CN117478082A - 输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波功率放大器技术领域，公开了一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法，通过在微波功率放大器电路中引入谐波电压与电流监测和控制模块，一方面根据输入谐波电压监测与有源输入调制模块，减少晶体管内部寄生效应在输入端产生的电压谐波分量；另一方面通过基于负阻分析的最小谐波注入方案，动态调整输出匹配负载。输入与输出的联合谐波注入方案减小了电路谐波分量对于微波功率放大器的干扰，使其可以保持较高的输出功率和效率。

Description

输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法

技术领域

本发明属于微波功率放大器技术领域，尤其涉及一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。

背景技术

功率放大器作为基站的主要耗能部件，提高工作效率能够有效降低基站运维成本，助力绿色通信。自从谐波控制技术被引入功率放大器设计中，其在拓展带宽和提升效率等方面发挥了重要作用。随着无线通信系统工作频段跨度的增加，功率放大器难以同时满足系统对于频段覆盖范围与能量转换效率的需求。同时，宽带设计中低频谐波和高频基波阻抗冲突的问题逐渐加剧，大大增加了功率放大器的设计复杂度。另外，晶体管内部的非线性电容会导致晶体管栅极出现谐波分量，从而使栅极的理想正弦波输入信号发生变化，最终影响所设计功率放大器的实际效率。

因此，在对功率放大器电路进行更加全面和底层的分析时，需要考虑由非理想因素导致的非线性部分对于整体电路的影响，从而使得整个分析过程更加贴合实际。而输入输出联合谐波注入方法为进一步提升功率放大器效率提供了理论基础，具有很高的价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。

本发明是这样实现的，一方面在晶体管栅极设置谐波电压监控模块，当晶体管输入出现谐波分量时，通过电压控制模块调控有源输入调值模块对输入匹配网络进行有源调制，从而改善栅极输入非线性的情况；另一方面，在晶体管漏极设置谐波电流监测模块，实时监测输出电流的基波与各次谐波成分，并通过电流控制模块和有源负载调制模块，对功率放大器的输出匹配网络进行有源调制，使输出匹配网络能保持在高效率匹配状态。

一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络。

进一步，所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接栅极供电电压。

进一步，所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接漏极供电电压。

进一步，所述功率放大器还包括：第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。

进一步，所述第一耦合器设置于输入匹配网络与晶体管之间，第一耦合器将进入晶体管栅极的待放大信号分为两路，一路输出给晶体管栅极，另一路输出给谐波电压监测模块。

进一步，所述谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块串联连接。

进一步，所述谐波电压监测模块检测由第一耦合器输入信号的谐波电压变化；所述谐波电压变化映射到电压控制模块并通过有源输入调制模块输出相应电压进行调谐，采用该输出电压来控制输入信号的谐波分量。

进一步，所述第二耦合器设置于晶体管与输出匹配网络之间，第二耦合器将晶体管漏极输出的放大信号分为两路，一路输出给输出匹配网络，另一路谐波电流监测模块。

进一步，所述谐波电流检测模块、电流控制模块、有源负载调制模块串联连接。

进一步，所述谐波电流监测模块检测由第二耦合器输入信号的谐波电流变化；所述谐波电流变化映射到电流控制模块并通过有源负载调制模块输出相应电流进行调谐，采用该输出电流来控制输出信号的电流谐波分量。

一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法，该方法包括：

步骤1：在仿真软件中使用源牵引和负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；

步骤2：将谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块引入电路，对电路输入信号的电压谐波分量进行调控，改善放大信号的电压特性；

步骤3：将谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块引入电路，对输出信号的电流谐波分量进行调控，进一步优化输出匹配网络，提升功率放大器性能，并得到最终的功率放大器。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明提供了一种提高微波功率放大器效率的方法，通过在晶体管栅极调谐输入信号的电压谐波分量改善晶体管的输入信号特性；通过在晶体管漏极调谐输出信号的电流谐波分量，通过谐波注入的有源负载调制方式，提高宽带功放输出阻抗匹配的灵活度。输入输出联合谐波注入方法使功放设计的整个分析过程更加贴合实际，为进一步提升功率放大器效率提供了理论基础。

第二，本发明所提供的微波功率放大器设计方法，在设计过程中考虑了晶体管模型内部的实际非线性成分，并进一步的找到了这种非线性成分所带来的影响与输入、输出端的电压、电流的非线性成分的映射关系，通过阐述输入和输出的谐波电压、电流与功率放大器性能的关系，将这种实际中的非线性因素在理论分析、仿真设计中得以表达与观测，使功放设计的整个分析过程更加贴合实际。

