CN116781018A - 一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，属于无线通信发射技术领域。本发明的功率放大器通过输入的调制脉冲信号，输出端的主路阻抗匹配网络OMNmain、辅路阻抗匹配网络OMNaux和外接高Q值带通滤波器，实现了有源脉冲负载调制，保证了功率回退区效率不下降；本发明的功率放大器两条支路具有不同的最优负载阻抗为非对称结构，主、辅路晶体管最优负载阻抗分别通过非对称的主路阻抗匹配网络OMNmain、辅路阻抗匹配网络OMNaux匹配至各自合路点阻抗，使其在较大的功率回退范围内能够保持较高的工作效率；本发明的功率放大器中的主路阻抗匹配网络OMNmain、辅路阻抗匹配网络OMNaux为后匹配网络，降低了功率放大器对频率的敏感度，扩展了工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，属于无线通信发射技术领域。
背景技术
随着无线通信的发展，第四代、第五代通信技术对发射机提出了更高的要求，如大带宽、高频率、高效率等。作为无线通信发射机的核心部件，功率放大器的功率效率与线性度之间的矛盾日趋尖锐，现有功率放大器的性能已经接近极限。目前广泛应用于通信基站的Doherty功率放大器虽然通过负载调制提高了功率回退区的效率，但是随着射频输出信号的峰值平均比(PAR)的提高，需要更大的功率回退范围，否则将工作在非饱和区，导致平均效率逐渐的降低。同时，为了确保信号不失真传递，发射信号需要使用线性预失真技术提高线性度。然而，目前的数字预失真技术的发展也遭遇瓶颈。因为其需要大规模的非线性计算，消耗了大量计算资源，也限制了工作带宽。
为解决功率放大器功率效率与线性度之间的矛盾，脉冲负载调制(PLM)功率放大器的概念被提出，其以脉冲调制信号作为输入，驱动射频开关功率放大器实现大动态范围高效率饱和放大，同时保持信号线性度。但是传统的脉冲负载调制(PLM)功率放大器依赖四分之一波长传输线构成的阻抗变换器，带宽较窄，且无法支持较大功率回退的高效率放大。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器。
本发明的技术解决方案是：
一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，该功率放大器包括主功率放大晶体管MainPA、主路阻抗匹配网络OMNmain、辅助功率放大晶体管AuxPA、辅路阻抗匹配网络OMNaux、四分之一波长微带线TL1、四分之一波长微带线TL2；
由功分器一分为二的调制脉冲信号分别输入到主功率放大晶体管MainPA和辅助功率放大晶体管AuxPA中，调制脉冲信号在主功率放大晶体管MainPA中进行功率放大，主功率放大晶体管MainPA中的漏极输出最优负载阻抗Zopt,main，输出的最优负载阻抗Zopy,main通过主路阻抗匹配网络OMNmain匹配到主路合路点阻抗；
调制脉冲信号在辅助功率放大晶体管AuxPA中进行功率放大，辅助功率放大晶体管AuxPA中的漏极输出最优负载阻抗Zopt,aux，输出的最优负载阻抗Zopt,aux通过辅路阻抗匹配网络OMNaux匹配到辅路合路点阻抗；
主路合路点阻抗与辅路合路点阻抗并联后得到合路点阻抗RC，合路点阻抗RC依次通过四分之一波长微带线TL1、四分之一波长微带线TL2后匹配到负载阻抗RL；
主路合路点阻抗的阻抗值大于辅路合路点阻抗的阻抗值；
所述主路阻抗匹配网络OMNmain为后匹配网络；
所述辅路阻抗匹配网络OMNaux为后匹配网络。
有益效果
(1)本发明的功率放大器的输入为调制脉冲信号，通过输出端非对称的主路阻抗匹配网络OMNmain、辅路阻抗匹配网络OMNaux和外接高Q值带通滤波器，实现了有源脉冲负载调制，工作时，主路功率饱和输出最大电流Imain等效为一个恒定电流源，辅路效率饱和输出最大电压V2max等效为一个电压源，保证了功率回退区效率不下降；
(2)本发明的功率放大器两个晶体管的漏极最优负载阻抗不同，且通过各自阻抗变换网络后主路合路点阻抗的阻抗值大于辅路合路点阻抗的阻抗值，整体为非对称结构，通过主路在小功率输入情况下提前达到饱和，辅路在饱和时输出更大电流的方式扩展了功率放大器的功率回退范围，使其在较大的功率回退范围内能够保持较高的工作效率；
