

任一所述连接线电路采用阶梯型结构，任一所述支节电路采用阶梯型结构，所述阶梯型结构包括两段传输线。

第二方面，本申请实施例提供一种信号处理电路，所述信号处理电路包括：稳定电路，偏置电路，隔直电路，和本申请实施例提供的任一所述的宽带匹配电路。

第三方面，本申请实施例提供一种宽带后匹配电路，所述宽带后匹配电路应用于Doherty功放电路，所述宽带后匹配电路包括如本申请实施例提供的任一所述的宽带匹配电路。

本申请在基频宽带匹配电路的基础上，在一个宽带匹配电路中同时实现基频阻抗的精确匹配与谐波阻抗的精确调控，无须独立设计谐波调控网络，一方面保证了电路的紧凑布局，另一方面也保证了电路的宽带频率响应特性。

关于本申请的以上实施例和其他方面以及其实现方式，在附图说明、具体实施方式和权利要求中提供更多说明。

附图说明

图1是本申请中提供的宽带匹配电路的结构图；

图2是本申请提供的三阶带通结构的宽带匹配电路的示意图；

图3是本申请提供的四阶带通结构的宽带匹配电路的示意图；

图4是本申请提供的四阶带通结构的宽带匹配电路的仿真结果示意图；

图5是本申请提供的宽带匹配电路涉及支节对称结构的示意图；

图6是本申请提供的信号处理电路的连接示意图；

图7是本申请提供的应用于Doherty功放中后匹配电路的连接示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

作为无线通信系统中功率消耗占比最大的单元，功率放大器能否高效率工作直接影响着系统的总体能耗。传统的高效率模式中，效率提升是通过调整晶体管的栅极偏置电压来控制晶体管的导通角来实现，比如A类，B类，AB类和C类模式。由于不可能无限制的减小导通角，这种简单的调控模式不能实现可持续的效率提升，并且持续减小导通角会带来诸多问题，比如可用增益降低，饱和功率下降，线性度恶化等。

目前对功放管高效率工作模式的研究是基于波形整形理论，其典型代表有E类，F/逆F类，连续F/逆F类和J类等。理论上讲，通过谐波阻抗的精确调控，可以减小时域电流波形和电压波形的重替，进而达到降低热耗、提升效率的目标。虽然各模式的理论推导结果略有不同，但上述高效率模式的实现方式都是想通的，涉及的宽带匹配电路都需要同时完成对基频阻抗的精确匹配与对谐波阻抗的精确调控。

现有宽带匹配电路通常由独立设计的谐波控制电路与基频匹配电路两部分组成，电路结构通常较复杂且宽带特性难以保证。通常，为了实现谐波阻抗的理想开路或短路，谐波控制电路由多段指定电长度的连接线与支节组成，其中，上述多段指定电长度是指在基频处的λ/8或λ/16，而基频阻抗的匹配问题再单独交给基频匹配电路实现。

此外，上述方案的最大缺陷是将内部等效电流源参考面近似等价于外部封装参考面，忽略了两个参考面之间的多种寄生参量的影响。实际中，寄生参量将导致封装参考面的开路或短路并不等价于内部等效电流源参考面的开路或短路，因此，上述方案中对谐波阻抗的处理无法实现预想的波形整形目的。

本申请提供一种应用于宽带功放中的基频宽带匹配与谐波调控电路，在实现基频阻抗精确匹配的基础上，在一个电路单元中同时实现基频阻抗的精确匹配与谐波阻抗的精确调控。

本申请实施例中提供一种宽带匹配电路的结构图，图1是本申请提供的宽带匹配电路的结构图，所述宽带匹配电路同时实现基频阻抗的精确匹配与谐波阻抗的精确调控。

如图1所示，本申请实施例提供的宽带匹配电路，包括：输入端IN，输出端OUT，一个或多个连接线电路11、一个或多个支节电路12；其中，

一个或多个所述连接线电路11串接在所述输入端IN和所述输出端OUT之间，所述支节电路12并接在所述连接线电路11一端；任一所述连接线电路11采用阶梯型结构，任一所述支节电路12采用阶梯型结构，所述阶梯型结构包括两段传输线。

其中，所述阶梯型结构包括电长度相等但阻抗不相等的两段传输线。即连接线电路中包括电长度相等但阻抗不相等的两段传输线，支节电路中包括电长度相等但阻抗不相等的两段传输线。

连接线电路和支节电路均采用阶梯型结构，但是连接线电路中的两段传输线的参数的和支节电路中的两段传输线的参数是不相同的。每个连接线电路的两段传输线的参数是不同的，支节电路的两段传输线的参数也是不同的。上述参数包括传输线的电长度和阻抗。

