CN117833831A - 一种功率放大器 - Google Patents

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CN117833831A CN202211219421.4A CN202211219421A CN117833831A CN 117833831 A CN117833831 A CN 117833831A CN 202211219421 A CN202211219421 A CN 202211219421A CN 117833831 A CN117833831 A CN 117833831A
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Abstract

本申请实施例提供了一种功率放大器，包括：耦合器和谐波产生网络，耦合器与谐波产生网络连接，其中，所述耦合器，用于从所述功率放大器的输入信号中耦合出一部分输入信号，得到基波信号，并将基波信号输出至谐波产生网络；谐波产生网络，用于基于基波信号生成谐波分量，并将谐波分量输入到功率放大器的功放输入电路中，可以解决相关技术中在功放的输出网络中注入二次谐波分量进行二次谐波有源负载调制很难应用于超宽带功放中的问题，通过谐波产生网络在平衡式功率放大器的低频段注入谐波来提升发射系统的整体性能，避免在功放输出端直接加载二次谐波引入的对原始功放输出网络的影响，还可以降低加载二次谐波所需的功率。

Description

一种功率放大器
技术领域
本申请实施例涉及信号处理领域，具体而言，涉及一种功率放大器。
背景技术
当功放的工作带宽超过一个倍频程时，必定存在部分工作频段的二次谐波频率落在整体工作带宽内的情况。这种情况下，对应工作频段所需的二次谐波阻抗将无法通过网络匹配实现，且由于其阻抗值等于工作频带内的某一基波阻抗值，故具有较大的实部，这种二次谐波阻抗条件将极大地影响跨倍频程功放的效率指标。由于仅使用无源匹配网络已经无法解决这一问题，故与有源负载调制类似，可以引入二次谐波有源负载调制，从而改变二次谐波阻抗来提升对应频段的效率指标。相关技术中在功放的输出网络中注入二次谐波分量从而进行二次谐波有源负载调制，然而所采用的二次谐波加载网络必然会对原始功放的匹配网络产生影响，导致二次谐波有源负载调制技术很难应用于超宽带功放中。
针对相关技术中在功放的输出网络中注入二次谐波分量进行二次谐波有源负载调制很难应用于超宽带功放中的问题，尚未提出解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种功率放大器，以至少解决相关技术中在功放的输出网络中注入二次谐波分量进行二次谐波有源负载调制很难应用于超宽带功放中的问题。
根据本申请的一个实施例，提供了一种功率放大器，包括：耦合器和谐波产生网络，所述耦合器与所述谐波产生网络连接，其中，
所述耦合器，用于从所述功率放大器的输入信号中耦合出一部分输入信号，得到基波信号，并将所述基波信号输出至所述谐波产生网络；
所述谐波产生网络，用于基于所述基波信号生成谐波分量，并将所述谐波分量输入到所述功率放大器的功放输入电路中。
在一实施例中，所述功率放大器还包括：信号处理设备、多个射频通道以及第一电桥，其中，所述信号处理设备与所述多个射频通道连接，所述多个射频通道与所述第一电桥连接；所述多个射频通道中的至少一个射频通道上设置有一个所述谐波产生网络，所述耦合器与所述信号处理设备连接，每个射频通道上设置有一个所述功放输入电路；
所述信号处理设备，用于将输入信号分成多路输入信号并输入到对应的射频通道，一路输入信号输入到一个射频通道上；
所述第一电桥，用于将所述多个射频通道的多路信号合成为输出信号。
在一实施例中，所述功放输入电路包括：功放管与电路匹配网络，其中，每个射频通道上均设置有相连的一个电路匹配网络与一个功放管，所述信号处理设备分别与多个所述电路匹配网络连接，多个所述功放管均与所述第一电桥连接，其中，
每个所述电路匹配网络，用于匹配所述信号处理设备与所述功放管的输入；
每个所述功放管，用于对所在射频通道上的输入信号进行放大处理。
