CN114598278A - 一种双输入双输出功率放大器 - Google Patents

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李立
党妮
胡春雨
史卫民
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Abstract

一种双输入双输出功率放大器，包括两个射频信号输入端、两个子功放和四端口网络；四端口网络包括两个输入端和输出端；两个射频信号输入端分别将射频信号对应输入一个子功放；两个子功放进行功率放大后，子功放将功率放大后的信号各自输入到四端口网络的一个输入端中；四端口网络的每个输出端连接有一根天线，两个输出端分别将功率馈送至对应的天线。本发明提出的双输入双输出功放，可根据外部环境，进行分离函数的重组，实现工作模式重构，对抗外部环境带来的性能下降。此外，通过宽带四端口网络综合技术、宽带子功放设计方法，可实现双输入双输出功放带宽扩展，解决现有双输入双输出功放带宽较窄的问题，更适用于未来高速通信系统。

Description

一种双输入双输出功率放大器
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种双输入双输出功率放大器。
背景技术
从3G通信时代演进至4G时代，数据速率从几十Kbps上升至百Mbps，高阶调制信号顺理成章地走向市场。随之而来的是，Doherty功放架构逐渐代替了传统单管功放，因为Doherty功放结构简单且具备优异的回退效率，可以处理峰均比较高的高阶调制信号。经过21世纪的第二个十年的蓬勃发展，Doherty功放逐渐走向成熟并占据了功放市场的主导地位。在21世纪第三个十年，5G正式走向商用，6G进入研讨阶段，数据速率再一次指数式增加，市场正在呼吁功放架构进行再次革新。大规模阵列天线及波束成形技术将成为国家实现5G/6G战略主导地位的核心技术之一。在此背景下，功放架构必然向多输入多输出演进。此外，在大规模阵列天线系统中，元件耦合环境复杂，导致功放端口阻抗失配，降低系统性能。另一方面，并不是所有天线都需要辐射相同的功率，天线之间的功率分配就变得至关重要。传统方式采用功放与天线一对一的连接方式，当辐射功率下降时，功放效率的下降导致整个系统效率也随之下降。
综上所述，有必要提出一种双输入双输出功放架构，根据实时信道状态，将更多的功率传送至最优天线。此外，当功放端口负载阻抗变化时，进行分离函数重构，进而实现功放工作模式的重构，对抗由天线耦合带来的阻抗失配。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，是克服现有双输入双输出功放输入状态固定、工作模式单一、电路可靠性差等问题，同时提供双输入双输出功放的宽带化设计方案。从而公开一种具备宽带特性的多输入多输出功率放大器架构，通过控制两路输入信号的幅度和相位，达到功放工作模式的重构，对抗功放端口阻抗失配的目的。
因此，提出一种双输入双输出功率放大器，具体技术方案如下：
一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：包括两个射频信号输入端、两个子功放和四端口网络；
所述四端口网络包括两个输入端和输出端；
两个射频信号输入端分别将射频信号对应输入一个子功放；
两个子功放进行功率放大后，子功放将功率放大后的信号各自输入到四端口网络的一个输入端中；
所述四端口网络的每个输出端连接有一根天线，两个输出端分别将功率馈送至对应的天线。
为更好的实现本发明，进一步地：根据两个输出端口的负载阻抗来控制两路输入信号的幅度和相位，确保整个功放模块在端口阻抗失配的情况下，保持在最优的工作状态。
进一步地：每一个子功放包含依次串接的宽带输入匹配网络、有源晶体管和宽带输出匹配网络，所述每一个子功放的宽带输出匹配网络分别与四端口合成网络的两个输入端连接，所述有源晶体管与栅极偏置电路和漏极偏置电路相连。
进一步地：宽带输入匹配网络，将有源晶体管的最优源阻抗匹配至系统阻抗；宽带输出匹配网络将所述有源晶体管的最优负载阻抗匹配至系统阻抗。
进一步地：所述栅极偏置电路和所述漏极偏置电路采用等效四分之一波长的微带线实现，保证直流电源能够为有源晶体管提供稳定的工作电压。
进一步地：在所述四端口网络的两个输出端口中，只有一个端口输出功率时，整个功放模块进行负载调制，提升回退效率；
当两个端口都输出功率时，两个输出端口进行功率分配，即在某一个端口输出更多的功率。