进一步的，所述宽带匹配电路包括：N个连接线电路11和M个支节电路12，所述第m个支节电路并接在第n个连接线电路一端。

在本实施例中，M和N是大于或等于1的任一整数。m是1到M中的任一整数，n是1到N中的任一整数。

优选的，M可以等于N，可以小于N，也可以大于N。支节电路的数量M可以依据合理性和仿真结果进行灵活调整。

需要说明的是，N和M取值越大，电路复杂性越高，但谐波抑制效果并不是随着N和M的增大而成正比例增加。即，随着N和M的增加，谐波抑制效果的提高并不明显，但是电路复杂度却明显增加。因此，在平衡谐波抑制效果和电路复杂度的情况下，N优选为1，或者N优选为2。

在一个示例性的实施方式中，所述阶梯型结构中的两段传输线的电长度相等但阻抗不相等。

在一个示例性的实施方式中，所述连接线电路中的两段传输线的阻抗分别由预先确定的基频宽带匹配电路的电路参数确定。

在一个示例性的实施方式中，所述连接线电路中的传输线的电长度由所述连接线电路中每段传输线的阻抗以及第一预设公式确定。

进一步的，所述支节电路中的每段传输线的电长度是四分之一波长。

在一个示例性的实施方式中，所述支节电路中的第一段传输线的阻抗值Z_IN由预先确定的基频宽带匹配电路的电路参数Z、第一设定角度、第一参数以及第二预设公式确定。

在一个示例性的实施方式中，所述第一设定角度由所述基频宽带匹配电路的通带边缘角频率与中心频率的角频率的比值确定。

在一个示例性的实施方式中，所述第一参数由所述基频宽带匹配电路边带传输零点对应的角频率与中心频率的角频率的比值确定。

在一个示例性的实施方式中，所述支节电路中的第二段传输线的阻抗值Z_OUT由第一段传输线的阻抗与第一参数的乘积确定。

在一个应用性实施方式中，提供一种应用于宽带功放的宽带匹配电路，所述宽带匹配电路由串联的连接线电路与并联的支节电路构成。本申请提出的宽带匹配电路无须独立设计基频匹配与谐波调控网络，可以在一个电路单元中同时实现优选基波阻抗的精确匹配与优选谐波阻抗的精确调控，电路结构更加紧凑。由于本电路是以宽带匹配结构为基础，能有效保证电路的宽带响应。

图2是本申请提供的三阶带通结构的宽带匹配电路的示意图，对应N＝1，M＝2的情形，如图2所示，基频宽带匹配电路由串联的连接线M1以及并联的支节M2与M3构成，本申请的提出谐波调控是在前述基频宽带匹配电路的基础上进行变换得到，连接方式为：由传输线K3与终端开路传输线K4组成的支节电路与连接线电路中的传输线K1左端相连，类似的，由传输线K5与终端开路传输线K6组成的支节电路与连接线电路中的传输线K2右端相连。

需要说明的是，四阶带通结构的电路连接方式与三阶带通结构的连接方式类似，在此不再赘述。

在一个应用性实施方式中，提供一种宽带匹配电路，利用阶梯型结构的支节电路与阶梯型结构的连接线电路实现基频阻抗的匹配与谐波阻抗的调控。在可接受的复杂度基础上，四阶电路能提供更灵活的阻抗匹配与调控能力。因此，本实施例主要以四阶带通结构进行说明，对应N＝2的情形。

此外，需要说明的是，输入与输出匹配电路可使用同样的结构，因此在本实施例中，仅以输出匹配电路为例进行说明。

图3是本申请提供的四阶带通结构的宽带匹配电路的示意图，对应N＝2，M＝3的情形，如图3所示，基频宽带匹配电路由串联的连接线N1、连接线N2以及并联的支节N3、N4和N5构成，本申请提出的宽带匹配电路是在前述基频宽带匹配电路的基础上变换得到的。需要说明的是，本申请的实施例是以N＝2为例，但N＝1的电路方案也在保护范围。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述，宽带匹配电路主要设计步骤如下：

步骤一：根据负载牵引得到全频段的优选阻抗信息，依照解析公式或计算机中的可执行指令，得到基频宽带匹配电路的具体电路参数，两段连接线N1，N2的特性阻抗分别为13Ω，29Ω，电长度为四分之波长；支节连接线N3，N4，N5的特性阻抗分别为：6.81Ω，20.7Ω，-116Ω，电长度为四分之波长终端短路线。

具体的，以厂家公开提供的非线性仿真模型为依据提取优选阻抗信息。本次实施例使用的管芯型号为CG2H40025。

需要说明的是，本实施例中，支节N5计算得到的阻抗值为负值，实际中等价于支节N5为无穷大阻抗。进一步的，考虑到实际制版的限制，可以在本次实施例中省去支节N5。但需要知晓的是，支节N5为无穷大阻抗仅是其中一个特例，并不是对支节连接线N5的阻抗进行限定。