在一实施例中，所述电路匹配网络，用于将所述输入信号与所述谐波产生网络产生的谐波信号合并输出到所述功放管的输入端；或者将所述输入信号输出到所述功放管的输入端。
在一实施例中，多个所述功放管包括一个或多个主功放管、一个或多个峰值功放管，所述谐波产生网络设置于所述一个或多个主功放管所在射频通道上；或者，所述谐波产生网络设置于所述一个或多个峰值功放管所在射频通道上。
在一实施例中，所述耦合器的一端与所述信号处理设备的输出端连接，其余端口分别与所述谐波产生网络和所述电路匹配网络连接。
在一实施例中，所述耦合器的一端与所述信号处理设备的输入端连接，其余端口分别与所述谐波产生网络和所述电路匹配网络连接。
在一实施例中，所述耦合器包括：输入端，直通端，耦合端，其中，所述基波信号从所述输入端耦合进入到所述耦合端，且从所述输入端到所述直通端全频段直通，得到所述基波信号。
在一实施例中，所述谐波产生网络包括依次连接的非线性电路、带通滤波器、移相器及谐波增益放大器，所述谐波增益放大器与所述电路匹配网络连接，其中，
所述非线性电路，用于对所述基波信号进行非线性处理，产生多个谐波分量；
所述带通滤波器，用于从所述多个谐波分量选择目标谐波分量；
所述移相器，用于调整所述目标谐波分量的相位，得到谐波信号；
所述谐波增益放大器，用于将所述谐波信号放大后输入到所述功放管的输入端。
在一实施例中，所述信号处理设备为功分器或第二电桥。
本申请实施例的功率放大器包括：功率放大器，包括：耦合器和谐波产生网络，耦合器与谐波产生网络连接，其中，所述耦合器，用于从所述功率放大器的输入信号中耦合出一部分输入信号，得到基波信号，并输出至所述谐波产生网络；所述谐波产生网络，用于基于所述基波信号生成谐波分量，并将所述谐波分量输入到所述功率放大器的功放输入电路中，可以解决相关技术中在功放的输出网络中注入二次谐波分量进行二次谐波有源负载调制很难应用于超宽带功放中的问题，通过谐波产生网络在平衡式功率放大器的低频段注入谐波来提升发射系统的整体性能，避免在功放输出端直接加载二次谐波引入的对原始功放输出网络的影响，还可以降低加载二次谐波所需的功率。
附图说明
图1是根据本申请实施例的功率放大器的框图；
图2是根据本申请可选实施例的功率放大器的框图一；
图3是根据本申请可选实施例的功率放大器的框图二；
图4是根据本申请可选实施例的功率放大器的框图三；
图5是根据本申请可选实施例的基于LMBA架构的谐波注入的功率放大器的框图一；
图6是根据本申请可选实施例的耦合器的原理框图；
图7是根据本申请可选实施例的谐波产生网络的原理框图；
图8是根据本实施例的电路匹配网络IMN的结果框图；
图9是根据本实施例的加载二次谐波相位与功率对功放性能的示意图；
图10是根据本实施例的跨倍频程功放匹配阻抗分布示意图；
图11是根据本申请可选实施例的基于LMBA架构的谐波注入的功率放大器的框图二；
图12是根据本申请可选实施例的基于LMBA架构的谐波注入的功率放大器的框图三；
图13是根据本实施例的基于DEPA架构的谐波注入的功率放大器的框图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的实施例。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请实施例提供了一种功率放大器，图1是根据本申请实施例的功率放大器的框图，如图1所示，包括：耦合器和谐波产生网络，耦合器与谐波产生网络连接，其中，该耦合器，用于从该功率放大器的输入信号中耦合出一部分输入信号，得到基波信号，并将该基波信号输出至该谐波产生网络；该谐波产生网络，用于基于该基波信号生成谐波分量，并将该谐波分量输入到该功率放大器的功放输入电路中。
图2是根据本申请可选实施例的功率放大器的框图一，如图2所示，该功率放大器还包括：信号处理设备、多个射频通道以及第一电桥，其中，该信号处理设备与该多个射频通道连接，该多个射频通道与该第一电桥连接；该多个射频通道中的至少一个射频通道上设置有一个该谐波产生网络，耦合器与信号处理设备连接，每个射频通道上设置有一个该功放输入电路；该信号处理设备，用于将输入信号分成多路输入信号并输入到对应的射频通道，一路输入信号输入到一个射频通道上；该第一电桥，用于将该多个射频通道的多路信号合成为输出信号。
