CN117879505A - 基于IMD3抵消技术的高线性InGaP GaAs HBT功率放大器 - Google Patents
基于IMD3抵消技术的高线性InGaP GaAs HBT功率放大器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于IMD3抵消技术的高线性InGaP GaAs HBT功率放大器。该功率放大器采用两组GaAs HBT功率放大电路并联，两者的偏置电路各经一个镇流电阻与旁路电路的并联电路与HBT的基极相连，通过调整镇流电阻、旁路电路使得两组并联放大电路输出的IMD3相位相差180°，而基波相位基本相同，令其IMD3相互抵消起到提高功放线性度的作用。由于ACLR的恶化主要来自于IMD3，故使用上述的IMD3抵消法可以提高功放的线性输出功率与PAE。同时在输出匹配网络中通过设计谐波陷阱对二次、三次谐波进行抑制，其中二次谐波采用高阶抑制方式。本发明功率放大器应用于短距离无线通信，在复杂的信号调制技术下，能以高保真度对具有高峰均比信号进行放大，满足无线通信系统严格的线性度规范。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAs HBT功率放大器。
背景技术
21世纪以来，无线通信技术不断发展，其应用场景也日益多样化，除了在卫星导航、汽车雷达、国防安全等领域得到了广泛应用，无线通信技术还渗透到人们的日常生活中方方面面。在无线通信系统中，功率放大器处于发射机的末端，负责将基带信号进行放大通过天线发射出去。
在现代高速无线通信中，对高数据速率的需求越来越大。然而，这需要具有高峰均功率比(PAPR)的正交频分复用(OFDM)信号。为了满足线性度要求，需要一个线性功率放大器与该信号一起工作在其饱和输出功率的回退区。线性输出功率与饱和输出功率相比有较大的回退，功率附加效率(PAE)也显著降低。要提高线性输出功率，需要提高饱和输出功率。
为了以高保真度对高峰均功率比的信号进行放大，功率放大器就需要具备良好的线性度，因此，为了适应技术发展趋势，应用于短距离无线通信系统的功率放大器的线性度规范将更为严格。
发明内容
本发明的目的在于解决上述存在问题，提供一种基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAs HBT功率放大器，在保证输出功率水平的前提下，采用IMD3抵消方法提高功放的线性输出功率与PAE。同时加入谐波抑制输出匹配网络抑制高次谐波对功率放大器线性度的影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAs HBT功率放大器，包括：输入匹配电路、驱动级基极偏置电路、驱动级并联晶体管放大电路、级间匹配电路、功率级基极偏置电路、功率级并联晶体管放大电路、谐波抑制输出匹配电路；输入匹配电路，用于将功率放大器输入阻抗匹配至50欧姆源阻抗，保证输入信号完整传输至功率放大器；驱动级基极偏置电路，用于给驱动级晶体管提供偏置电流，其输出端与驱动级晶体管基极相连，实现温度补偿特性，同时调整驱动级的AM-AM特性，使其在大功率输入下表现出的增益膨胀对功率级的增益压缩进行补偿，且加入线性化器改善整体电路的AM-PM失真；驱动级并联晶体管放大电路，对输入信号进行放大；级间匹配电路，用于将功率级输入阻抗匹配至驱动级最佳负载阻抗的共轭，保证驱动级输出信号有效的传输至功率级进行放大；功率级基极偏置电路，由电流镜构成，给功率级晶体管提供稳定的直流偏置，在输入功率变化的情况下稳定其发射结压降，同时具有温度补偿的作用，还通过控制功率级基极偏置电路的镇流电阻、旁路电容和旁路电阻使得两组并联的驱动级并联晶体管放大电路和功率级并联晶体管放大电路输出的IMD3相位相差180°，基波相位基本相同；功率级并联晶体管放大电路，对输入信号进行二次放大；谐波抑制输出匹配电路，实现基波阻抗匹配作用的同时对二次、三次谐波进行抑制，进一步提升放大器的线性度。
在本发明一实施例中，所述输入匹配电路，使用L型高通匹配网络设计，实现阻抗匹配的同时对直流偏置信号进行阻隔，均采用片上元器件实现。
