CN117595798B - 一种提升宽带功率放大器效率的电路及方法 - Google Patents

一种提升宽带功率放大器效率的电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升宽带功率放大器效率的电路及方法，该电路包括：宽带输入匹配网络单元，用于完成主辅路功率放大管单元的相位修正和相位幅度调整，使宽带信号在各频点的相位响应趋于一致，以减少相位不一致导致的功率损耗；主辅路功率放大管单元，主要用于对宽带输入匹配网络单元输出的宽带信号进行放大，并将放大后的宽带信号输出至宽带输出匹配网络单元；宽带输出匹配网络单元，用于将放大后的宽带信号与外部电路相匹配，使得性能指标达到最优状态；其中，性能指标包括效率、功率、带宽和增益。本发明能够大幅降低不同载波信号带宽配置下效率差距，降低基站在散热设计方面的难度。

Description

一种提升宽带功率放大器效率的电路及方法
技术领域
本发明涉及射频微波设计技术领域，特别是一种提升宽带功率放大器效率的电路及方法。
背景技术
宽带Doherty功率放大器是目前无线基站产品中前沿、核心的关键技术，影响基站的重量、体积、输出功率以及节能等关键性能指标，但其技术难度较大，是各大基站设备厂家的技术分水岭，超宽带功率放大器的应用，可以大大缩小基站的体积、重量以及基站内部电路板的面积，对于基站小型化和轻量化演进至关重要，但对于传统宽带功率放大器的设计方法，随着应用带宽的不断提升，功率放大器的效率也会随之下降，尤其是在不同的载波配置场景下，多载波信号的效率相比单载波信号下降明显，导致基站功耗增加，需要更大的散热装置，反向阻碍了小型化和轻量化，成为目前无线宽带基站的一个重大技术难点。
从以上问题出发，基于宽带阻抗匹配和宽带相位控制的理论，发明一种适用于宽带功率放大器的匹配电路组合，可用于解决宽带多载波效率下降的问题，提升宽带基站的竞争力。
发明内容
为了解决不同载波带宽配置下效率差距过大的问题，降低基站在散热设计方面的难度，本发明提供一种提升宽带功率放大器效率的电路及方法。
本发明公开了一种提升宽带功率放大器效率的电路，其包括宽带输入匹配网络单元、主辅路功率放大管单元和宽带输出匹配网络单元；宽带输入匹配网络单元通过主辅路功率放大管单元与宽带输出匹配网络单元连接；
宽带输入匹配网络单元，用于完成主辅路功率放大管单元的相位修正和相位幅度调整，使宽带信号在各频点的相位响应趋于一致，以减少相位不一致导致的功率损耗；
主辅路功率放大管单元，主要用于对宽带输入匹配网络单元输出的宽带信号进行放大，并将放大后的宽带信号输出至宽带输出匹配网络单元；
宽带输出匹配网络单元，用于将放大后的宽带信号与外部电路相匹配，使得性能指标达到最优状态；其中，性能指标包括效率、功率、带宽和增益。
进一步地，还包括输入端和输出端；宽带输出匹配网络单元与输出端连接；
宽带输入匹配网络单元包括主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路；输入端分别与主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路连接；
主路宽带输入匹配电路包括第一宽带相位调节电路以及与其连接的第一宽带匹配电路；主辅路功率放大管单元包括主路放大器和辅助放大器；
第一宽带相位调节电路，用于对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡；
第一宽带匹配电路，用于将主路放大器对应的相位频率响应调整为相位随频率的线性变化。
进一步地，辅路宽带输入匹配电路包括第二宽带相位调节电路以及与其连接的第二宽带匹配电路；
第二宽带相位调节电路，用于对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡；
第二宽带匹配电路，用于将辅助放大器对应的相位频率响应调整为相位随频率的线性变化；
第一宽带相位调节电路通过第一宽带匹配电路与主路放大器连接；第二宽带相位调节电路通过第二宽带匹配电路与辅路放大器连接。
进一步地，所述第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路包括多个并联的电容支路、电感支路、可变电感和可变电容；
多个并联的电容支路之间通过可变电感连接，多个并联的电容支路通过可变电感与电感支路连接；电感支路通过可变电阻与输出端连接；
每个并联的电容支路包括对称设置在输入端两侧的可变电容；电感支路包括对称设置在输出端两侧的可变电感。
进一步地，所述第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路包括多个并联的电容支路和可变电感；
多个并联的电容支路之间通过可变电感连接；每个并联的电容支路包括对称设置在输入端两侧的可变电容。
本发明还公开了一种提升宽带功率放大器效率的方法，适用于上述任一项所述的提升宽带功率放大器效率的电路，所述方法包括：
第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的设计方法，以及第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路的设计方法。
进一步地，所述第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的设计方法，包括：
首先完成技术指标需求分析和功放管选型分析，并通过对基站产品技术指标的逐级分解，得到功放管的详细性能要求，再测量C类偏置状态下的功放管不同漏极电压的输入S参数，并通过仿真进行拟合，得到功放管等效电路模型的Cgs电容值；
根据第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式设计微带线拓扑结构；
调整微带线拓扑结构及其尺寸和电容值，达到最佳的匹配效果以及实现相位整形。
进一步地，根据输入驻波要求和Cgs电容值，选取第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路中并联电容支路的数量以及可变电容和可变电感的数值。