图3是根据本申请可选实施例的功率放大器的框图二，如图3所示，该功放输入电路包括：功放管与电路匹配网络，其中，每个射频通道上均设置有相连的一个电路匹配网络与一个功放管，该信号处理设备分别与多个该电路匹配网络连接，多个该功放管均与该第一电桥连接，其中，每个该电路匹配网络，用于匹配该信号处理设备与该功放管的输入；每个该功放管，用于对所在射频通道上的输入信号进行放大处理。
在一实施例中，该电路匹配网络，用于将该输入信号与该谐波产生网络产生的谐波信号合并输出到该功放管的输入端；或者将该输入信号输出到该功放管的输入端。
如图3所示，该耦合器的一端与该信号处理设备的输出端连接，其余端口分别与该谐波产生网络和该电路匹配网络连接。
图4是根据本申请可选实施例的功率放大器的框图三，如图4所示，该耦合器的一端与该信号处理设备的输入端连接，其余端口分别与该谐波产生网络和该电路匹配网络连接，该耦合器，用于选择该输入信号的部分频率信号，得到基波信号。
本实施例中，上述的信号处理设备可以为功分器，也可以为第二电桥。
下面以信号处理设备为功分器为例，对本实施例进行说明。
负载调制平衡功率放大器(Load-Modulated Balanced Amplifier，简称为LMBA)架构为输入端通过电桥或者功分器把信号分为多个输送到各个射频通道中，再在输出端通过电桥进行合成。图5是根据本申请可选实施例的基于LMBA架构的谐波注入的功率放大器的框图一，如图5所示，而本实施例为了提升和拓展LMBA工作频带的限制，在控制支路引入谐波产生网络，来调整LMBA的工作状态，提升其工作性能。功分器为把输入信号分成两路或多路到各个射频通道；耦合器为了把信号耦合一部分进入谐波产生网络；谐波产生网络：来生成具有特定幅度和相位的谐波分量，并注入到控制支路中；功放管为放大信号，电桥为了合成或者功率分配信号(其中谐波具有谐波产生网络的支路为控制支路)；IMN1/IMN2/IMN3为电路匹配网络。
在宽带功放设计中，部分频带的性能会远低于理论性能。如图所示，通过在LMBA的输入端注入谐波，使在输出端进行谐波的幅度和相位调制，极大提升LMBA功放的输出功率和效率，显著扩展其工作带宽。
图6是根据本申请可选实施例的耦合器的原理框图，如图6所示，耦合器包括：输入端201，直通端202，耦合端203，其中，该基波信号从该输入端201耦合进入到该耦合端203，且从该输入端201到该直通端202全频段直通，得到该基波信号。耦合器耦合端具有频率选择特性：部分频率才能从201端口耦合进入到耦合203端口；从201端口到202端口全频段直通。
图7是根据本申请可选实施例的谐波产生网络的原理框图，如图7所示，谐波产生网络包括依次连接的非线性电路、带通滤波器、移相器及谐波增益放大器，该谐波增益放大器与该电路匹配网络连接，其中，该非线性电路，用于对该基波信号进行非线性处理，产生多个谐波分量；该带通滤波器，用于从该多个谐波分量选择目标谐波分量；该移相器，用于调整该目标谐波分量的相位，得到谐波信号；该谐波增益放大器，用于将该谐波信号放大后输入到该功放管的输入端。把耦合的基波信号输入到一个非线性电路中，产生丰富的谐波成分；再通过带通滤波器选择出2次、3次谐波；把残留信号通过一个移相器来调整谐波分量的相位(移动相位取决于谐波注入的相位需求)；最后通过谐波增益放大器把谐波信号放大后输入到功放输入电路中。
图8是根据本实施例的电路匹配网络IMN的结果框图，如图8所示，IMN主要作用是匹配输入端的功分器与功放管的输入，并具有连接谐波产生网络的功能。模式一：在低频段f1＜f0＜f2时，IMN的作用是使输入信号和谐波信号合并输出到功放管输入端；模式二：在低频段f2＜f0＜f3时，IMN的作用是使输入信号尽可能高的输出到功放管输入端。
如图5中所示的二次谐波有源负载加载方案，其二次谐波有源负载调制过程与基波负载调制遵循相同的规律，即平衡式功放对应的耦合器端口处的阻抗可由以下公式计算：
式中，Z0为耦合器原始端口阻抗，Ipk与Iba分别为峰值控制功放与单个主功放的输出电流，则为峰值功放与相对端口主功放的电流相位差。从上述公式可以看出，从峰值功放支路调整二次谐波电流的相位和幅度可以对主功放输出端口的阻抗进行二次谐波有源负载调制。经由匹配网络的变换后，这种调制效应可以传递到晶体管(功放管)端口，从而改变主功放的性能。