在本发明一实施例中，所述驱动级基极偏置电路及功率级基极偏置电路，由晶体管QB1-QB3构成电流镜，在QB2的发射极加入相位补偿网络，用来设计驱动级获得与功率级相反的AM-PM特性，并并通过调整电阻Rb与R1的电阻值以及Cb的电容值对驱动级并联晶体管放大电路非线性特性进行调节，实现预失真的作用。
在本发明一实施例中，所述驱动级基极偏置电路及功率级基极偏置电路，调节偏置电阻R1、R2的值，控制驱动级并联晶体管放大电路的驱动级晶体管的基极偏置电流大小，使驱动级的增益膨胀补偿功率级的增益压缩特性，改善AM-AM失真。
在本发明一实施例中，所述驱动级并联晶体管放大电路，根据输出功率水平逐级推进的工作原理确定所需驱动级晶体管的发射结面积，保证信号的逐级放大，提供给后级电路足够的线性输出功率。
在本发明一实施例中，所述级间匹配电路，使用T型高通匹配网络设计，实现阻抗匹配的同时对两级级间的直流偏置信号进行阻隔，电感采用多层金属设计以提高Q值，与电容均于片内实现。
在本发明一实施例中，所述驱动级基极偏置电路及功率级基极偏置电路，由晶体管QB1-QB3构成电流镜，用来稳定放大管Q0在不同功率水平下的偏置点，扩宽其线性工作的范围。
在本发明一实施例中，所述谐波抑制输出匹配电路，采用电感电容串联谐振的方式分别在输出端对二次、三次谐波呈现对地短路通路，同时串联电感电容经过等效变换可等效为电容，与输出端串联电感构成低通LC网络，进行基波阻抗匹配，将功率放大器最佳负载阻抗匹配至50欧姆负载阻抗。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明基于IMD3抵消技术的高线性InGaP GaAs HBT功率放大器，该功率放大器采用两组GaAs HBT功率放大电路并联，两者的偏置电路各经一个镇流电阻与旁路电路(旁路电容和旁路电阻串联构成)的并联电路与HBT的基极相连，通过调整镇流电阻、旁路电容和旁路电阻使得两组并联放大电路输出的IMD3相位相差180°，而基波相位基本相同，令其IMD3相互抵消起到提高功放线性度的作用。由于ACLR的恶化主要来自于IMD3，故使用上述的IMD3抵消法可以提高功放的线性输出功率与PAE。同时在输出匹配网络中通过设计谐波陷阱对二次、三次谐波进行抑制，其中二次谐波采用高阶抑制方式，进一步提高整体电路的线性度。通过控制谐波成分，减小输出电压电流波形交叠，从而提升效率，可以在不影响功放线性度的情况下来提升功放的输出效率。整体电路包括输入匹配电路、驱动级基极偏置电路、驱动级并联晶体管放大电路、驱动级负反馈电路，级间匹配电路、功率级并联晶体管放大电路、功率级基极偏置电路及谐波抑制输出匹配电路。该功率放大器应用于短距离无线通信，在复杂的信号调制技术下，能以高保真度对具有高峰均比信号进行放大，满足无线通信系统严格的线性度规范。
附图说明
图1是本发明基于IMD3抵消技术的高线性InGaP GaAs HBT功率放大器。
图2是驱动级、功率级基极偏置电路；
图3是级间匹配电路；
图4是功率级IMD3抵消电路；
图5是两级放大电路；
图6(a)、(b)分别是单节低通LC网络与谐波抑制低通网络等效电路图；
图7是谐波抑制输出匹配电路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明一种基于IMD3抵消技术的高线性InGaP GaAs HBT功率放大器，包括：输入匹配电路、驱动级基极偏置电路、驱动级并联晶体管放大电路、级间匹配电路、功率级基极偏置电路、功率级并联晶体管放大电路、谐波抑制输出匹配电路。
输入匹配电路为采用片上元器件设计的L型高通匹配网络，将放大器输入阻抗匹配至50欧姆最佳源阻抗，同时阻隔直流信号。
基极偏置电路主要由偏置管QB1-QB3以及放大管Q0构成电流镜，通过电阻R1调节偏置电流大小，同时通过电阻Rb、电容Cb控制放大电路的非线性特性，调节两级非线性特性使之相互抵消。
分析两级放大电路的非线性特性，输入双音信号v1,in(t)、v2,in(t)，根据沃尔特拉级数展开可得驱动级输出端电压v1,out(t)和功率级输出端电压v2,out(t)表达式分别为(1)、(2)：
其中ax、bx(x＝1,2,3)为沃尔特拉系数，二者均为复数。
