CN114123994A - 一种基于开关e类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，主要包括等效电流源、漏级偏置网络、并联输出电容、电抗补偿网络以及端接负载，其中电抗补偿网络包括LnCn串联谐振电路和Ln+1Cn+1并联谐振电路,n为电抗补偿网络阶数，根据实际电路设计确定。其中E类模式主要是由输出电容Cout、补偿电感LB和端接负载R来控制。本发明相对于传统的阻抗匹配电路可有效拓宽其输出匹配电路的工作带宽，并且相对于传统的宽带设计方法，该设计结构简单、易实现、可靠性高，可应用到宽频高效功率放大器的设计中。
Description
技术领域
本发明涉及微波有源匹配领域，特别是涉及一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构。
背景技术
在现代无线通信系统中，通信数据传输速率的增快和宽带的频谱资源需求的增加会提高通信系统的复杂度，降低稳定性。为了解决上述问题，作为系统中最为关键的器件功率放大器成为了研究中的重点。首先功率放大器效率的提升不仅可以提高系统的效率，也可以增强其稳定性，降低能耗，频带的扩宽可进一步的降低通信系统的成本。众所周知，现如今的高效宽带的功率放大器通常是通过控制谐波来提高效率，由于谐波匹配控制网络的引入增加了电路的复杂程度，对宽带的基波电路网络设计会产生很大的影响，还要求谐波阻抗在一个宽带的频率范围内实现阻抗匹配，最终难以同时实现高效和宽带的匹配网络，对带宽的限制很大。对于日渐稀缺的频谱资源，上述匹配方法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。
开关E类功率放大器依靠其高效率的优点一直是当前研究的重点，该功率放大器主要利用有源器件的输出电容，依靠其软开关的特性实现100％的理论效率。传统的高效宽带的匹配结构主要是进行宽带基波阻抗匹配+谐波阻抗匹配网络，其实际操作过程比较复杂，匹配难度较大，然而开关E类模式多电抗补偿输出拓扑结构通过将整个电路处于E类模式下，有规律的增加串联谐振和并联谐振电路的个数来提高带宽，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
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构,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。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，所述拓扑结构包括等效电流源(1)以及依次与之并联的输出并联电容(3)和输出多电抗补偿网络(6)；
所述输出并联电容(3)的一端还连接有偏置网络(2)，该偏置网络(2)包括四分之一波长的阻抗线，该阻抗线的一端分别连接所述等效电流源(1)和所述输出并联电容(3)，另一端连接去耦电容，并且该去耦电容接地；
其中，所述该输出多电抗补偿网络(6)包括多个依次并联连接的电抗补偿网络，并且每个电抗补偿网络均包括一个LC串联谐振电路(4)和一个LC并联谐振电路(5)；
在E类功放模式下，所述输出并联电容(3)和偏置网络(2)组成并联谐振电路，所述的输出多电抗补偿网络(6)在基于该并联谐振电路条件下，通过LC串联谐振电路和LC并联谐振电路来补偿所述输入阻抗Zin的相位，使得其相位在LC谐振频率下，逼近一个恒定值，以实现宽带匹配的目的，其中，
所述在E类功放模式下，当所述输出并联电容(3)和偏置网络(2)组成并联谐振电路时，
公式中，
为谐振频率，L为并联补偿电感的值，C为输出并联电容的值，以及，
漏极电压为漏极供电电压，并且需满足：
公式中，Vc为输出并联电容两端的电压。
进一步的，在所述的输出多电抗补偿网络(6)中的第一个电抗补偿网络中，所述LC串联谐振电路(4)由第一电容C0和第一电感L0串联形成谐振电路而构成；
所述LC并联谐振电路(5)由第二电容C1和第二电感L1并联形成谐振电路而构成。
进一步的，在所述的第一个电抗补偿网络中，所述第一电容C0的一端连接至所述输出并联电容(3)的一端；所述第一电容C0的另外一端通过所述第一电感L0分别连接第二电容C1和第二电感L1的一端，其中，所述第二电容C1和第二电感L1的另外一端连接至所述输出并联电容(3)的另外一端。
进一步的，当输出多电抗补偿网络(6)包括n个依次并联连接的电抗补偿网络时，在最后一个电抗补偿网络中，第二电容Cn+1和第二电感Ln+1的一端分别连接负载和第一电感Ln。
本发明的有益效果是：
本发明相对于已有的谐波阻抗匹配结构，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宽带的匹配结构，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为实施例1中提供的一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构的结构示意图；
图2为实施例1中提供的输出多电抗补偿网络具有2个电抗补偿网络时，输入阻抗虚部变化示意图；
图3为实施例1中提供的的输入阻抗在宽频特性下的幅度与相位变化的示意图；
图4为实施例1中提供的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：
