CN116566343A - 一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频无线通信技术领域，具体涉及一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，包括输入端口、输入匹配网络、稳定网络、晶体管、动态阻抗匹配网络、变容二极管直流偏置、可重构带通滤波网络和输出端口，通过对输出匹配网络进行设计，利用变容二极管结电容可调特性来实现可重构带通滤波网络通带中心频率与带宽的连续可调以及可重构带通滤波网络与晶体管漏极之间的动态阻抗匹配，从而实现功率放大器的中心频率与带宽的连续可重构，满足通信系统多频段工作的需求，提高了频率可调灵活度，增加了连续可调频带范围，提高了频率选择性和功放效率，系统复杂度降低，降低了重构成本。
Description
技术领域
本发明涉及射频无线通信技术领域，尤其涉及一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器。
背景技术
随着无线通信终端用户的剧烈增长以及人们对无线通信需求的不断提高，4G通信技术在某些方面已经无法满足更高水平的要求，5G通信系统的应用虽然正在如火如荼的进行中，但是在当今追求万物互联且频谱资源日益紧张的时代，多个应用终端互联势必会造成多个频段间的覆盖，这就需要应用终端和基站提供多模式、多频带化的工作标准来解决这个问题，而传统射频系统实现多频带工作标准的方式往往是通过并用多个射频接收链路，利用开关来切换工作频带，这种方式的缺点是会显著增加射频系统的体积、成本和结构复杂度。功率放大器作为射频系统前端中的一个重要组件，其工作指标对射频系统最终的性能好坏有着直接的影响。
可重构技术是实现多模/多频工作标准的关键技术之一，传统的可重构功率放大器主要是基于PIN二极管、RFMEMS等开关性质的可重构器件来实现离散化的频率可重构，这些离散重构的功率放大器普遍缺乏频带调节的灵活性，而现有的基于变容二极管、可变电容等连续可重构的功率放大器存在可调频率范围较窄、重构频段频率选择性较差的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，旨在解决现有可重构的功率放大器可调频率范围较窄且重构频段频率选择性较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，包括输入端口、输入匹配网络、稳定网络、晶体管、动态阻抗匹配网络、变容二极管直流偏置、可重构带通滤波网络和输出端口，所述输入端口、所述输入匹配网络、所述稳定网络、所述晶体管、所述动态阻抗匹配网络、所述可重构带通滤波网络和所述输出端口依次连接，所述变容二极管直流偏置分别与所述动态阻抗匹配网络和所述可重构带通滤波网络连接。
其中，所述可重构带通滤波网络由环形对称结构的准椭圆低通滤波网络和广义切比雪夫高通滤波网络级联构成，所述可重构带通滤波网络可实现通带中心频率及带宽的连续可调。
其中，所述环形对称结构的准椭圆低通滤波网络包括上下对称的两条并联支路，所述的两条并联支路由四个弧形微带线Curve3、Curve4、Curve5、Curve6及两个T形微带线Tee2、Tee5连接成环；每条所述支路均包括串联微带线TL15、TL16、TL17、TL18、TL19、TL20、TL21、T形微带线Tee3、Tee4、隔直电容C3、C4、C5、变容二极管Cc、Cd、Ce。
其中，所述可重构带通滤波网络中微带线TL15、TL16、TL17、TL18、TL19、TL20、TL21、TL22、TL23、TL24、TL26均由电感等效转化而成，所述微带线TL18、TL19、TL20、TL21与变容管Cc、Cd、Ce组成谐振器结构单元，所述微带线TL23、TL24与变容管Ch组成串联谐振单元SR3。
其中，所述动态阻抗匹配网络包括一个π型匹配网络和一个漏极偏置网络；所述π型匹配网络包括串联微带线TL8、TL9、TL10、TL11、并联短路微带线TL12、十字微带线Cross2、T形微带线Tee1、隔直电容C2和变容管Ca、Cb。
其中，所述中心频率及带宽皆可重构功率放大器工作频带的频率可调范围为0.95～1.9GHz，此时单个重构频段带宽为400MHz；带宽可调范围为1.1～1.8GHz，此时中心频率为1.45GHz。
