CN117978107B - 一种可重构负载调制平衡功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频芯片功放技术领域，涉及一种可重构负载调制平衡功率放大器。包括：依次连接的第一输入匹配网络、驱动级功率放大器和任意功分比功分器，任意功分比功分器的一输出端依次连接变容二极管移相器、第二输入匹配网络、控制功率放大器、输出匹配网络；另一输出端连接第一定向耦合器后分为相同结构的两路，第三输入匹配网络、第一子平衡功率放大器、第一可重构预匹配网络形成一路，第四输入匹配网络、第二子平衡功率放大器、第二可重构预匹配网络形成一路，两路连接至第二定向耦合器；本发明可以在6dB回退的高平均效率和9dB回退的大回退范围两个工作状态间进行切换以满足不同的应用场，解决回退区域的效率增高的问题。

Description

一种可重构负载调制平衡功率放大器

技术领域

本发明涉及射频芯片功放技术领域，具体而言，涉及一种可重构负载调制平衡功率放大器。

背景技术

无线通信数据速率的加速增长，伴随的是负载调制方式带来的高峰均功率比（PAPR）信号，这对功率放大器提出极高的要求。负载调制类的功放结可以弥补功放为了满足高峰均比信号对线性度的要求，功放工作在回退状态下导致的效率的降低。负载调制类功放通过引入一个峰值功放对控制功放的负载阻抗进行调制，这使得功放在功率回退情况下，回退区域的效率增高。

目前，高峰均功率信号使得功放一般需要回退6-9dB以满足线性度的需求。负载调制类功放如Doherty和LMBA结构的回退范围一般均在6dB,当功率回退范围扩展至9dB左右时就在饱和点和回退点之间会产生效率曲线的凹陷，对平均效率产生一定的影响。因此，可以设计一种负载调制放大器适应不用的工作场景来选择是否扩展回退范围还是6dB回退足够满足需求，保证平均效率。另外且目前单级的Doherty和LMBA的增益过低，在5-10dB左右，很难满足现实应用的要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种可重构负载调制平衡功率放大器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种可重构负载调制平衡功率放大器，包括：第一输入匹配网络、驱动级功率放大器、任意功分比功分器、变容二极管移相器、第一定向耦合器、第二输入匹配网络、第三输入匹配网络、第四输入匹配网络、控制功率放大器、输出匹配网络、第一子平衡功率放大器、第二子平衡功率放大器、第一可重构预匹配网络、第二可重构预匹配网络、第二定向耦合器；

其中，射频信号与第一输入匹配网络相连，第一输入匹配网络的另一端与驱动级功率放大器输入端相连，驱动级功率放大器输出端与任意功分比功分器输入端相连；任意功分比功分器的第一输出端与变容二极管移相器的输入端相连，变容二极管移相器的输出端与第二输入匹配网络相连，第二输入匹配网络的另一端与控制功率放大器的输入端相连；控制功率放大器的输出端与输出匹配网络相连；输出匹配网络的另一端与第二定向耦合器的隔离端相连；任意功分比功分器的第二输出端与第一定向耦合器的输入端相连。第一定向耦合器的耦合端与第三输入匹配网络相连，第三输入匹配网络的另一端与第一子平衡功率放大器的输入端相连，第一子平衡功率放大器的输出端与第一可重构预匹配网络相连，第一可重构预匹配网络另一端与第二定向耦合器的直通端相连；第一定向耦合器的直通端与第四输入匹配网络相连，第四输入匹配网络的另一端与第二子平衡功率放大器的输入端相连，第二子平衡功率放大器的输出端与第二可重构预匹配网络相连，第二可重构预匹配网络另一端与第二定向耦合器的耦合端相连，第二定向耦合器的输入端为射频输出。

进一步地，所述的驱动级功率放大器、第一子平衡功率放大器和第二子平衡功率放大器均工作在AB类工作模式下，控制功率放大器工作在C类工作模式下。

进一步地，所述的第一可重构预匹配网络和第二可重构预匹配网络结构相同，包括输入端与第一电容相连，第一电容的另一端与第二传输线相连，第二传输线的另一端与第二电容、第四电感和变容二极管堆叠输入端，第四电感的另一端接地，第二电容的另一端与第二电阻相连，第二电阻的另一端接地；变容二极管堆叠的输出端与第五电感相连，第五电感的另一端与第三电阻相连，第三电阻的另一端与控制电压相连。

进一步地，所述的变容二极管移相器具有一个控制端，具体结构包括：输入端与第一变容二极管的一端、第三电感的一端、第三变容二极管的一端和输出端相连；第一变容二极管的另一端与第二变容二极管的一端和第一电感的一端相连，第二变容二极管的另一端接地；第一电感的另一端与第二电感的一端和控制端相连；第二电感的另一端与第三变容二极管的另一端和第四变容二极管的一端相连；第四变容二极管的另一端接地，第三电感的另一端接地。