进一步地：通过重构两路输入信号的分离函数，进行多个工作模式的转换与重构。
本发明的有益效果为：本发明提出的双输入双输出功放，可根据外部环境，进行分离函数的重组，实现工作模式重构，对抗外部环境带来的性能下降。此外，通过宽带四端口网络综合技术、宽带子功放设计方法，可实现双输入双输出功放带宽扩展，解决现有双输入双输出功放带宽较窄的问题，更适用于未来高速通信系统。
附图说明
图1为本发明的多输入多输出功率放大器架构图；
图2为现有的双输入双输出功率放大器实例；
图3为基于90度耦合器的窄带四端口网络；
图4为基于级联90度耦合器的宽带四端口网络；
图5为本发明提出的子功放基本架构框图；
图6为基于本发明搭建的子功放实例；
图7为基于本发明与图6所示的子功放搭建的双输入双输出功放实例；
图8为双输入双输出功率放大器工作于功率分配模式的仿真结果；
图9为双输入双输出功率放大器工作于Doherty模式的仿真结果。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明提出一种双输入双输出功率放大器架构，相对于现有的双输入双输出功放(见图2)，该功放架构具备宽带工作特性，并可以根据端口阻抗，调整两路输入信号的幅度和相位，实现多模式可重构。
其具体实施方式可描述为如下：
如图1所示，为本发明提出的双输入双输出功率放大器的基本框图，具有两个射频信号输入端口、两个子功放以及一个四端口网络；其中，两路射频信号输入端口将两路信号分别输送至两个功放，通过子功放模块进行功率放大后分别输出至四端口合成网络的两个输入端，经四端口合成网络的两个输出端口分别将功率馈送至两根天线。两路输入端口所需的分离函数可以通过实际测试得到，也可以通过经验给定初始值，然后进行自适应优化。特定的输入分离函数可通过数字或者模拟的方法进行实现。
对于该双输入双输出功率放大器，四端口网络直接决定着整个功放模块的工作状态与模式。具体的特例为，如图3所示，采用四端口90度耦合器，根据90度耦合器的本征特性，可以得出：
Figure BDA0003574859610000041
其中各个符号的含义如图3所示。两个子功放假设为理想的电流源，分别为：
Figure BDA0003574859610000042
其中，Imax代表两个子功放的最大电流，θ代表两路的相位差，α1与α2分别代表两个子功放的归一化输入幅度。那么经过推导，可以得出两个输出端口的输出电压与归一化输入幅度与相位差的关系为:
Figure BDA0003574859610000051
上式说明，两路输出的电压或功率由两路输入信号的幅度与相位差直接决定。那么通过控制两路输入信号的幅度和相位差便可以调整功放工作的模式与状态。
具体的：如果两个输出端口的输出阻抗均为50Ω，且θ为90°，那么该功放为平衡式模式，且其中一路无功率输出；
如果两个输出端口中，某一个端口负载阻抗为开路或者短路，则该功放可以工作于Doherty模式，且两路输入信号的相位差θ为90°或者-90°。
图3所示的耦合器带宽较窄，可以采用图4所示的级联耦合器方法进行带宽扩展。
本发明实施例所提出的双输入双输出功放包含两个子功放，两个子功放可以完全一样。
图5示出了一种子功放的基本框图，包括宽带输入匹配网络、进行功率放大的有源晶体管、宽带输出匹配网络以及栅极、漏极偏置供电网络构成；宽带输入匹配网络，将有源晶体管的最优源阻抗匹配至系统阻抗，使功率源到有源器件的传输功率最大化；宽带输出匹配网络将所述有源晶体管的最优负载阻抗匹配至系统阻抗，合适的负载阻抗可以实现高效率的功率传输；偏置供电网络的设计是为了保证直流电源能够提供稳定的工作电压，保证直流通路的同时不影响射频通路。
具体的，宽带输入匹配网络由隔直电容以及微带线依次串联组成，根据共轭匹配下实现最大化功率传输的方法，将所需频带内源牵引得到的最佳源负载阻抗均匹配到50Ω。
具体的，栅极偏置电路由等效为四分之一波长线的微带线以及夹在其中间的串联小电阻组成，保证直流电源能够为有源晶体管提供稳定的工作电压；通过调谐微带线的长度，使其满足一定功率条件下的高效率；在其电路中串联的电阻，是为了提高电路稳定性，且直流电源侧并联了旁路电容，滤除信号中含有的高频成分。
具体的，漏极偏置电路由等效为四分之一波长线的微带线组成，保证直流电源能够为有源晶体管提供稳定的工作电压；通过调谐微带线的长度，使其满足一定功率条件下的高效率；且直流电源侧并联了旁路电容，滤除信号中含有的高频成分。
其中，有源晶体管的工作状态由栅极与漏极偏置电压决定。