(3)本发明的功率放大器中的主路阻抗匹配网络OMNmain、辅路阻抗匹配网络OMNaux均为后匹配网络，降低了功率放大器对频率的敏感度，扩展了工作带宽。
附图说明
图1为本发明的功率放大器的结构组成示意图；
图2为非对称PLM功率放大器低功率输入主路匹配方式；
图3为非对称PLM功率放大器高功率输入主路匹配方式；
图4为非对称PLM功率放大器辅路匹配方式；
图5为测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的非对称脉冲负载调制(PLM)功率放大器以脉冲信号作为输入，因此两条支路驱动在开关模式，辅助支路输出电压始终保持在最大值V2max，等效为一个电压源，且此电压直接作用在合路点。TL1、TL2为两段四分之波长线传输线，二者可以将合路点电压线性传递到输出端，驱动带通滤波器及负载，因此当输入信号的占空比为D时，合路点的电压摆幅可以表示为：
VC＝V2maxD
功放的输出电流可以表示为：
因此可以得到功放的输出功率为：
此时，辅助支路等效为电压源，始终向外输出最大电压摆幅。主路则通过阻抗变换网络OMNmain将主路功率放大晶体管的最优负载阻抗Zopt,main匹配到合路点阻抗Ropt1，并向外输出最大电流。因此主路的电流大小可以表示为：
所以辅助功放输出的电流就可以表示为：
两条支路的直流功耗可以表示为：
PDC＝V1DCI1DC+V2DCI2DC＝γ(V1DCImain+V2DCIaux)
其中，γ表示直流电流与射频基频电流的比值，假定两路功放均工作在开关B类状态，则γ＝2/π。在占空比为D的情况下，直流功率可以写为：
由此可知，当辅助支路有电流输出，即：
时放大器的效率始终保持为：
当两路功放偏置在B类模式时，功率放大器的效率为78.5％。根据上述推导可知，当回退功率不超过20lg(RC/Ropt1)时，效率始终保持最大。辅助支路合路点的最优负载阻抗可以根据两路均饱和时(D＝1)的电压电流关系得出：
上述分析表明，非对称脉冲负载调制(PLM)功率放大器的功率回退范围取决于主辅两路在合路点的最优负载阻抗，设计Ropt1>Ropt2时，可以提高功率回退范围。
当采用小功率信号作为输入时，主路工作，辅路未开启，阻抗为无穷大。此时，主路合路点负载阻抗为RC小于两条支路均饱和时的阻抗值Ropt1。负载阻抗通过主路阻抗变换网络OMNmain传递到功率放大晶体管输出端的阻抗值始终大于最优负载阻抗Zopt,main，因此可以保证主路提前饱和。
当采用大功率信号作为输入时，主辅两路同时开启。主路通过阻抗变换网络OMNmain将功率放大晶体管最优负载阻抗Zopt,main匹配至Ropt1，辅路通过阻抗变换网络OMNaux将功率放大晶体管最优负载阻抗Zopt,aux匹配至Ropt2,并输出更大电流。由于设计的合路点最优负载阻抗Ropt1>Ropt2，主、辅两路的阻抗变换网络采用非对称结构满足需求。
非对称主辅功放不同功率条件下负载阻抗选择和匹配方法：
根据前文所述，主路功放在小功率信号输入时，通过抗变换网络OMNmain提前达到效率饱和，在大功率信号输入时向外输出最大电流；
图2为非对称PLM功率放大器低功率输入主路匹配方式；
当采用小功率信号作为输入时，辅助支路未开启，在合路点处阻值为无穷大。此时合路点的负载阻抗为RC小于功率饱和时的最佳负载阻抗。为了实现提前饱和，需要在小功率输入的情况下，通过阻抗变换网络OMNmain将功率放大晶体管的最佳负载阻抗Zopt,low匹配至RC，提高功率回退范围。
随着信号输入功率的不断增加，主路功放完全饱和，主路合路点阻抗变为饱和时最佳负载阻抗Ropt1。同时，功率放大晶体管的最佳效率负载阻抗Zopt,low也随着输入功率的增加逐渐改变为饱和时最佳负载阻抗Zopt,high。
图3为非对称PLM功率放大器高功率输入主路匹配方式；
当采用大功率信号输入时，辅助支路开启，主路达到功率饱和，根据前文所述，当放大支路饱和时，合路点最佳负载阻抗为Ropt1。为了满足主路饱和条件，阻抗变换网络OMNmain需要在大功率输入的情况下，将功率放大晶体管的最佳负载阻抗Zopt,high匹配至Ropt1。主路达到效率饱和后，向外输出最大电压电流，因此在合路点始终呈现最佳负载阻抗Ropt1不变。