图9是根据本实施例的加载二次谐波相位与功率对功放性能的示意图，如图9所示，对于跨倍频程高回退效率功放来说，在整个工作频带都启用谐波有源负载调制技术是不现实的。在工作频带外，有源器件和使用的耦合器等电路的功能与工作频带内并不相同，这可能使得谐波有源负载调制失效。此外，工作频带外的谐波阻抗很可能将呈现纯电抗特性，对于这种特性的谐波阻抗是无法使用谐波有源负载调制的。针对这种情况，可以在不同的工作频带分别使用谐波阻抗匹配和谐波有源负载调制技术，根据不同工作频带的特点全局优化所设计的功放的性能。
图10是根据本实施例的跨倍频程功放匹配阻抗分布示意图，如图10所示，给出了电流源端面扩倍频程的阻抗解区域，为了确保跨倍频程功放具有一定额度的输出功率，那么其各个频点的基波阻抗都应该收敛到一个区域内，即基波阻抗的实部在有限的范围内，如图10(a)所示，频段1处频点工作时，在功放输入端未加载谐波的情况下，频段1的二次或三次谐波阻抗为频段3所在的位置，这将注定会降低频段1的工作效率。因此，在低频段频段1工作时，通过谐波注入的方式，使频段1的二次或三次谐波阻抗位于新的阻抗区域内，如图10(b)所示。通过这种方式，在频段1工作状态下，功放在电流源端面的谐波阻抗随着注入谐波信号的变化而发生牵引，从而使频段1的工作效率得到提升。
在一实施例中，多个该功放管包括一个或多个主功放管、一个或多个峰值功放管，如图5所示，该谐波产生网络设置于该一个或多个主功放管所在射频通道上，功放管3为主功放管，谐波产生网络设置于功放管3所在的射频通道上。
图11是根据本申请可选实施例的基于LMBA架构的谐波注入的功率放大器的框图二，如图11所示，功放管1和功放管2为峰值功放管，该谐波产生网络设置于该一个或多个峰值功放管所在射频通道上，即设置于功放管1和功放管2所在的射频通道上。
图12是根据本申请可选实施例的基于LMBA架构的谐波注入的功率放大器的框图三，如图12所示，相对于图11，耦合器的放置位置，把耦合器输入端放置在功分器之前。类似的图5中的耦合加载位置也可以放置在最前端，甚至在前级驱动功放的前端。
当面对的结构不是LMBA架构时，比如分布式高效功率放大器(DistributedEfficient Power Amplifier，简称为DEPA)架构，类似的也可以通过前面该的方法对跨倍频程功放进行低频点的谐波注入处理。图13是根据本实施例的基于DEPA架构的谐波注入的功率放大器的框图，如图13所示，谐波注入的主功放端信号注入，类似的信号耦合位置可以使模块最前输入端；谐波注入支路也可变更到峰值路支路。
针对跨倍频程的LMBA功放，通过谐波注入的方式，改善谐波谐波阻抗失配程度，提升低频段的功放效率。
针对具有跨倍频程高效率的功放架构，比如LMBA架构，在低频段f1工作是，其谐波可能是频段f2-f3之间，由于LMBA可工作在f1-f3之间，所以f1的高次谐波阻抗就是f2-f3之间满足n*f1频点的阻抗。这个阻抗与功放高效率工作状态有冲突，因此会降低f1频段处的效率，因此通过注入谐波分量，可以提升低频段f1处的效率。
相比于在功放输出端进行谐波注入，在输入端注入谐波的优势：在跨倍频程频带内应用时，耦合器是双向的，当倍频器产生的谐波分量能够耦合到信号通路上，那么当工作在高频段时，其信号也能耦合到谐波产生网络中，这样谐波产生网络将额外地损耗能量降低和恶化高频段的效率和线性、另一方面，在大功率输入下，谐波产生网络所采用器件需要满足高功率工作要求，对谐波产生网络的器件提出了更高要求，直接增加了产品成本。
功放架构中的功放分为两类：低功率和高功率状态下都工作的功放为主功放，仅高功率状态下才工作的功放为峰值功放；谐波注入到主功放有助于同时对功放输出端的低功率和高功率状态进行负载谐波调制；而谐波注入到峰值功放，仅仅高功率状态才对功放的输出端进行负载调制。某一种模式的选择，取决于负载调制过程中需要提升哪个功率区域的效率和需要提升哪个功放管的效率：比如当通过合理的电路设计，可以使是主功放在低功率状态和高功率都具有高效率，仅仅峰值功放在低频段有效率恶化，那么此时只需要对峰值功放进行谐波注入，便能有效的提升峰值功放的效率。