本发明的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，所述输入端口接收射频输入信号，所述输出端口输出射频输出信号，所述输入端口与输入匹配网络的输入端相适应并连接，所述输出端口与所述可重构带通滤波网络的输出端相适应并连接，所述输入匹配网络包括一个T型匹配网络和一个栅极偏置网络；所述T型匹配网络可实现晶体管栅极与输入端口间的阻抗匹配，所述稳定网络由一个电容电阻并联网络及两根串联微带线构成，所述两根串联微带线分别与所述电容电阻并联网络及所述晶体管栅极串连，所述动态阻抗匹配网络包括一个π型匹配网络和一个漏极偏置网络，所述动态阻抗匹配网络可实现可重构带通滤波网络与晶体管漏极之间的动态阻抗匹配，所述可重构带通滤波网络由环形对称结构的准椭圆低通滤波网络和广义切比雪夫高通滤波网络级联构成；所述可重构带通滤波网络可实现通带中心频率及带宽的连续可调，通过对所述输出匹配网络进行设计，利用所述变容二极管直流偏置实现所述可重构带通滤波网络的通带中心频率与带宽的连续可调和所述可重构带通滤波网络与所述晶体管漏极之间的动态阻抗匹配，从而实现功率放大器的中心频率与带宽的连续可重构，满足通信系统多频段工作的需求，提高了频率可调灵活度，增加了连续可调频带范围，提高了频率选择性和功放效率，系统复杂度降低，降低了重构成本，解决现有可重构的功率放大器重构频段频率选择性较差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器的结构框图。
图2是本发明所提供的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器的总体电路图。
图3是本发明的输入匹配网络电路图。
图4是本发明的可重构带通滤波网络电路图。
图5是本发明的动态阻抗匹配网络电路图。
图6是本发明可重构带通滤波网络中心频率连续可调的S参数仿真结果图。
图7是本发明可重构带通滤波网络带宽连续可调的S参数仿真结果图。
图8是本发明中心频率连续可重构状态下功率放大器在各频段的效率仿真结果图。
图9是本发明中心频率连续可重构状态下功率放大器在各频段的增益仿真结果图。
图10是本发明带宽连续可重构状态下功率放大器在各频段的效率仿真结果图。
图11是本发明带宽连续可重构状态下功率放大器在各频段的增益仿真结果图。
图中：1-输入匹配网络、2-稳定网络、3-晶体管、4-动态阻抗匹配网络、5-可重构带通滤波网络、6-T型匹配网络、7-栅极偏置网络、8-环形对称结构的准椭圆低通滤波网络、9-广义切比雪夫高通滤波网络、10-π型匹配网络、11-漏极偏置网络、12-变容二极管直流偏置、13-输入端口、14-输出端口、15-输出匹配网络。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1至图11，本发明提供一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，包括输入端口13、输入匹配网络1、稳定网络2、晶体管3、动态阻抗匹配网络4、变容二极管直流偏置12、可重构带通滤波网络5和输出端口14，所述输入端口13、所述输入匹配网络1、所述稳定网络2、所述晶体管3、所述动态阻抗匹配网络4、所述可重构带通滤波网络5和所述输出端口14依次连接，所述变容二极管直流偏置12分别与所述动态阻抗匹配网络4和所述可重构带通滤波网络5连接。
在本实施方案中，所述动态阻抗匹配网络4与所述可重构带通滤波网络5构成所述输出匹配网络1，所述输入端口13接收射频输入信号，所述输出端口14输出射频输出信号，所述输入端口13与输入匹配网络1的输入端相适应并连接，所述输出端口14与所述可重构带通滤波网络5的输出端相适应并连接，所述输入匹配网络1包括一个T型匹配网络6和一个栅极偏置网络7；所述T型匹配网络6可实现所述晶体管3栅极与所述输入端口13间的阻抗匹配，所述稳定网络2由一个电容电阻并联网络及两根串联微带线构成，所述两根串联微带线分别与所述电容电阻并联网络及所述晶体管3栅极串连，所述动态阻抗匹配网络4包括一个π型匹配网络10和一个漏极偏置网络11，所述动态阻抗匹配网络4可实现所述可重构带通滤波网络5与所述晶体管3漏极之间的动态阻抗匹配，所述可重构带通滤波网络5由环形对称结构的准椭圆低通滤波网络8和广义切比雪夫高通滤波网络9级联构成；所述可重构带通滤波网络5可实现通带中心频率及带宽的连续可调，通过对所述输出匹配网络进行设计，利用所述变容二极管直流偏置12来调节变容二极管的结电容容值，实现所述可重构带通滤波网络5的通带中心频率与带宽的连续可调和所述可重构带通滤波网络5与所述晶体管3漏极之间的动态阻抗匹配，从而实现功率放大器的中心频率与带宽的连续可重构，满足通信系统多频段工作的需求，提高了频率可调灵活度，增加了连续可调频带范围，提高了频率选择性和功放效率，系统复杂度降低，降低了重构成本，解决现有可重构的功率放大器可调频率范围较窄且重构频段频率选择性较差的问题。