进一步地，所述的任意功分比功分器包括：输入端与第一加载变容二极管的传输线的一端和不加载变容二极管的传输线一端相连；第一加载变容二极管的传输线的另一端与第一输出端和隔离电阻相连，隔离电阻的另一端与第二加载变容二极管的传输线一端相连，另一端与第二输出端和不加载变容二极管的传输线相连。

本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的优点在于，第一可重构预匹配网络和第二可重构预匹配网络引入可变二极管代替传统的预匹配网络，从而实现预匹配网络的重构，通过改变控制电压，可重构预匹配网络分别可以实现6dB的回退范围和9dB回退范围所需要的最佳负载阻抗，以保证在两个工作状态都拥有最佳的效率，因此负载调制平衡功率放大器可以工作在两个工作状态。另外，通过任意功分比功分器调制控制功放支路和载波功放支路的幅度，利用变容二极管移相器调控控制功率放大器支路的相位，以实现负载调制所需要的幅度和相位。采用两级级联的设计，增加了放大器的增益。因此本发明可以实现高增益的可重构负载调制平衡功率放大器，可以在6dB回退的高平均效率和9dB回退的大回退范围两个工作状态间进行切换以满足不同的应用场景。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的结构示意图；

图2示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的变容二极管移相器示意图；

图3示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的任意功分比功分器示意图；

图4示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的可重构预匹配网络原理图；

图5示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的可重构预匹配网络Smith圆图匹配效果；

图6示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器的可重构预匹配网络的一个具体实施例。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

图1示出了本发明的一种可重构负载调制平衡功率放大器示意图。包括：第一输入匹配网络1、驱动级功率放大器2、任意功分比功分器3、变容二极管移相器4、第一定向耦合器8、第二输入匹配网络5、第三输入匹配网络91、第四输入匹配网络92、控制功率放大器6、输出匹配网络7、第一子平衡功率放大器101、第二子平衡功率放大器102、第一可重构预匹配网络111、第二可重构预匹配网络112以及第二定向耦合器12。

其中，射频输入与第一输入匹配网络1相连，第一输入匹配网络1的另一端与驱动级功率放大器2输入端相连，驱动级功率放大器2输出端与任意功分比功分器3输入端相连。任意功分比功分器3的第一输出端A与变容二极管移相器4的输入端相连，变容二极管移相器4的输出端与第二输入匹配网络5相连，第二输入匹配网络5的另一端与控制功率放大器6的输入端相连。控制功率放大器6的输出端与输出匹配网络相7连组成控制放大器。输出匹配网络7的另一端与第二定向耦合器12的隔离端相连。任意功分比功分器3的第二输出端B与第一定向耦合器8的输入端相连。第一定向耦合器8的耦合端与第三输入匹配网络91相连，第三输入匹配网络91的另一端与第一子平衡功率放大器101的输入端相连，第一子平衡功率放大器101的输出端与第一可重构预匹配网络111相连，第一可重构预匹配网络111另一端与第二定向耦合器12的直通端相连。第一定向耦合器8的直通端与第四输入匹配网络92相连，第四输入匹配网络92的另一端与第二子平衡功率放大器102的输入端相连，第二子平衡功率放大器102的输出端与第二可重构预匹配网络112相连，第二可重构预匹配网络112另一端与第二定向耦合器12的耦合端相连组成平衡放大器。第二定向耦合器的输入端为射频输出。

所述的驱动级功率放大器、第一子平衡功率放大器和第二子平衡功率放大器均工作在AB类工作模式下，控制功率放大器工作在C类工作模式下。

本发明负载调制平衡放大器的核心由平衡放大器和控制放大器组成，控制放大器将控制信号输入到平衡放大器第二定向耦合器的隔离端。第二定向耦合器的阻抗变化矩阵可以写为：

，

假设平衡放大器的电流为，控制放大器的电流为：，其中y包含了相位和幅度。可以推导出第二定向耦合器②、③、④端口的阻抗：

，

其中，第二定向耦合器的①端口为输入端，②端口为耦合端，③端口为隔离端④端口为直通端。

控制放大器产生的控制信号配合定向耦合器可以实现负载阻抗的调制，主要的控制因素为控制功率放大器支路的相位和平衡功率放大器支路及控制放大器支路的幅度。因此本发明在控制功率放大器支路引入变容二极管移相器，该变容二极管移相器的一个具体实施结构如图2所示，该变容二极管移相器的输入端与第一变容二极管Cb1的一端、第三电感L3的一端、第三变容二极管Cb3的一端和输出端相连。第一变容二极管Cb1的另一端与第二变容二极管Cb2的一端和第一电感L1的一端相连。第二变容二极管Cb2的另一端接地。第一电感L1的另一端与第二电感L2的一端和控制端相连。第二电感L2的另一端与第三变容二极管Cb3的另一端和第四变容二极管Cb4的一端相连。第四变容二极管Cb4的另一端接地。第三电感L3的另一端接地。该变容二极管移相器可以通过该控制端对控制支路的相位进行调节。