假设输入双音信号A(cosω1t+cosω2t)，可得第一级放大器的基波和三阶互调信号(IM3)分别为(3)、(4)：
V1,out(ω1orω2)≈Aa1(3)
带入式(2)中可得第二级放大器输出电压的基波和三阶互调信号(IM3)分别为(5)、(6)：
V2,out(ω1orω2)≈Aa1b1(5)
其中式(6)第一项由第一级产生后经过第二级放大，第二项则是第二级通过第一级的基波输出生成。根据IMD3定义：
则系统的IMD3为：
由于式(9)的整体IMD3是由来自式(6)的两个IM3电压组成的，因此调节两个IM3电压的相位，使其相位相反，可以优化三阶互调失真，进而提高整体IMD3。
基于该思想，利用调节镇流电阻、旁路电容和旁路电阻使得两组并联放大电路输出的IMD3相位相差180°，而基波相位基本相同，令其IMD3相互抵消起到提高功放线性度的作用。
功率级、驱动级并联晶体管放大电路的设计主要遵循输出功率水平合理选择两级放大器的晶体管发射结面积，根据设计要求的输出功率Pout，以及所选择工艺晶体管的发射极最大电流密度为Jc，可根据式(13)计算所需晶体管发射结面积大小。当功率放大器的线性输出功率为Pout时，功率级所需晶体管发射结的总面积S为：
其中Vmax为功率级输出的最大电压摆幅，再根据功率级的输出功率及对应功率增益计算所需的线性输入功率，考虑级间的损耗，计算得到第一级放大电路的输出功率，同样根据式(10)计算所需晶体管发射结的总面积大小。
级间匹配电路采用了低Q值宽带匹配技术的思想，由电容、电感器件构成一个T型高通网络，低Q值匹配技术需要根据工作带宽以及工作频率计算出网络最大Q值，然后在史密斯圆图上画出等Q值曲线，在曲线内部进行阻抗匹配的设计。
若中心工作频率为fO，工作带宽BW为：
BW＝fH-fL (11)
其中fH、fL分别为工作频段最高、最低频点。则匹配网络的最大Q值为：
Q＝fO/BW (12)
谐波抑制输出匹配电路输出匹配参考F类功率放大器对谐波的控制原理进行设计，该结构能够实现在较宽的工作频带内高效率、高线性度的信号传输，其中的Cf2o和Lfn2谐振于二次谐波，Cf3o和Lf3o谐振于三次谐波，对二次、三次呈现低阻抗进而实现谐波抑制的目的。而L2-Cf2o-Lf2o、L3-Cf3o-Lf3o以及L4-C4则可等效为三节基波匹配网络，实现阻抗匹配的作用。
对于低通网络Ln-Ceqn，可以将其等效为谐波抑制低通网络Ln-Cfno-Lfno，其中的Ceqn与Cfno的关系可以表示为：
其中n代表谐波控制次数，对于本次设计需要控制二次及三次谐波，即n取2、3，分别计算得Cf2o和Cf3o。再根据LC串联谐振条件：
可求得Lfno的值。
Cf21和Lf21构成并联谐振电路与前级的串联谐振二次谐波陷阱形成高阶二次谐波陷阱。其中的Leq2与Lf21的关系可以表示为：
可求得Lfno的值。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
如图2所示是基极偏置电路，由偏置管QB1-QB3构成电流镜，调整R1、R2的值可以控制偏置电流大小，采用自适应偏置电路能够提升电路的线性度。
如图3所示是级间匹配电路，以T型高通网络进行设计，控制匹配网络Q值以实现宽带匹配，各元器件均在片内实现，其中电感采用多层金属设计，提高品质因数，降低损耗。
如图4所示是功率级IMD3抵消电路，通过调整镇流电阻Rb1、Rb3、旁路电容Cb1、Cb2和旁路电阻Rb2、Rb4使得两组并联放大电路输出的IMD3相位相差180°，而基波相位基本相同。
如图5所示是两级放大电路图，通过改变第一级偏置电路的偏置电阻值，来调节两级的AM-AM失真，在输出端实现增益膨胀与压缩相抵消。
如图6(a)、(b)所示是单节低通LC网络与谐波抑制低通网络等效电路图。设计输出匹配网络时，首先设计多枝节低通LC网络Ln-Ceqn，再将各枝节的电容Ceqn根据对应谐波控制次数等效为Cfno，然后根据串联谐振原理计算出对应等效电感Lfno，从而实现n次谐波控制，其次用相同思路可以将电感LC网络中的电感Leqn根据对应谐波控制次数等效为Lfno，然后根据并联谐振原理计算出对应等效电感Cfno形成高阶谐波抑制，将提高整体电路线性度。