进一步地，所述第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路的设计方法，包括：
在完成第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路设计后，根据主路和辅路的相位趋势，进行第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路设计，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式进行设计微带线拓扑结构；
调整微带线拓扑结构及其尺寸和电容值，对主路和辅路的相位幅度实现精准控制。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：解决了不同载波带宽配置下效率差距过大的问题，降低基站在散热设计方面的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种提升宽带功率放大器效率的电路框图；
图2(a)为本发明实施例的主路宽带输入匹配电路框图；
图2(b)为本发明实施例的辅路宽带输入匹配电路框图；
图3为本发明实施例的功放管等效电路模型示意图；
图4为本发明实施例的相位的频率相应曲线示意图；
图5(a)为本发明实施例的一种第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路示意图；
图5(b)为本发明实施例的又一种第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路示意图；
图6为本发明实施例的第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路示意图；
图7为本发明实施例的相位调整示意图；
图8为本发明实施例的一种第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路示意图；
图9为本发明实施例的又一种第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路示意图；
图10为本发明实施例的第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图1，本发明提供了一种提升宽带功率放大器效率的电路的实施例，其包括宽带输入匹配网络单元、主辅路功率放大管单元和宽带输出匹配网络单元；宽带输入匹配网络单元通过主辅路功率放大管单元与宽带输出匹配网络单元连接；
宽带输入匹配网络单元，为本发明重点说明的设计单元，用于完成主辅路功率放大管单元的相位修正和相位幅度调整，使宽带信号在各频点的相位响应趋于一致，减少由于相位不一致导致的功率损耗，提升功率放大器的效率，尤其是在宽带信号情况下。
主辅路功率放大管单元，属于功率放大器的核心器件，但不在本发明的涉及范畴内，只用于描述功率放大器电路的完整性，其主要用于对宽带输入匹配网络单元输出的宽带信号进行放大，并将放大后的宽带信号输出至宽带输出匹配网络单元；
宽带输出匹配网络单元，也属于辅助说明电路，不过多展开说明，其用于将放大后的宽带信号与外部电路相匹配，使得效率、功率、带宽、增益等性能指标达到最优状态。
宽带输入匹配网络单元是其中最为关键的组成单元，用于解决Doherty功率放大器的宽带信号下效率下降的问题。
如图2(a)所示的主路宽带输入匹配电路，提供一种主路宽带输入匹配网络单元，它包含宽带相位调节电路，宽带匹配电路。
如图2(b)所示的辅路宽带输入匹配电路，提供一种辅路宽带输入匹配网络单元，包含宽带相位调节电路，宽带匹配电路。
图1中的宽带输出匹配网络单元，用于说明电路架构的完整性，不在本发明涉及的范畴内，后续不在展开具体详述；
输入匹配电路设计是关键，既能通过宽带匹配电路和宽带匹配电路对相位频率响应曲线的型状弯曲进行修正，也能精准地控制相位频率响应的幅度，可实现宽带效率的性能提升。
本实施例中，还包括输入端和输出端；宽带输出匹配网络单元与输出端连接；
宽带输入匹配网络单元包括主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路；输入端分别与主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路连接；
主路宽带输入匹配电路包括第一宽带相位调节电路以及与其连接的第一宽带匹配电路；主辅路功率放大管单元包括主路放大器和辅助放大器；
第一宽带相位调节电路，用于对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡；
第一宽带匹配电路，用于将主路放大器对应的相位频率响应调整为相位随频率的线性变化。
本实施例中，辅路宽带输入匹配电路包括第二宽带相位调节电路以及与其连接的第二宽带匹配电路；
第二宽带相位调节电路，用于对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡；
第二宽带匹配电路，用于将辅助放大器对应的相位频率响应调整为相位随频率的线性变化；
第一宽带相位调节电路通过第一宽带匹配电路与主路放大器连接；第二宽带相位调节电路通过第二宽带匹配电路与辅路放大器连接。
本实施例中，第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路包括多个并联的电容支路、电感支路、可变电感和可变电容；
多个并联的电容支路之间通过可变电感连接，多个并联的电容支路通过可变电感与电感支路连接；电感支路通过可变电阻与输出端连接；
每个并联的电容支路包括对称设置在输入端两侧的可变电容；电感支路包括对称设置在输出端两侧的可变电感。
本实施例中，第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路包括多个并联的电容支路和可变电感；
多个并联的电容支路之间通过可变电感连接；每个并联的电容支路包括对称设置在输入端两侧的可变电容。