本发明的幅度调节是通过一个任意功分比功分器对本发明负载调制平衡放大器控制信号进行调节，该任意功分比功分器具体实施例如图3所示。该任意功分比功分器包括：输入端与第一加载变容二极管的传输线13的一端和不加载变容二极管的传输线14一端相连；第一加载变容二极管的传输线的另一端与第一输出端和隔离电阻R1相连，隔离电阻R1的另一端与第二加载变容二极管的传输线15一端相连，另一端与第二输出端和不加载变容二极管的传输线相连。该任意功分比功分器通过调整加载变容二极管的传输线来改变功分器的功率分配比。并通过调节变容二极管移相器和任意功分比功分器可以分别实现6dB回退和9dB回退的阻抗调制。

在负载调制过程中，为了保证回退点效率的提升，需要保证在回退点也是满幅的输出，因此，可以将就阻抗进一步改写：

，

其中Z0为耦合器的特征阻抗，Zopt为子平衡放大器的最佳负载阻抗，而为回退量，当回退量改变时，需要改变耦合器的特征阻抗，现有的耦合器很难对特征阻抗进行调节。因此，本发明引入了可重构预匹配网络，第一可重构预匹配网络和第二可重构预匹配网络利用可变二极管电容，实现可重构预匹配网络。通过改变控制电压，负载调制平衡功率放大器工作在两个工作状态，第一可重构预匹配网络和第二可重构预匹配网络分别可以实现6dB的回退范围和9dB回退范围所需要的最佳负载阻抗。

以6dB回退和9dB回退为例：在6dB回退时，子平衡功率放大器的负载阻抗3Zopt通过可重构预匹配网络转化到耦合器的特征阻抗Z0。而在9dB回退时，子平衡功率放大器的负载阻抗4.7Zopt也需要通过该可重构预匹配网络转化到耦合器的特征阻抗Z0。传统阻抗匹配网络只能实现两个特定阻抗的匹配，很难实现阻抗的双变换，尤其是不同的阻抗转为为同一阻抗，几乎很难实现。因此，本发明设置第一可重构阻抗匹配网络和第二可重构阻抗匹配网络，第一可重构阻抗匹配网络和第二可重构阻抗匹配网络可以采用相同的结构，也可以采用不同的结构。可重构阻抗匹配网络的原理图如图4所示，在传统阻抗匹配网络的基础上，将两个二极管变容电容加入到传统阻抗匹配网络中，通过利用二极管变容电容连续可变的特性来实现将某一固定阻抗匹配到一系列阻抗（如图5所示），因此，在本发明中，可以通过可重构阻抗匹配网络将耦合器的特征阻抗Z0分别匹配到6dB回退的所需要的3Zopt负载阻抗和9dB回退所需要的4.7Zopt负载阻抗，从而实现6dB回退的高平均效率和9dB回退的高功率回退的两个应用场景，图6为可重构阻抗匹配网络的一个具体实施结构，具体结构包括：可重构阻抗匹配网络的输入端与第一电容C1相连，第一电容C1的另一端与第二传输线CS相连，第二传输线CS的两一段与第二电容C2、第四电感L4和变容二极管堆叠CBD相连的输入端E，第四电感L4的另一端接地，第二电容C2的另一端与第二电阻R2相连，第二电阻R2的另一端接地。变容二极管堆叠的输出端F与第五电感L5相连，第五电感L5的另一端与第三电阻R3相连，第三电阻R3的另一端与控制电压相连。通过改变外部的控制电压，可以实现动态的阻抗调制，从而达到可重构匹配网络的目的。另外，由于动态阻抗匹配的连续性，这种方法也可以进行扩展到连续的6-9dB功率回退范围的调节。将变容二极管融入到传统的预匹配网络中，通过控制外部的控制电压，达到6dB和9dB回退所需阻抗的切换目的。

所述的变容二极管移相器具有一个控制端，利用该控制端调节控制放大器支路的相位。所述的任意功分比功分器将输入功率以不同比例分配给输出端1和输出端2，用于调制控制功放支路和载波功放支路的幅度。