步骤二：在前述基频宽带匹配电路的基础上，将前述两段串联连接线N1和N2进行替换，此部分的电路替换的目标是完成第一阶段谐波阻抗的调控。

具体的，使用传输线T1与传输线T2串联构成的连接线电路替换连接线N1；使用连接传输线T3与传输线T4串联构成的连接线电路替换连接线N2。

其中，传输线T1与传输线T2是两段电长度相等但阻抗不相等的两条传输线；传输线T3与传输线T4是两段电长度相等但阻抗不相等的传输线。

连接线电路中的传输线的阻抗可以由基频宽带匹配电路中的阻抗参数确定。连接线电路中的传输线的电长度可以由连接线电路中的两段传输线的阻抗来确定。

具体的，传输线T1与传输线T2的电长度可以由传输线T1的阻抗和传输线T2的阻抗来确定。依此类推，可以按照上述方法依次确定传输线T3与传输线T4的阻抗和电长度，不再赘述。

具体的，依照第一预设公式，即公式(1)进行计算，得到传输线的电长度。

其中，Z2代表连接线电路中的高阻抗，Z1代表连接线电路中的低阻抗，α代表替换后的传输线的电长度。

步骤三：实现阶梯型结构支节电路的替换。

依照步骤二的仿真结果，在不同的谐波频点有目的的引入传输零点，实现第二阶段的阻抗调控策略。

支节N3替换为传输线T5及终端开路线T6串联构成的支节电路，支节N4替换为连传输线T7及终端开路线T8串联构成的支节电路；支节N5替换为传输线T9及终端开路线T10串联构成的支节电路。

如前所述，支节N5的理论计算值为负值，在本次实施例中可以省去支节N5，电路中不再涉及连接线T9及T10。

其中，传输线T5与终端开路线T6是两段电长度相等但阻抗不相等的传输线；传输线T7与终端开路线T8是两段电长度相等但阻抗不相等的传输线。

在本实施例中，传输线T5、终端开路线T6、传输线T7、终端开路线T8的电长度理论上均为四分之波长。

依照公式(2)到(4)进行等价变换，将支节连接线替换成对应的阶梯型结构的支节电路。

其中ω₁为归一化的通带边缘角频率，ω₀为中心频率的角频率，ω_∞为拟实施的边带传输零点对应的角频率，其中，Z_IN是所述支节电路中的第一段传输线的阻抗值，Z_OUT是所述支节电路中的第二段传输线的阻抗，Z是所述基频宽带匹配电路中的支节传输线的阻抗值。

依据上述公式，依次计算出各支节单元中各个连接线的阻抗值。

步骤四：优化电路参数。

需要说明的是，步骤二与步骤三得到的阻抗和电长度均属于理论计算值，由于连接线非连续性等寄生效应的影响，实际工程中需进行电路优化。将匹配电路与偏置电路、稳定电路、隔直电路连接，整体进行版图优化，得到电路的最终尺寸。

本次实施例最终的电路参数简述如下：T1:14.9Ω28.6°@2.2GHz；T2:11.4Ω35.2°@2.2GHz；T3：44.9Ω25.4°@2.2GHz；T4：16Ω23.8°@2.2GHz；T5：24.9Ω114.2°@2.2GHz；T6：12.9Ω69.1°@2.2GHz；T7：50Ω121.6°@2.2GHz；T8：23.1Ω39.6°@2.2GHz。

需要知晓的是，最终的电路参数会与理论计算值有一定差异，但这种差异不能判定为超出本申请的保护范围。

图4是本申请提供的四阶带通结构的宽带匹配电路的仿真结果示意图，如图4所示，在基频段(1.7Gz-2.7GHz)内传输特性不变，在二次、三次谐波频段均出现了明显的边带抑制效果，进而实现了谐波调控的功能。

在一个应用性实例中，依据理论计算支节电路的理论阻抗值有可能出现负值，代表需要无穷大的特性阻抗值。然而，PCB能实现的最大阻抗值一般不超过120欧姆，无法实现无穷大的特性阻抗，在实际中，可以不再引入该支节电路。本实施例中，支节电路N5的理论计算值出现负值，即作为一种特殊的实例，不再引入支节电路N5，本宽带匹配电路中的连接线数量和支节数量相等，即M等于N。

在另一个应用性实例中，对于理论计算时，如果得到较小的支节阻抗，导致版图实现中出现传输线宽度过宽的问题，可采用对称支节的形式，减弱传输线物理尺寸不合理的负面影响。图5是本申请提供的支节对称型宽带匹配电路的示意图，如图5所示，假设对于N＝1，M＝2的情形，第一个支节出现过低阻抗的情况，可以采用两个并联的支节电路(K₃′和K₄′串联构成的支节电路)，来得到较合理的支节阻抗值，方便版图实现。进一步的，如图5所示，其中一个支节电路在连接线电路的上方，另一个支节电路在连接线电路的下方。