本发明还提供了一种提升宽带功率放大器效率的方法的实施例，适用于上述实施例所述的提升宽带功率放大器效率的电路，其包括：
第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的设计方法，以及第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路的设计方法。
本实施例中，第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的设计方法，包括：
首先完成技术指标需求分析和功放管选型分析，并通过对基站产品技术指标的逐级分解，得到功放管的详细性能要求，再测量C类偏置状态下的功放管不同漏极电压的输入S参数，并通过仿真进行拟合，得到功放管等效电路模型的Cgs电容值；
根据第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式设计微带线拓扑结构；
调整微带线拓扑结构及其尺寸和电容值，达到最佳的匹配效果以及实现相位整形。
本实施例中，根据输入驻波要求和Cgs电容值，选取第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路中并联电容支路的数量以及可变电容和可变电感的数值。
本实施例中，第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路的设计方法，包括：
在完成第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路设计后，根据主路和辅路的相位趋势，进行第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路设计，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式进行设计微带线拓扑结构；
调整微带线拓扑结构及其尺寸和电容值，对主路和辅路的相位幅度实现精准控制。
以下详述宽带输入匹配网络各部分电路的原理和功能：
所述第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路的设计原理可参考功放管等效电路模型主辅路功率放大管单元（图3）加以说明：Rg为栅极等效电阻，Rgd为栅极和漏极之间的等效串联电阻，Cgd为栅极和漏极之间的等效串联电容，Rd为漏极等效电阻，Ri为栅极和源极之间的串联电阻，Ids为栅极和源极之间的等效电流源，Lds为漏极和栅极之间的等效电感，Cds为漏极和源极之间的等效电容，Rs为源极等效电阻，Cgs为功放管栅极和源极的寄生电容；Cgs的电容值大小与功放管功率、器件材料工艺和封装类型密切相关，是客观存在的无法避免，但Cgs对于宽带功率放大器非常不友好，尤其是在宽带应用场景下，既影响宽带匹配难易度，也会影响相位在频域的线性度。
Cgs带来对相位的影响如图4所示，其中实线A和实现B 分别是主放大器支路和辅助放大器支路对应的相位频率响应，由于Cgs过大导致相位发生弯曲（理想曲线：虚线A和B），整个频带内主路和辅路的相位无法线性变化，是大功率放大器经常遇到的问题。
所述宽带匹配电路和第二宽带匹配电路可以有效解决相位弯曲问题，如图5(a)和图5(b) 为第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的具体原理图模型，根据Cgs的电容值大小，可以选择图5(a) 或图5(b)的电路架构解决相位弯曲问题，图5(a)或图5(b)中根据输入驻波要求选取N的数值和以及具体电容、电感的大小。
通过宽带匹配电路和第二宽带匹配电路可以解决相位弯曲问题，但并不能同时解决相位频率响应一致性的问题，所以本发明引入了第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路，对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡。
通过图6宽带相位调节的电路，可以实现如图7所示的相位调整的效果，实线A可以按照点①或者点②为圆心顺时针旋转，调整为上下两种虚线位置，使之与实线B处于平行状态，最终达到相位在整个应用频率范围内一致。
基于以上设计原理，由第一宽带相位调节电路和第二宽带相位调节电路，第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路组成的宽带输入匹配电路单元，可完成主路和辅路放大器的相位修正和相位幅度微调的功能，使得宽带信号在各个频点的相位响应趋于一致，减少功率合成的损失，达到提升宽带信号效率的设计目的。
参见图1，本发明提供了一种提升宽带功率放大器效率的方法的实施例，其包括以下步骤：
步骤1：第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路设计，其包括以下步骤：
首先完成技术指标需求分析和功放管选型分析，并得到功放管等效电路模型主辅路功率放大管单元中的Cgs电容值大小。
根据第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的原理图模型，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式进行设计，如图8、图9所示为典型的电路拓扑结构。
可以对图8、图9中的微带线拓扑结构或尺寸以及电容值大小进行调整，可达到最佳的匹配效果以及对实现相位整形。
步骤2：第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路设计，其包括以下步骤：
在完成第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路设计后，根据主路和辅路的相位趋势，进行第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路设计，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式进行设计，如图10所示为典型的电路拓扑结构。
