CN201733278U - 提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路 - Google Patents

提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路 Download PDF

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高怀
张晓东
胡善文
杨烨
郭瑜
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Abstract

本实用新型公开了一种提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，包括功率放大结构，所述功率放大结构的输入端连接有输入匹配网络，输出端连接有输出匹配网络，所述输出匹配网络包括从功率放大结构的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络，从功率放大结构的输出端到隔直电容之间连接的三次谐波并联谐振网络，以及三次谐波并联谐振网络到放大电路输出端间的隔直电容。此匹配电路在提高电路功率附加效率的同时，增强了功率放大器的谐波抑制能力，提高了功率放大器的线性度。

Description

提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路
技术领域
本实用新型涉及一种提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路。
背景技术
功率放大器现已广泛应用于通信系统，在当今通信领域，随着便携式蜂窝终端、基站等尺寸的减小与重量的降低以及第三代移动通信系统的使用，通信系统对功率放大器的功率附加效率和线性度的要求越来越高。
目前，市场上出售的蜂窝式电话等便携式无线通信设备趋于小型化，要求其附带电池的尺寸也随之缩小，而一般来说缩小电池尺寸意味着减少了能量储备，为保证电池的使用时间必须减小此类设备的功耗，因此，减小便携式无线通信设备的功耗已成为热门课题。在蜂窝式电话中功率放大器是主要的能量消耗组件之一，其功率附加效率越高，消耗电流能量越小，蜂窝式电话的待机时间就越长。提高功率放大器的功率附加效率能很好地减小功率放大器的能量消耗，提高其对电池提供能量的利用率。
另外，功率放大器在大信号下具有不可避免的非线性特性，会产生严重的交调分量和频谱泄露，信号间产生互相干扰，影响通信质量。所以提高通信系统中功放的线性度同样成为关注的问题。目前主要采用前馈、反馈和预失真技术来提高系统的线性度。由于前馈技术不存在反馈环路，因此它具有良好的稳定性，但其功率附加效率较低，电路复杂度较高。反馈技术的功率附加效率一般，带宽较窄。而预失真技术算法较为复杂。
发明内容
本实用新型目的是：提供一种提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，此输出匹配电路在提高电路功率附加效率的情况下，增强了功率放大器的谐波抑制能力，提高了功率放大器的线性度。
本实用新型的技术方案是：一种提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，包括功率放大结构，所述功率放大结构的输入端连接有输入匹配网络，输出端连接有输出匹配网络，所述输出匹配网络包括从功率放大结构的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络，从功率放大结构的输出端到隔直电容之间连接的三次谐波并联谐振网络，以及从三次谐波并联谐振网络到功放的信号输出端之间连接的隔直电容。
进一步的，在上述匹配电路中，所述二次谐波串联谐振网络包括从功率放大结构的输出端到地之间串联连接的第一电感和第一电容，能将功率放大结构输出的二次谐波直接短路到地，提高功放的线性度。
进一步的，在上述匹配电路中，所述三次谐波并联谐振网络包括从功率放大结构的输出端到隔直电容之间并联连接的第二电感和第二电容，能将功率放大结构输出的三次谐波反射回功率放大结构的输出端。
进一步的，在上述匹配电路中，所述功率放大结构为共射极的功放管，所述功放管的输入端为基极，输出端为集电极。
本实用新型的优点是：
1.本实用新型在功率放大器输出端依次连接的二次谐波串联谐振网络与三次谐波并联谐振网络提高功率放大器电路功率附加效率的同时改善其线性度。另外，改变二次谐波串联谐振网络中的电感和电容的值还可按具体要求将n次谐波滤除，从而抑制n次谐波信号的增益。
2.本实用新型的输出匹配网络电路可用于如Cascode、Push-pull等多种电路结构的输出端，应用广泛，实用性强。
附图说明
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
图1为本实用新型的输出匹配网络电路图；
图2为本实用新型具体实施例的电路结构示意图；
图3为本实用新型具体实施例的小信号模型示意图；
图4为本实用新型具体实施例中功放管集电极输出电压叠加三次谐波后的波形示意图；
图5为本实用新型具体实施例中功放管集电极输出电压叠加三次谐波前后集电极电流波形的比较示意图；
图6为本实用新型具体实施例相位匹配后的功放管在输入信号功率较小时集电极输出电压与电流的波形示意图。