设计主路阻抗变换网络OMNmain时，需要根据管子的特有属性，确定不同功率输入情况下的最优负载阻抗，并在合路点选择相应的负载阻抗，通过输出匹配网络OMNmain完成阻抗变换。
图4为非对称PLM功率放大器辅路匹配方式；
在小功率信号输入时，辅路未开启。当大功率信号输入时，辅助支路在合路点的等效负载阻抗随着输入功率的增大，由正无穷逐渐减小为两条支路均饱和时的最佳负载阻抗Ropt2。因此在大功率信号输入时，辅助支路阻抗变换网络OMNaux应将功率放大晶体管饱和时的最佳负载阻抗Zopt匹配至Ropt2，输出更大电流，提高功率回退范围。
为了提高功率放大器的工作带宽，两条放大支路输出部分采用后匹配的设计方式。如图1所示，后匹配的结构采用阻抗变换网络OMNmain取代了传统结构的四分之波长阻抗逆变器，减小了主路输出网络对频率变换的敏感度。为平衡相位，需要在辅助支路阻抗变换网络OMNaux中添加阻值为Ropt2的微带线。除此之外，此微带线在小功率信号输入时还起到调节支路阻抗防止信号泄露的作用。图1中TL1、TL2为四分之波长后匹配微带线，将合路点阻抗Rc匹配到负载RL。
非对称脉冲负载调制(PLM)功率放大器的输入信号需要进行包络调制，这会引入量化噪声。因此，需要在输出部分添加高Q值带通滤波器回收量化噪声，提高功率放大器整体效率，这需要满足两个条件。首先，当两条支路都关闭时，合路点看向功率放大晶体管时的输入阻抗应该近似为零，以吸收滤波器的电流。当功率放大晶体管关闭时，其输出阻抗为正无穷，此阻抗通过输出匹配网络的阻抗变换到合路点时为短路，可以满足条件。其次，由合路点看向负载的相位要为π的整数倍数。当相位匹配时，带通滤波器满足带外全反射条件，即滤波器在合路点的带外阻抗为正无穷，输入回波损耗阻带处相位为零，最大限度回收量化噪声。
实施例
一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，该功率放大器包括主功率放大晶体管MainPA采用Cree的CGH40010f晶体管进行设计、主路阻抗匹配网络为OMNmain。辅助功率放大晶体管AuxPA采用Cree的CGH40010f晶体管进行设计、辅路阻抗匹配网络为OMNaux。二者通过相同的漏极偏置电压和不同的栅极偏置电压来实现漏极最优负载阻抗的不同。选定的高Q值滤波器中心频率为3.15GHz，带宽为100MHz。
由功分器一分为二的脉冲信号分别输入到主功率放大晶体管MainPA和辅助功率放大晶体管AuxPA中，调制脉冲信号在主功率放大晶体管MainPA中进行功率放大，主功率放大晶体管MainPA中的漏极输出最优负载阻抗15.69+j2.65，其通过主路阻抗匹配网络OMNmain匹配到主路合路点阻抗25Ω；
调制脉冲信号在辅助功率放大晶体管AuxPA中进行功率放大，辅助功率放大晶体管AuxPA中的漏极输出最优负载阻抗10.43+j4.46，其通过辅路阻抗匹配网络OMNaux匹配到辅路合路点阻抗20Ω；
主路合路点阻抗与辅路合路点阻抗并联后得到合路点阻抗11Ω，合路点阻抗11Ω依次通过3.15GHz的四分之一波长微带线TL1、3.15GHz的四分之一波长微带线TL2后匹配到负载阻抗50Ω；所述主路阻抗匹配网络OMNmain为后匹配网络；
所述辅路阻抗匹配网络OMNaux为后匹配网络。
测试结果如图5所示，从图5中可以看出，非对称结构使PLM功率放大器的功率回退范围获得显著提升至7.5dB，同时结果回退区效率相较于连续波测试也获得了显著提升。
本设计采用了后匹配结构，因此在2.3GHz～3.3GHz的范围内都由较好的放大效果，其余频段可采用相应中心频率的高Q值带通滤波器及相应频率的脉冲信号进行测试，均可得到预期结果。
通过上述可知，脉冲负载调制(PLM)功率放大器可以高效放大不同频率的脉冲信号，同时可以获得较大的功率回退范围。
具体应用如下：
将设计好的脉冲负载调制(PLM)功率放大器放置于5G无线通信发射机或者全数字发射机的后端。并将调制好的脉冲信号输入到功率放大器当中，通过功率放大器对输入信号进行高效率放大，高Q值带通滤波器对信号进行滤波。最后，将放大后的信号传输到发射天线，完成信号发射任务。