可以对图10中的微带线拓扑结构或尺寸以及电容值大小进行调整，可对主路和辅路的相位幅度实现精准控制。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提升宽带功率放大器效率的电路，其特征在于，包括宽带输入匹配网络单元、主辅路功率放大管单元和宽带输出匹配网络单元；宽带输入匹配网络单元通过主辅路功率放大管单元与宽带输出匹配网络单元连接；
宽带输入匹配网络单元，用于完成主辅路功率放大管单元的相位修正和相位幅度调整，使宽带信号在各频点的相位响应趋于一致，以减少相位不一致导致的功率损耗；
主辅路功率放大管单元，主要用于对宽带输入匹配网络单元输出的宽带信号进行放大，并将放大后的宽带信号输出至宽带输出匹配网络单元；
宽带输出匹配网络单元，用于将放大后的宽带信号与外部电路相匹配，使得性能指标达到最优状态；其中，性能指标包括效率、功率、带宽和增益；
宽带输入匹配网络单元包括主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路；主路宽带输入匹配电路包括第一宽带匹配电路；辅路宽带输入匹配电路包括第二宽带匹配电路；
所述第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路包括多个并联的电容支路、电感支路、可变电感和可变电容；
多个并联的电容支路之间通过可变电感连接，多个并联的电容支路通过可变电感与电感支路连接；电感支路通过可变电阻与输出端连接；
每个并联的电容支路包括对称设置在输入端两侧的可变电容；电感支路包括对称设置在输出端两侧的可变电感。
2.根据权利要求1所述的提升宽带功率放大器效率的电路，其特征在于，还包括输入端和输出端；宽带输出匹配网络单元与输出端连接；
输入端分别与主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路连接；
主路宽带输入匹配电路还包括与第一宽带匹配电路连接的第一宽带相位调节电路；主辅路功率放大管单元包括主路放大器和辅助放大器；
第一宽带相位调节电路，用于对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡；
第一宽带匹配电路，用于将主路放大器对应的相位频率响应调整为相位随频率的线性变化。
3.根据权利要求2所述的提升宽带功率放大器效率的电路，其特征在于，
辅路宽带输入匹配电路还包括与第二宽带匹配电路连接的第二宽带相位调节电路；
第二宽带相位调节电路，用于对相位角度进行精细控制，实现频段内相位均衡；
第二宽带匹配电路，用于将辅助放大器对应的相位频率响应调整为相位随频率的线性变化；
第一宽带相位调节电路通过第一宽带匹配电路与主路放大器连接；第二宽带相位调节电路通过第二宽带匹配电路与辅路放大器连接。
4.一种提升宽带功率放大器效率的电路，其特征在于，包括宽带输入匹配网络单元、主辅路功率放大管单元和宽带输出匹配网络单元；宽带输入匹配网络单元通过主辅路功率放大管单元与宽带输出匹配网络单元连接；
宽带输入匹配网络单元，用于完成主辅路功率放大管单元的相位修正和相位幅度调整，使宽带信号在各频点的相位响应趋于一致，以减少相位不一致导致的功率损耗；
主辅路功率放大管单元，主要用于对宽带输入匹配网络单元输出的宽带信号进行放大，并将放大后的宽带信号输出至宽带输出匹配网络单元；
宽带输出匹配网络单元，用于将放大后的宽带信号与外部电路相匹配，使得性能指标达到最优状态；其中，性能指标包括效率、功率、带宽和增益；
宽带输入匹配网络单元包括主路宽带输入匹配电路和辅路宽带输入匹配电路；主路宽带输入匹配电路包括第一宽带匹配电路；辅路宽带输入匹配电路包括第二宽带匹配电路；
所述第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路包括多个并联的电容支路和可变电感；
多个并联的电容支路之间通过可变电感连接；每个并联的电容支路包括对称设置在输入端两侧的可变电容。
5.一种提升宽带功率放大器效率的方法，适用于权利要求1-4任一项所述的提升宽带功率放大器效率的电路，其特征在于，所述方法包括：
第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的设计方法，以及第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路的设计方法。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路的设计方法，包括：
首先完成技术指标需求分析和功放管选型分析，并通过对基站产品技术指标的逐级分解，得到功放管的详细性能要求，再测量C类偏置状态下的功放管不同漏极电压的输入S参数，并通过仿真进行拟合，得到功放管等效电路模型的Cgs电容值；
根据第一宽带匹配电路或第二宽带匹配电路，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式设计微带线拓扑结构；
调整微带线拓扑结构及其尺寸和电容值，达到最佳的匹配效果以及实现相位整形。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据输入驻波要求和Cgs电容值，选取第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路中并联电容支路的数量以及可变电容和可变电感的数值。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路的设计方法，包括：
在完成第一宽带匹配电路和第二宽带匹配电路设计后，根据主路和辅路的相位趋势，进行第一宽带相位调节电路或第二宽带相位调节电路设计，采用分布式微带线电路与集总元器件相结合的方式进行设计微带线拓扑结构；
调整微带线拓扑结构及其尺寸和电容值，对主路和辅路的相位幅度实现精准控制。
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