另外，对于功率放大器输入、输出同时进行谐波注入，增加了功率放大器的可调因素，使得输入阻抗和输出阻抗的设计灵活度大大提升，为超宽带功率放大器设计过程中低频基波与高频谐波的阻抗冲突提供了一种解决方案。

第三，本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

超宽带应用，对于高效率功放设计，谐波阻抗需要精确的进行控制，故高效率功放的各种结构都难以工作在跨倍频程场景应用中，则高效率功放设计中一般将超宽带定义为跨倍频程带宽。现有方法是在连续类模式的基础上添加了阻性因子，使得连续类模式的二次谐波阻抗由纯虚数转变为复数，从而使得低频谐波阻抗与高频基波阻抗交叉部分能同时进行匹配。但是，引入阻性因子方法的本质是牺牲了输出功率和效率性能，相当于带宽与输出性能之间的权衡，并不是真正意义上的超宽带高效功放。

输入输出联合谐波注入方法的概念以及理论分析，包含谐波负阻条件下的搜索方法以及最小谐波注入功率的计算方法，增加了功率放大器设计中的可调因素，实现了高低频段都能达到最优阻抗的条件，从而实现系统整体效率的提升。

本发明的技术方案克服了技术偏见：随着对晶体管大信号模型认识的不断加深，其内部非线性电容所带来的非线性失真引起了学者们的广泛关注。在大多数功率放大器的理论分析中，输入信号常常被默认为理想的正弦波信号。这对于分析来说，是十分方便且有效的。然而，由于晶体管内部非线性电容的存在，栅极会出现谐波分量，从而使栅极的理想正弦波输入信号发生变化，拥有了非线性成分。而场效应晶体管一般是压控元器件，当栅极电压的波形发生变化时，其漏极的输出电流也会发生相应的改变，当这个变化不可忽略时，会影响整个功率放大器电路的输出性能。这也是导致理论分析与仿真设计最终与实际效果存在偏差的重要原因。

本发明所提供的微波功率放大器设计方法，在设计过程中考虑了晶体管模型内部的实际非线性成分，并进一步的找到了这种非线性成分所带来的影响与输入、输出端的电压、电流的非线性成分的映射关系，通过阐述输入和输出的谐波电压、电流与功率放大器性能的关系，将这种实际中的非线性因素在理论分析、仿真设计中得以表达与观测，使功放设计的整个分析过程更加贴合实际。

第四，本发明提供的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计，引入了一系列的模块和网络，如耦合器、谐波监测模块、电压和电流控制模块，以及有源输入和负载调制模块。这些创新的组件与传统的功率放大器设计相比，带来的显著的技术进步包括：

1.提高了功率放大器的效率：通过精确的谐波控制可以最大限度地减少不必要的能量损失，特别是在高功率应用中，效率的提高可以显著降低运行成本和发热问题。

2.改善了信号质量：通过控制输入和输出的谐波成分，放大器能够提供更纯净的放大信号，减少干扰和失真，这对于通信系统来说尤其重要，因为它直接影响到数据传输的可靠性和速度。

3.增加了设计的灵活性：该放大器设计能够适应不同的工作频率和条件，通过调整模块参数可以在不同的应用中得到最佳性能，从而增加了设计的通用性和适用范围。

4.优化了功率管理：有源输入和负载调制模块使得放大器能够根据实时的工作条件动态地调整功率，这对于节能和保护放大器的元件免受过热损坏至关重要。

5.提升了系统的整体性能：通过精确控制谐波分量，系统的稳定性和抗干扰能力得到了加强，能够在复杂的电磁环境下保持稳定的性能。

本发明提供的技术进步使得该放大器非常适合于高性能的通信系统、无线基站、雷达系统以及任何需要高效率和高信号质量的放大器应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的电路结构图；

图2是本发明实施例提供的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法流程图；

图3是本发明实施例提供的晶体管栅极产生的二次谐波电压分量时，晶体管实际输入的电压波形图；

图4是本发明实施例提供的3.4GHz有源负载调制模块的实际电路图；

图5是本发明实施例提供的双频点功放原电路的漏极效率和增益仿真结果与输出功率之间的关系；

图6是本发明实施例提供的双频点功放原电路在1.7GHz搭配有源负载调制模块时的仿真效率分别与相位差和输出功率的关系；

图7是本发明实施例提供的仿真对照实验中两个功率放大器输入输出的阻抗情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