在一个示例性的实施方式中，本申请实施例提供一种信号处理电路，包括：稳定电路，偏置电路，隔直电路，和如本申请实施例提供的任一所述的宽带匹配电路。

图6是本申请提供的信号处理电路的连接示意图，参见图6，所示为信号处理电路的连接示意图，包括功放管芯、稳定电路、栅极偏置电路、宽带输入输出匹配电路、漏极偏置电路、隔直电路、输入输出端口线(50Ω)。所述隔直电路与标准端接阻抗50Ω连接，所述稳定电路与管芯的输入端连接；所述宽带输入匹配电路与管芯的输入端连接，且分别与所述稳定电路、栅极偏置电路、隔直电路连接，所述宽带输出匹配电路与管芯的输出端连接，且分别与所述漏极偏置电路、隔直电路连接，同时实现谐波调控与基频匹配的电路功能。

其中，输入、输出的宽带匹配电路是最核心的电路设计，即上述实施例中提供的基频匹配与谐波调控电路，此外需要知晓的是，偏置电路、稳定电路可依据具体设计灵活设置与其他电路单元的连接顺序，本申请仅针对最常用的连接顺序进行示例性的说明。对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

宽带匹配电路、稳定电路，偏置电路，隔直电路其连接顺序可以发生变化，比如输入端稳定电路的位置可以位于输入匹配电路的前面，也可以位于输入匹配电路的后面。

稳定电路一般只设置在输入端。

偏置电路的位置较多，既可以紧跟在功放引脚附近，也可以放置在靠近隔直电路附近，还可以与匹配电路直接相连，因此偏置电路可能出现的连接次序会很多样，本实施例中不再进行一一列举。

应该明白的是，改变稳定电路、偏置电路、隔直电路与所述宽带匹配电路的连接关系，仍在本申请的保护范围内。

需要说明的是，上述实施例中仅仅对电路的连接顺序进行示例性说明，并未限定，且其他未示出的常见电路连接关系，仍在本申请的保护范围内。

需要说明的是，使用本技术实现的电路可用于单管功放的输入或输出电路的设计，且可进一步成为其他功放单元中的组成部分，比如，宽带Doherty功放中“后匹配”(Post-matching)部分的电路，如图7所示。

需要说明的是，本申请提出的宽带匹配电路具有的基本特征是，支节部分由两段不同阻抗的传输线组成阶梯型结构，且支节之间的连接线电路也由两段不同阻抗的传输线组成阶梯型结构。本申请提供的计算公式，包括第一预设公式，第二预设公式，第一设定角度以及第一参数，仅是示例性的说明具有类似结构特征的，用于宽带匹配的电路参数初值的计算过程，不排除还有其他理论计算方法，但符合本申请提出的阶梯型电路结构特征的电路设计仍在本申请的保护范围内。

以上所述，仅为本申请的示例性实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。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申请的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于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。

通过示范性和非限制性的示例，上文已提供了对本申请的示范实施例的详细描述。但结合附图和权利要求来考虑，对以上实施例的多种修改和调整对本领域技术人员来说是显而易见的，但不偏离本发明的范围。因此，本发明的恰当范围将根据权利要求确定。

Claims (10)

1.一种宽带匹配电路，其特征在于，包括：输入端，输出端，一个或多个连接线电路，一个或多个支节电路；其中，

一个或多个所述连接线电路串接在所述输入端和所述输出端之间，所述支节电路并接在所述连接线电路一端；

任一所述连接线电路采用阶梯型结构，任一所述支节电路采用阶梯型结构，所述阶梯型结构包括两段传输线。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述阶梯型结构中的两段传输线的电长度相等但阻抗不相等。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述连接线电路中的两段传输线的阻抗分别由预先确定的基频宽带匹配电路的电路参数确定。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述连接线电路中的传输线的电长度由所述连接线电路中每段传输线的阻抗以及第一预设公式确定。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述支节电路中的第一段传输线的阻抗由预先确定的基频宽带匹配电路的电路参数、第一设定角度、第一参数以及第二预设公式确定。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第一设定角度由所述基频宽带匹配电路的通带边缘角频率与中心频率的角频率的比值确定。

7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述第一参数由所述基频宽带匹配电路边带传输零点对应的角频率与中心频率的角频率的比值确定。

8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述支节电路中的第二段传输线的阻抗由第一段传输线的阻抗与第一参数的乘积确定。

9.一种信号处理电路，其特征在于，所述信号处理电路包括：稳定电路，偏置电路，隔直电路，和权利要求1-8中任一所述的宽带匹配电路。

10.一种宽带后匹配电路，其特征在于，所述宽带后匹配电路应用于Doherty功放电路，所述宽带后匹配电路包括如权利要求1-8中任一所述的宽带匹配电路。

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