采用此功率放大器对信号进行放大的好处是，可以在一个较宽的频率范围内高效率放大预先调制的脉冲信号，满足不同频率下的无线通信需求。并且此信号具有较大的功率回退范围，可以处理峰值平均比(PAR)更高的信号。改善了传统功率放大器功率效率与线性度之间的矛盾。
本发明采用非对称脉冲负载调制(PLM)功率放大器结构设计，使得功率放大器在更大输出功率回退下达到最优效率阻抗匹配，扩展了功率回退范围。并且提出了在不同功率下主、辅两路输出端负载阻抗的选择方法及其相应的匹配网络设计。同时，两条支路输出部分采用后匹配的设计方式，通过低Q值宽带阻抗变换网络匹配到合路点，提高了放大器的工作带宽。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，其特征在于：
该功率放大器包括主功率放大晶体管MainPA、主路阻抗匹配网络OMNmain、辅助功率放大晶体管AuxPA、辅路阻抗匹配网络OMNaux、四分之一波长微带线TL1、四分之一波长微带线TL2；
调制脉冲信号在主功率放大晶体管MainPA中进行功率放大，主功率放大晶体管MainPA中的漏极输出最优负载阻抗Zopt，main，输出的最优负载阻抗Zopt，main通过主路阻抗匹配网络OMNmain匹配到主路合路点阻抗；
调制脉冲信号在辅助功率放大晶体管AuxPA中进行功率放大，辅助功率放大晶体管AuxPA中的漏极输出最优负载阻抗Zopt，aux，输出的最优负载阻抗Zopt，aux通过辅路阻抗匹配网络OMNaux匹配到辅路合路点阻抗；
主路合路点阻抗与辅路合路点阻抗并联后得到合路点阻抗RC，合路点阻抗RC依次通过四分之一波长微带线TL1、四分之一波长微带线TL2后匹配到负载阻抗RL；
主路合路点阻抗的阻抗值大于辅路合路点阻抗的阻抗值。
2.根据权利要求1所述的一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，其特征在于：
所述输入到主功率放大晶体管MainPA和辅助功率放大晶体管AuxPA中的调制脉冲信号是由功分器一分为二的调制脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，其特征在于：
所述主路阻抗匹配网络OMNmain为后匹配网络。
4.根据权利要求1所述的一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器，其特征在于：
所述辅路阻抗匹配网络OMNaux为后匹配网络。
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|---|---|---|---|
| CN202310952174.7A CN116781018A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 一种宽带非对称脉冲负载调制功率放大器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117792307A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-03-29 | 尚睿微电子（上海）有限公司 | 射频功率放大器及电子设备 |
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2023
- 2023-07-31 CN CN202310952174.7A patent/CN116781018A/zh active Pending
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| CN117792307A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-03-29 | 尚睿微电子（上海）有限公司 | 射频功率放大器及电子设备 |
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