本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及示例性实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：耦合器和谐波产生网络，所述耦合器与所述谐波产生网络连接，其中，
所述耦合器，用于从所述功率放大器的输入信号中耦合出一部分输入信号，得到基波信号，并将所述基波信号输出至所述谐波产生网络；
所述谐波产生网络，用于基于所述基波信号生成谐波分量，并将所述谐波分量输入到所述功率放大器的功放输入电路中。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：信号处理设备、多个射频通道以及第一电桥，其中，所述信号处理设备与所述多个射频通道连接，所述多个射频通道与所述第一电桥连接；所述多个射频通道中的至少一个射频通道上设置有一个所述谐波产生网络，所述耦合器与所述信号处理设备连接，每个射频通道上设置有一个所述功放输入电路；
所述信号处理设备，用于将输入信号分成多路输入信号并输入到对应的射频通道，一路输入信号输入到一个射频通道上；
所述第一电桥，用于将所述多个射频通道的多路信号合成为输出信号。
3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述功放输入电路包括：功放管与电路匹配网络，其中，每个射频通道上均设置有相连的一个电路匹配网络与一个功放管，所述信号处理设备分别与多个所述电路匹配网络连接，多个所述功放管均与所述第一电桥连接，其中，
每个所述电路匹配网络，用于匹配所述信号处理设备与所述功放管的输入；
每个所述功放管，用于对所在射频通道上的输入信号进行放大处理。
4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，
所述电路匹配网络，用于将所述输入信号与所述谐波产生网络产生的谐波信号合并输出到所述功放管的输入端；或者将所述输入信号输出到所述功放管的输入端。
5.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，多个所述功放管包括一个或多个主功放管、一个或多个峰值功放管，所述谐波产生网络设置于所述一个或多个主功放管所在射频通道上；或者，所述谐波产生网络设置于所述一个或多个峰值功放管所在射频通道上。
6.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述耦合器的一端与所述信号处理设备的输出端连接，其余端口分别与所述谐波产生网络和所述电路匹配网络连接。
7.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述耦合器的一端与所述信号处理设备的输入端连接，其余端口分别与所述谐波产生网络和所述电路匹配网络连接。
8.根据权利要求6或7所述的功率放大器，其特征在于，
所述耦合器包括：输入端，直通端，耦合端，其中，所述基波信号从所述输入端耦合进入到所述耦合端，且从所述输入端到所述直通端全频段直通，得到所述基波信号。
9.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述谐波产生网络包括依次连接的非线性电路、带通滤波器、移相器及谐波增益放大器，所述谐波增益放大器与所述电路匹配网络连接，其中，
所述非线性电路，用于对所述基波信号进行非线性处理，产生多个谐波分量；
所述带通滤波器，用于从所述多个谐波分量选择目标谐波分量；
所述移相器，用于调整所述目标谐波分量的相位，得到谐波信号；
所述谐波增益放大器，用于将所述谐波信号放大后输入到所述功放管的输入端。
10.根据权利要求2至7、9中任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述信号处理设备为功分器或第二电桥。
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