1-等效电流源、2-偏置网络、3-输出并联电容、4-LC串联谐振电路、5-LC并联谐振电路、6-输出多电抗补偿网络。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图4，本实施例提供一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，该有源多电抗补偿输出拓扑结构具体如如图1所示，主要包括：等效电流源1以及依次与之并联的输出并联电容3和输出多电抗补偿网络6；
输出并联电容3的一端还连接有偏置网络2，该偏置网络2包括四分之一波长的阻抗线，该阻抗线的一端分别连接等效电流源1和输出并联电容3，另一端连接去耦电容，并且该去耦电容接地；
其中，该输出多电抗补偿网络6包括多个依次并联连接的电抗补偿网络，并且每个电抗补偿网络均包括一个LC串联谐振电路4和一个LC并联谐振电路5；可以根据实际电路设计确定，输出多电抗补偿网络6具体包括几个电抗补偿网络，在本实施例中并不限定。
在E类功放模式下，输出并联电容3和偏置网络2组成并联谐振电路，的输出多电抗补偿网络6在基于该并联谐振电路条件下，通过LC串联谐振电路和LC并联谐振电路来补偿输入阻抗Zin的相位，使得其相位在LC谐振频率下，逼近一个恒定值，以实现宽带匹配的目的，其中，
在E类功放模式下，当输出并联电容3和偏置网络2组成并联谐振电路时，
公式中，
为谐振频率，L为并联补偿电感的值，C为输出并联电容的值，以及，
漏极电压为漏极供电电压，并且需满足：
公式中，Vc为输出并联电容两端的电压。
具体的说，在本实施例中，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。
当等效电流源I的漏极连接漏极供电电压VDD，漏极先通过偏置电路3的扼流电感一端连接输出电容Cout，并分别满足上述两个条件时，该多电抗拓扑机构的工作状态处E类状态。通过该网络可设计出高效宽带的拓扑结构在扩宽宽带同时，依然保持很高的效率值。
具体的说，在本实施例中，在的输出多电抗补偿网络6中的第一个电抗补偿网络中，LC串联谐振电路4由第一电容C0和第一电感L0串联形成谐振电路而构成；
LC并联谐振电路5由第二电容C1和第二电感L1并联形成谐振电路而构成。
具体的说，在本实施例中，在的第一个电抗补偿网络中，第一电容C0的一端连接至输出并联电容3的一端；第一电容C0的另外一端通过第一电感L0分别连接第二电容C1和第二电感L1的一端，其中，第二电容C1和第二电感L1的另外一端连接至输出并联电容3的另外一端。
具体的说，在本实施例中，当输出多电抗补偿网络6包括n个依次并联连接的电抗补偿网络时，在最后一个电抗补偿网络中，第二电容Cn+1和第二电感Ln+1的一端分别连接负载和第一电感Ln。
采用本实施例方法进行功率放大器设计，确定当n＝2时，采用对应的电抗补偿拓扑进行设计，首先确定功放的带宽是1-3.6GHz和中心频率2.3GH来作为电抗补偿网络的谐振频率进行设计。
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2.3GHz，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。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括等效电流源(1)以及依次与之并联的输出并联电容(3)和输出多电抗补偿网络(6)；
所述输出并联电容(3)的一端还连接有偏置网络(2)，该偏置网络(2)包括四分之一波长的阻抗线，该阻抗线的一端分别连接所述等效电流源(1)和所述输出并联电容(3)，另一端连接去耦电容，并且该去耦电容接地；
其中，所述该输出多电抗补偿网络(6)包括多个依次并联连接的电抗补偿网络，并且每个电抗补偿网络均包括一个LC串联谐振电路(4)和一个LC并联谐振电路(5)；
在E类功放模式下，所述输出并联电容(3)和偏置网络(2)组成并联谐振电路，所述的输出多电抗补偿网络(6)在基于该并联谐振电路条件下，通过LC串联谐振电路和LC并联谐振电路来补偿所述输入阻抗Zin的相位，使得其相位在LC谐振频率下，逼近一个恒定值，以实现宽带匹配的目的，其中，
所述在E类功放模式下，当所述输出并联电容(3)和偏置网络(2)组成并联谐振电路时，
公式中，
为谐振频率，L为并联补偿电感的值，C为输出并联电容的值，以及，
漏极电压为漏极供电电压，并且需满足：
公式中，Vc为输出并联电容两端的电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，其特征在于，在所述的输出多电抗补偿网络(6)中的第一个电抗补偿网络中，所述LC串联谐振电路(4)由第一电容C0和第一电感L0串联形成谐振电路而构成；
所述LC并联谐振电路(5)由第二电容C1和第二电感L1并联形成谐振电路而构成。
3.根据权利要求2所述的一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，其特征在于，在所述的第一个电抗补偿网络中，所述第一电容C0的一端连接至所述输出并联电容(3)的一端；所述第一电容C0的另外一端通过所述第一电感L0分别连接第二电容C1和第二电感L1的一端，其中，所述第二电容C1和第二电感L1的另外一端连接至所述输出并联电容(3)的另外一端。
4.根据权利要求3所述的一种基于开关E类模式功放的有源多电抗补偿输出拓扑结构，其特征在于，当输出多电抗补偿网络(6)包括n个依次并联连接的电抗补偿网络时，在最后一个电抗补偿网络中，第二电容Cn+1和第二电感Ln+1的一端分别连接负载和第一电感Ln。
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