在本实施例中，高效率功率放大器可以设计为工作在2.4GHz的ISM(工业、科学和医疗)频段。输入匹配网络和输出匹配网络可以通过利用高频电路仿真软件(如ADS或Microwave Office)来优化设计，以实现50欧姆的输入和输出阻抗匹配。第一耦合器可以是一个方向性耦合器，用来监测和控制进入晶体管栅极的待放大信号的谐波电压分量。

具体实现方案包括：

使用高频LDMOS晶体管作为放大器的增益元件。

栅极偏置网络设计为稳定提供1.8V的偏置电压。

通过微带线或者射频传输线实现耦合器，耦合率设计为-10dB。

谐波电压监测模块使用检波器和微控制器实现，用于实时监控谐波电压的变化。

电压控制模块通过可变增益放大器(VGA)来调节由谐波电压监测模块监测到的信号电压。

有源输入调制模块利用PIN二极管或者变容二极管实现输入信号的动态调整。

实施例2：

在这个实施例中，功率放大器可以设计为工作在3G或4G移动通信的频段，例如1.8GHz或2.1GHz。在这个设计中，功率放大器需要处理更高的功率输出，这意味着所有的匹配网络和偏置网络都需要能够承受更高的电压和电流。

具体实现方案包括：

选择GaAs FET或GaN HEMT晶体管作为功率放大器的核心放大元件，以便于处理较高的功率水平。

输出匹配网络设计为具有较高功率容量的微带线结构，以防止高功率下的过热和损耗。

第二耦合器使用高功率耐受性能好的定向耦合器，确保信号的稳定分离。

谐波电流监测模块和电流控制模块设计为能够处理高电流操作，并且有源负载调制模块利用电子负载来精确控制放大信号的电流谐波分量。

所有控制模块的设计中都应该加入适当的隔离和保护措施，以防止高功率操作时发生的损坏。

在上述实施例中，高效率功率放大器的设计和实现都是为了实现最优的性能，在高频和高功率应用中实现高效率的信号放大，同时控制谐波对系统性能的影响。通过在设计中引入有源输入和负载调制模块，该技术能够实现更加灵活和精确的信号控制，从而提高了整体的系统效率和性能。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。

本发明实施例提供的一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，电路如所示，包括有输入匹配网络、第一耦合器、栅极偏置网络、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、漏极偏置网络、输出匹配网络、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。

输入、输出匹配网络，分别为不同宽度的微带传输线，用以匹配晶体管的最优工作状态；

栅极、漏极偏置网络，用以给晶体管提供偏置工作电压。

本发明实施例提供的一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，在微波功率放大器中引入第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块；

所述第一耦合器设置于输入匹配网络与晶体管之间，第一耦合器将进入晶体管栅极的待放大信号分为两路，一路输出给晶体管栅极，另一路输出给谐波电压监测模块；

所述谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块串联连接；

所述谐波电压监测模块检测由第一耦合器输入信号的谐波电压变化；

所述谐波电压变化映射到电压控制模块并通过有源输入调制模块输出相应电压进行调谐，采用该输出电压来控制输入信号的谐波分量；

所述第二耦合器设置于晶体管与输出匹配网络之间，第二耦合器将晶体管漏极输出的放大信号分为两路，一路输出给输出匹配网络，另一路谐波电流监测模块；

所述谐波电流检测模块、电流控制模块、有源负载调制模块串联连接；

所述谐波电流监测模块检测由第二耦合器输入信号的谐波电流变化；

所述谐波电流变化映射到电流控制模块并通过有源负载调制模块输出相应电流进行调谐，采用该输出电流来控制输出信号的电流谐波分量。

如图2所示，本发明实施例提供的一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法，该方法包括：

步骤1：在仿真软件中使用源牵引和负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；

步骤2：将谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块引入电路，对电路输入信号的电压谐波分量进行调控，改善放大信号的电压特性；

步骤3：将谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块引入电路，对输出信号的电流谐波分量进行调控，进一步优化输出匹配网络，提升功率放大器性能，并得到最终的功率放大器。

图3表示实际中，由于栅源电容C_gs导致晶体管栅极产生的二次谐波电压分量时，晶体管实际输入的电压波形。ξ是二次谐波与基波的电压比值。由于晶体管栅极二次谐波的相位与基波反相，因此在进行理论推导时，ξ应该小于或者等于0。通过谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块来降低这种非理想正弦波输入的不利影响，能大大提高功率放大器的效率。

表示在3.4GHz有源负载调制模块的实际电路，通过计算有源负载调制模块的能量消耗结合电路所需要的输出阻抗匹配条件，在输出匹配网络找到合适的有源注入点，使功率放大器能工作在更加高效的状态。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