如图7所示是输出匹配电路，其中Ln-Cfno-Lfno，n＝1，2，可等效为多枝节低通匹配网络，以较低的匹配网络Q值实现放大器最佳负载至50欧姆负载的匹配，提高电路带宽。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，包括：输入匹配电路、驱动级基极偏置电路、驱动级并联晶体管放大电路、级间匹配电路、功率级基极偏置电路、功率级并联晶体管放大电路、谐波抑制输出匹配电路；输入匹配电路，用于将功率放大器输入阻抗匹配至50欧姆源阻抗，保证输入信号完整传输至功率放大器；驱动级基极偏置电路，用于给驱动级晶体管提供偏置电流，其输出端与驱动级晶体管基极相连，实现温度补偿特性，同时调整驱动级的AM-AM特性，使其在大功率输入下表现出的增益膨胀对功率级的增益压缩进行补偿，且加入线性化器改善整体电路的AM-PM失真；驱动级并联晶体管放大电路，对输入信号进行放大；级间匹配电路，用于将功率级输入阻抗匹配至驱动级最佳负载阻抗的共轭，保证驱动级输出信号有效的传输至功率级进行放大；功率级基极偏置电路，由电流镜构成，给功率级晶体管提供稳定的直流偏置，在输入功率变化的情况下稳定其发射结压降，同时具有温度补偿的作用，还通过控制功率级基极偏置电路的镇流电阻、旁路电容和旁路电阻使得两组并联的驱动级并联晶体管放大电路和功率级并联晶体管放大电路输出的IMD3相位相差180°，基波相位基本相同；功率级并联晶体管放大电路，对输入信号进行二次放大；谐波抑制输出匹配电路，实现基波阻抗匹配作用的同时对二次、三次谐波进行抑制，进一步提升放大器的线性度。
2.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路，使用L型高通匹配网络设计，实现阻抗匹配的同时对直流偏置信号进行阻隔，均采用片上元器件实现。
3.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述驱动级基极偏置电路及功率级基极偏置电路，均由晶体管QB1-QB3构成电流镜，在QB2的发射极加入相位补偿网络，用来设计驱动级获得与功率级相反的AM-PM特性，并通过调整电阻Rb与R1的电阻值以及Cb的电容值对驱动级并联晶体管放大电路非线性特性进行调节，实现预失真的作用。
4.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述驱动级基极偏置电路及功率级基极偏置电路，调节电阻R1、R2的值，控制驱动级并联晶体管放大电路的驱动级晶体管的基极偏置电流大小，使驱动级的增益膨胀补偿功率级的增益压缩特性，改善AM-AM失真。
5.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述驱动级并联晶体管放大电路，根据输出功率水平逐级推进的工作原理确定所需驱动级晶体管的发射结面积，保证信号的逐级放大，提供给后级电路足够的线性输出功率。
6.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述级间匹配电路，使用T型高通匹配网络设计，实现阻抗匹配的同时对两级级间的直流偏置信号进行阻隔，电感采用多层金属设计以提高Q值，与电容均于片内实现。
7.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述驱动级基极偏置电路及功率级基极偏置电路，通过晶体管QB1-QB3构成电流镜，用来稳定放大管Q0在不同功率水平下的偏置点，扩宽其线性工作的范围。
8.根据权利要求1所述的基于IMD3抵消技术的高线性InGaPGaAsHBT功率放大器，其特征在于，所述谐波抑制输出匹配电路，采用电感电容串联谐振的方式分别在输出端对二次、三次谐波呈现对地短路通路，同时串联电感电容经过等效变换可等效为电容，与输出端串联电感构成低通LC网络，进行基波阻抗匹配，将功率放大器最佳负载阻抗匹配至50欧姆负载阻抗。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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