其中，所述π型匹配网络10包括串联微带线TL8、TL9、TL10、TL11、并联短路微带线TL12、十字微带线Cross2、T形微带线Tee1、隔直电容C2、变容管Ca、Cb，其中，TL8左端与所述晶体管3漏极相连，右端与Cross2的左端口相连，变容管Ca的阳、阴极分别与地、Cross2的下端口相连，TL9、隔直电容C2、TL10、变容管Cb依次串联连接，其中TL9的左端与Cross2的右端口相连，变容管Cb的阳极与Tee1的左端口相连，Tee1的下端口连接短路微带线TL12，TL11的两端分别连接Tee1的右端口和所述可重构带通滤波网络5；漏极偏置网络11包括依次串联连接的微带线TL13、弧形微带线Curve2、微带线TL14和并联接地的三个滤波电容，其中，TL13下端与Cross2上端口相连，并连接地的三个滤波电容分别与漏极直流偏置端Vds和TL14相连。
进一步的，所述可重构带通滤波网络5由环形对称结构的准椭圆低通滤波网络8和广义切比雪夫高通滤波网络9级联构成，所述可重构带通滤波网络5可实现通带中心频率及带宽的连续可调。
在本实施方案中，所述环形对称结构的准椭圆低通滤波网络8包括上下对称的两条并联支路，所述的两条并联支路由四个弧形微带线Curve3、Curve4、Curve5、Curve6及两个T形微带线Tee2、Tee5连接成环；每条所述支路均包括串联微带线TL15、TL16、TL17、TL18、TL19、TL20、TL21、T形微带线Tee3、Tee4、隔直电容C3、C4、C5、变容二极管Cc、Cd、Ce；所述广义切比雪夫高通滤波网络包括串联微带线TL23、TL24、TL25、T形微带线Tee6、Tee7、Tee8、并联短路微带线TL22、TL26、隔直电容C6、变容二极管Cf、Cg、Ch；
所述变容二极管Ca、Cb、Cc、Cd、Ce、Cf、Cg、Ch均各自连接一个偏置；偏置均连接在变容二极管的阴极，且各偏置与变容二极管阴极间均串联一个滤波电感，各变容二极管偏置电压可调范围均为0～20V。
所述可重构带通滤波网络5通过外加偏置电压来调节变容二极管Cc、Cd、Ce、Cf、Cg、Ch的容值，从而实现通带中心频率及带宽的连续可调，如图6、图7所示，图6展示了三个频率重构频段，分别为0.95-1.35GHz、1.25-1.65GHz、1.5-1.9GHz，图7展示了三个带宽重构频段，分别为1.3-1.6GHz、1.2-1.7GHz、1.1-1.8GHz。各重构频段均具有高选择性及超宽的阻带，带外抑制能力强。
其中，TL15、Tee3左右两端、TL16、Tee4左右两端、TL17依次串联连接，TL15左端连接Curve3，TL17右端连接Curve5，C3、TL18、C4、TL20、Cc依次串联连接，TL19、C5、TL21、Cd依次串联连接，其中，C3上端连接Tee3的下端口，TL19上端连接Tee4下端口，Cc、Cd阳极接地，Ce阳极连接在TL19与C5之间，阴极连接在TL18与C4之间；所述广义切比雪夫高通滤波网络9包括串联微带线TL23、TL24、TL25、T形微带线Tee6、Tee7、Tee8、并联短路微带线TL22、TL26、隔直电容C6、变容二极管Cf、Cg、Ch，其中，Tee6左端与所述环形对称结构的准椭圆低通滤波网络8相连、下端连接TL22、右端连接Cf阳极，Tee7左右两端分别连接Cf、Cg的阴极，TL23、C6、TL24、Ch依次串联连接，其中，TL23上端与Tee7下端口相连，Ch阳极接地，Tee8左端与Cg阳极相连、下端口连接TL26、右端口连接TL25左端，TL25右端与所述输出端口14适应并连接。
进一步的，所述可重构带通滤波网络5中微带线TL15、TL16、TL17、TL18、TL19、TL20、TL21、TL22、TL23、TL24、TL26均由电感等效转化而成，所述微带线TL18、TL19、TL20、TL21与变容管Cc、Cd、Ce组成谐振器结构单元，所述微带线TL23、TL24与变容管Ch组成串联谐振单元SR3。
在本实施方案中，所述谐振器结构单元包括两个完全一致的串联谐振单元SR1与SR2，并联变容管Ce引入的米勒效应可将这两个谐振单元产生的带外传输零点分裂成两个，分别为TZ1与TZ2；所述串联谐振单元SR3会产生一个带外传输零点TZ3；TZ1、TZ3分别紧靠带通滤波网络通带的高频侧与低频侧，形成具有高选择性的可调带通频带，提高了带通频带的带外抑制度，TZ2位于通带高频侧较远处，增大了阻带宽度；所述可重构带通滤波网络5通过改变变容二极管Cc、Cd、Ce、Ch的偏置电压来调节传输零点TZ1、TZ2、TZ3的频率，实现通带中心频率及带宽的连续可调，具有成本低、调谐速度快和降低系统复杂度等优势。