其中：1输入匹配网络；2输出匹配网络；Q功放管；L1第一电感；L2第二电感；C1第一电容；C2第二电容；C隔直电容。
具体实施方式
具体实施例一：
如图1所示，一种提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，包括功率放大结构，所述功率放大结构的输入端连接有输入匹配网络1，输出端连接有输出匹配网络2，所述输出匹配网络2包括从功率放大结构的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络，从功率放大结构的输出端到隔直电容C之间连接的三次谐波并联谐振网络，以及从三次谐波并联网络到功放的信号输出端之间连接的隔直电容C。其中功率放大结构可以为Cascode、Push-pull等多种电路结构。
所述二次谐波串联谐振网络包括从功率放大结构的输出端到地之间串联连接的第一电感L1和第一电容C1。
所述三次谐波并联谐振网络包括从功率放大结构的输出端到功放的信号输出端之间并联连接的第二电感L2和第二电容C2。
具体实施例二：
如图2所示为具体实施例一中的功率放大结构是单个共射极的功放管Q的情况，输入信号通过输入匹配网络1到达功放管Q的基极，功放管Q的发射极接地，集电极通过一个射频扼流圈L连接到直流电压源Vs，且功放管Q的集电极作为此功率放大结构的输出端与图1所述的输出匹配网络2相连。所述输出匹配网络2由第一电感L1、第一电容C1组成的串联谐振网络，第二电感L2、第二电容C2组成的并联谐振网络以及隔直电容共同构成。其中第一电感L1连接功放管Q的集电极，第一电容C1一端与第一电感L1相连，另一端接地；第二电感L2和第二电容C2所组成的并联谐振网络一端与功放管Q的集电极相连，另一端接隔直电容C，信号通过隔直电容C后到达功放的信号输出端。
如图3所示，功放管Q的集电极所接二次谐波谐振网络由第一电感L1与第一电容C1串联组成，调节第一电容C1与第一电感L1的值使其在2f0(基频为f0)频率点发生串联谐振，此时该串联支路等效于短路，将二次谐波分量直接短路到地。在压控电流源产生电流gmvbe不变的情况下，提高了流过该支路的二次谐波电流幅度，极大地减小了集电极二次谐波电压幅度。该谐振网络滤除了二次谐波对功率放大器输出信号的影响，降低了功放管所产生的二次谐波分量，提高了功率放大器的线性度及功率附加效率。
调节第二电感L2与第二电容C2，使并联谐振网络谐振在3f0，该网络对三次谐波近似断路，将三次谐波信号反射回功率放大器的集电极，使其在集电极与基波信号同相叠加。
从图4中可以看出，当功率放大器进入大信号工作状态时，功放管Q集电极发射极电压Vce在未滤除二次谐波及未包含三次谐波的情况下，由于Vce的摆幅较大，因此电压波形出现饱和失真现象。滤除二次谐波、叠加三次谐波后Vce的波形变为类似方形波，提高了通过输出匹配网络后的基波电压幅度。
如图5所示，在功放管的集电极滤除二次谐波、叠加三次谐波后，原本工作于饱和状态的功放管Q重新工作于放大状态，使原本由于饱和失真而凹陷的集电极电流幅度得到提高。通过输出端匹配网络滤除得到的输出基波电流幅度也得到很大的提高。
如图6所示，通过调节第二电感L2与第二电容C2的值，使功放管集电极电压与电流相位相差180°，此时电压波形的最高点对应于电流波形的最低点，则明显减少了功放管所产生的直流损耗。由此可知，功率放大器的输出端接本实用新型的匹配网络电路后输出功率增大、电路中直流损耗降低。根据公式：
Figure GSA00000105897200041
可知功率放大器的PAE得到了很好的改善。另外二次串联谐振网络将信号中的二次谐波分量滤除，三次谐波并联谐振网络抑制了三次谐波，提高了电路的线性度。
综上所述，本实用新型通过在功率放大器的输出端加入一种新型输出匹配网络，不仅增大了功率放大器的功率附加效率，同时也增强了功率放大器的谐波抑制，显著改善了功率放大器的线性度。

Claims (4)

1.一种提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，包括功率放大结构，所述功率放大结构的输入端连接有输入匹配网络(1)，输出端连接有输出匹配网络(2)，其特征在于：所述输出匹配网络(2)包括从功率放大结构的输出端到地之间连接的二次谐波串联谐振网络，从功率放大结构的输出端到隔直电容(C)之间连接的三次谐波并联谐振网络，以及从三次谐波并联谐振网络到功放的信号输出端间连接的隔直电容(C)。
2.根据权利要求1所述的提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，其特征在于：所述二次谐波串联谐振网络包括从功率放大结构的输出端到地之间串联连接的第一电感(L1)和第一电容(C1)。
3.根据权利要求1所述的提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，其特征在于：所述三次谐波并联谐振网络包括从功率放大结构的输出端到隔直电容之间并联连接的第二电感(L2)和第二电容(C2)。
4.根据权利要求1所述的提高功放功率附加效率和线性度的输出匹配电路，其特征在于：所述功率放大结构为共射极的功放管(Q)，所述功放管(Q)的输入端为基极，输出端为集电极。
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