5G基站的电量仅有约10％可以发射出去，其余能耗主要集中在基站的射频单元(约25％)、基带单元(约35％)以及空调等制冷设施(约20％)三方面。如果5G基站采用高效调制架构对射频单元的效率进一步提升，射频单元每提升1％的效率，以5G微基站(功耗约为1kW)为例，可以节约2.5W电能。以表2所展示的仿真对照试验来看，可以节约15W的电能。同时，利用有源输入调制模块的结构可以在不改变现有基站结构的基础上，大大扩展基带工作的带宽，利于基站升级换代。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

为了说明输出有源谐波注入的有效性，利用一个双带倍频功放进行分析。利用源牵引和负载牵引，得到最优阻抗下晶体管对应的输出功率与效率，如表1所示。可以看出，1.7GHz的负载二次谐波阻抗与3.4GHz的基波阻抗相差很大。

通过谐波负阻条件下的搜索方法以及最小谐波注入功率的计算方法，最终的有源负载调制模块的实际电路图如图4所示。

在原电路不使用有源负载调制模块的情况下，其仿真结果如图5所示，可以看出，由于低频的谐波无法较好控制，功放在高频带达到了高效率性能，而低频带的性能平平。

在1.7GHz，利用有源负载调制模块调制原电路时，其结果如图6所示，可以看到，受到两路功率放大器相位的影响，其效果不同，最佳总效率可以达到79.7％，大大改善了低频的工作性能，证明了有源负载调制模块对于超宽带设计的有效性。

为了说明输入谐波控制的必要性，设计了一组仿真对照实验，其中两个功率放大器拥有相同的输出匹配电路，相同的漏极、栅极电压与偏置电路，同时两个功率放大器的输入基波阻抗也一致，仅有的不同是它们的输入二次谐波阻抗。

将采用输入谐波控制的功率放大器称为功率放大器A，作为对照，没有采用输入二次谐波控制的功率放大器称为功率放大器B。由于实物验证的误差无法控制，而仿真可以更精准的控制变量，为了避免误差，在仿真中对比两个功率放大器的性能。同时，由于宽带设计时无法将阻抗精准的控制在某个值，用来做对照实验效果不理想，因此在2GHz单频点进行设计。两个功放的阻抗设置如图7所示。

两个功率放大器最终的仿真效率、输出功率和增益如表1所示。从表中可以发现输出功率和增益基本没有变化，但是效率下降了6％，，仿真对照实验很好的说明了，输入谐波控制方法对于效率的提升作用。

表1源牵引与负载牵引数据

表2仿真对照实验结果

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，一方面在晶体管栅极设置谐波电压监控模块，当晶体管输入出现谐波分量时，通过电压控制模块调控有源输入调值模块对输入匹配网络进行有源调制，从而改善栅极输入非线性的情况；另一方面，在晶体管漏极设置谐波电流监测模块，实时监测输出电流的基波与各次谐波成分，并通过电流控制模块和有源负载调制模块，对功率放大器的输出匹配网络进行有源调制，使输出匹配网络能保持在高效率匹配状态。

2.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络；所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接栅极供电电压。

3.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接漏极供电电压。

4.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。

5.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述第一耦合器设置于输入匹配网络与晶体管之间，第一耦合器将进入晶体管栅极的待放大信号分为两路，一路输出给晶体管栅极，另一路输出给谐波电压监测模块；所述谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块串联连接。

6.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述谐波电压监测模块检测由第一耦合器输入信号的谐波电压变化；所述谐波电压变化映射到电压控制模块并通过有源输入调制模块输出相应电压进行调谐，采用该输出电压来控制输入信号的谐波分量。

7.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述第二耦合器设置于晶体管与输出匹配网络之间，第二耦合器将晶体管漏极输出的放大信号分为两路，一路输出给输出匹配网络，另一路谐波电流监测模块。

8.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述谐波电流检测模块、电流控制模块、有源负载调制模块串联连接。

9.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述谐波电流监测模块检测由第二耦合器输入信号的谐波电流变化；所述谐波电流变化映射到电流控制模块并通过有源负载调制模块输出相应电流进行调谐，采用该输出电流来控制输出信号的电流谐波分量。

10.一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法，其特征在于，其特征在于，该方法包括：

步骤1：在仿真软件中使用源牵引和负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；

步骤2：将谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块引入电路，对电路输入信号的电压谐波分量进行调控，改善放大信号的电压特性；

步骤3：将谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块引入电路，对输出信号的电流谐波分量进行调控，进一步优化输出匹配网络，提升功率放大器性能，并得到最终的功率放大器。