进一步的，所述可重构带通滤波网络5的频率与带宽的调节会引起输入阻抗曲线的变化，所述晶体管3漏极端输出阻抗高效区也会随频率变化；所述π型匹配网络10通过外加偏置电压来调节变容二极管Ca、Cb的容值，使得所述可重构带通滤波网络5各重构频段的输入阻抗曲线经过π型匹配网络10的匹配后能够完整地落入所述晶体管3漏极对应频段的阻抗高效区，从而实现所述可重构带通滤波网络5与所述晶体管3漏极之间的动态阻抗匹配，对功率放大器进行仿真获取仿真结果，如图8-图11，仿真结果表明在0.95-1.9GHz的频率可调范围内、1.1-1.8GHz的带宽可调范围内，各可重构频段均可实现效率超过60％，增益超过10dB。相比于其它离散可重构功放，本发明具备更高的频率调节灵活度以及更低的设计复杂度；相比于其它连续可重构功放性能，本发明的频率可调范围以及各重构频段的频率选择性有明显提升，且效率及增益也更具优势。
以上所揭露的仅为本发明一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，其特征在于，
包括输入端口、输入匹配网络、稳定网络、晶体管、动态阻抗匹配网络、变容二极管直流偏置、可重构带通滤波网络和输出端口，所述输入端口、所述输入匹配网络、所述稳定网络、所述晶体管、所述动态阻抗匹配网络、所述可重构带通滤波网络和所述输出端口依次连接，所述变容二极管直流偏置分别与所述动态阻抗匹配网络和所述可重构带通滤波网络连接。
2.如权利要求1所述的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，其特征在于，
所述可重构带通滤波网络由环形对称结构的准椭圆低通滤波网络和广义切比雪夫高通滤波网络级联构成。
3.如权利要求2所述的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，其特征在于，
所述环形对称结构的准椭圆低通滤波网络包括上下对称的两条并联支路，所述的两条并联支路由四个弧形微带线Curve3、Curve4、Curve5、Curve6及两个T形微带线Tee2、Tee5连接成环；每条所述支路均包括串联微带线TL15、TL16、TL17、TL18、TL19、TL20、TL21、T形微带线Tee3、Tee4、隔直电容C3、C4、C5、变容二极管Cc、Cd、Ce。
4.如权利要求1所述的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，其特征在于，
所述可重构带通滤波网络中微带线TL15、TL16、TL17、TL18、TL19、TL20、TL21、TL22、TL23、TL24、TL26均由电感等效转化而成，所述微带线TL18、TL19、TL20、TL21与变容管Cc、Cd、Ce组成谐振器结构单元，所述微带线TL23、TL24与变容管Ch组成串联谐振单元SR3。
5.如权利要求1所述的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，其特征在于，
所述动态阻抗匹配网络包括一个π型匹配网络和一个漏极偏置网络，所述π型匹配网络包括串联微带线TL8、TL9、TL10、TL11、并联短路微带线TL12、十字微带线Cross2、T形微带线Tee1、隔直电容C2和变容管Ca、Cb。
6.如权利要求1所述的一种中心频率及带宽皆可重构功率放大器，其特征在于，
所述中心频率及带宽皆可重构功率放大器工作频带的频率可调范围为0.95～1.9GHz，此时单个重构频段带宽为400MHz；带宽可调范围为1.1～1.8GHz，此时中心频率为1.45GHz。
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Cited By (1)
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| CN117134720A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-28 | 广东工业大学 | 一种输出匹配网络可重构的双频功率放大器 |
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2023
- 2023-05-19 CN CN202310566748.7A patent/CN116566343A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN117134720A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-28 | 广东工业大学 | 一种输出匹配网络可重构的双频功率放大器 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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