第一可重构预匹配网络和第二可重构预匹配网络引入可变二极管代替传统的预匹配网络，从而实现预匹配网络的重构，通过改变控制电压，可重构预匹配网络分别可以实现6dB的回退范围和9dB回退范围所需要的最佳负载阻抗，因此负载调制平衡功率放大器可以工作在两个工作状态。另外，通过任意功分比功分器调制控制功放支路和载波功放支路的幅度，利用变容二极管移相器调控控制功率放大器支路的相位，以实现负载调制所需要的幅度和相位。采用两级级联的结构，增加了功放的增益。因此，本发明可以实现高增益的可重构负载调制平衡功率放大器，可以在6dB回退的高平均效率和9dB回退的大回退范围两个工作状态间进行切换以满足不同的应用场景；

另外，目前现有的基于负载调制平衡放大器的发明均采用单个功率单元的设计，单个功率单元为了实现高的输出功率，满足现实的需要，需要采用12个~18个晶体管并联，这回导致LMBA的增益非常低，在10dB以内。在实际应用中，是很难接受的。因此，本发明通过驱动级放大器结构，有效的提高增益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种可重构负载调制平衡功率放大器，其特征在于，包括：第一输入匹配网络、驱动级功率放大器、任意功分比功分器、变容二极管移相器、第一定向耦合器、第二输入匹配网络、第三输入匹配网络、第四输入匹配网络、控制功率放大器、输出匹配网络、第一子平衡功率放大器、第二子平衡功率放大器、第一可重构预匹配网络、第二可重构预匹配网络、第二定向耦合器；

其中，射频信号与第一输入匹配网络相连，第一输入匹配网络的另一端与驱动级功率放大器输入端相连，驱动级功率放大器输出端与任意功分比功分器输入端相连；任意功分比功分器的第一输出端与变容二极管移相器的输入端相连，变容二极管移相器的输出端与第二输入匹配网络相连，第二输入匹配网络的另一端与控制功率放大器的输入端相连；控制功率放大器的输出端与输出匹配网络相连；输出匹配网络的另一端与第二定向耦合器的隔离端相连；任意功分比功分器的第二输出端与第一定向耦合器的输入端相连；第一定向耦合器的耦合端与第三输入匹配网络相连，第三输入匹配网络的另一端与第一子平衡功率放大器的输入端相连，第一子平衡功率放大器的输出端与第一可重构预匹配网络相连，第一可重构预匹配网络另一端与第二定向耦合器的直通端相连；第一定向耦合器的直通端与第四输入匹配网络相连，第四输入匹配网络的另一端与第二子平衡功率放大器的输入端相连，第二子平衡功率放大器的输出端与第二可重构预匹配网络相连，第二可重构预匹配网络另一端与第二定向耦合器的耦合端相连，第二定向耦合器的输入端为射频输出。

2.按照权利要求1所述的一种可重构负载调制平衡功率放大器，其特征在于，所述的驱动级功率放大器、第一子平衡功率放大器和第二子平衡功率放大器均工作在AB类工作模式下，控制功率放大器工作在C类工作模式下。

3.按照权利要求1所述的一种可重构负载调制平衡功率放大器，其特征在于，所述的第一可重构预匹配网络和第二可重构预匹配网络结构相同，包括输入端与第一电容相连，第一电容的另一端与第二传输线相连，第二传输线的另一端与第二电容、第四电感和变容二极管堆叠输入端，第四电感的另一端接地，第二电容的另一端与第二电阻相连，第二电阻的另一端接地；变容二极管堆叠的输出端与第五电感相连，第五电感的另一端与第三电阻相连，第三电阻的另一端与控制电压相连。

4.按照权利要求1所述的一种可重构负载调制平衡功率放大器，其特征在于，所述的变容二极管移相器具有一个控制端，具体结构包括：输入端与第一变容二极管的一端、第三电感的一端、第三变容二极管的一端和输出端相连；第一变容二极管的另一端与第二变容二极管的一端和第一电感的一端相连，第二变容二极管的另一端接地；第一电感的另一端与第二电感的一端和控制端相连；第二电感的另一端与第三变容二极管的另一端和第四变容二极管的一端相连；第四变容二极管的另一端接地，第三电感的另一端接地。

5.按照权利要求1所述的一种可重构负载调制平衡功率放大器，其特征在于，所述的任意功分比功分器包括：输入端与第一加载变容二极管的传输线的一端和不加载变容二极管的传输线一端相连；第一加载变容二极管的传输线的另一端与第一输出端和隔离电阻相连，隔离电阻的另一端与第二加载变容二极管的传输线一端相连，另一端与第二输出端和不加载变容二极管的传输线相连。