具体的，宽带输出匹配网络由微带线以及隔直电容依次串联构成，其作用是使有源晶体管的最优负载阻抗匹配至系统阻抗。宽带输出匹配网络分别与四端口合成网络的两个输入端连接。
如图6所示，基于本发明的双输入双输出功放架构，给出一个子功放设计实例。
宽带输入匹配网络由20pF隔直电容以及五阶微带线依次串联组成，将所需频带内源牵引得到的最佳源负载阻抗均匹配到50Ω。栅极偏置电路的组成包括等效四分之一波长线的五阶微带线以及夹在其中间串联20Ω的电阻依次串联、直流电源侧并联的20pF旁路电容；漏极偏置电路的组成包括等效四分之一波长线的四阶微带线依次串联、直流电源侧并联的20pF旁路电容；其中偏置电路通过调谐微带线的长度，使其在一定功率条件下实现高效率，且通过旁路电容滤除信号中含有的高频成分。宽带输出匹配网络由五阶微带线以及20pF隔直电容依次串联组成，使有源晶体管的最优负载阻抗匹配至系统阻抗。晶体管通过输入及输出匹配网络实现系统匹配；其中，有源晶体管的工作状态由栅极与漏极偏置电压决定，本实施例将栅极偏置设置为-3.4V，使该子功放工作于C类。通过合理地设计，该子功放的工作频段为2.2-2.6GHz。
作为一个实施例，在图6的基础上，图7示出了整个双输入双输出功放原理图。采用单级90度耦合器作为四端口网络。在90度耦合器的设计过程中，必须考虑耦合器的耦合度以及插损，耦合度是耦合端口与输入端口的功率之比，因此其绝对值越大越好，插损是输出端口与输入端口之比，因此其绝对值越小越好。
图8示出了上述双输入双输出功放工作与功率分配模式的仿真结果。此时两路输入信号幅度相等，两路输出的功率随着两路输入信号的相位差的变化而变化，从而实现功率分配。
图9示出了，当两路输出端口中，端口#1短路时，双输入双输出功率放大器工作于Doherty模式的仿真结果。此时，端口#2作为输出端口，两路输入信号的相位差θ为90度，通过控制两路输入信号的幅度，可以实现回退效率的提升。
从上实施例可以看出，利用本发明提出的双输入双输出功率放大器架构，利用分离函数算法的重构，根据不同需求进行工作模式切换。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：包括两个射频信号输入端、两个子功放和四端口网络；
所述四端口网络包括两个输入端和输出端；
两个射频信号输入端分别将射频信号对应输入一个子功放；
两个子功放进行功率放大后，子功放将功率放大后的信号各自输入到四端口网络的一个输入端中；
所述四端口网络的每个输出端连接有一根天线，两个输出端分别将功率馈送至对应的天线。
2.根据权利要求1所述一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：根据两个输出端口的负载阻抗来控制两路输入信号的幅度和相位，确保整个功放模块在端口阻抗失配的情况下，保持在最优的工作状态。
3.根据权利要求2所述一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：每一个子功放包含依次串接的宽带输入匹配网络、有源晶体管和宽带输出匹配网络，所述每一个子功放的宽带输出匹配网络分别与四端口合成网络的两个输入端连接，所述有源晶体管与栅极偏置电路和漏极偏置电路相连。
4.根据权利要求3所述一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：宽带输入匹配网络，将有源晶体管的最优源阻抗匹配至系统阻抗；宽带输出匹配网络将所述有源晶体管的最优负载阻抗匹配至系统阻抗。
5.根据权利要求4所述一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：所述栅极偏置电路和所述漏极偏置电路采用等效四分之一波长的微带线实现，保证直流电源能够为有源晶体管提供稳定的工作电压。
6.根据权利要求5所述一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：在所述四端口网络的两个输出端口中，只有一个端口输出功率时，整个功放模块进行负载调制，提升回退效率；
当两个端口都输出功率时，两个输出端口进行功率分配，即在某一个端口输出更多的功率。
7.根据权利要求6所述一种双输入双输出功率放大器，其特征在于：通过重构两路输入信号的分离函数，进行多个工作模式的转换与重构。
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