一種寬帶高效率的連續(xù)逆f類功率放大器及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種寬帶高效率的連續(xù)逆F類功率放大器及其設計方法，屬于無線通 信技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著新一代無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，更高速率的數(shù)據(jù)傳輸和更豐富的業(yè)務內(nèi)容 等需求使得基帶信號的帶寬變得越來越寬，甚至4G中的LTE-Advanced通信中的基帶信號 已經(jīng)高達100MHz;此外，多種通信模式的兼容和多頻帶工作的需求更是對無線通信系統(tǒng)的 帶寬提出了更高的要求。作為無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分，高功率放大器的寬帶特性 成為衡量功率放大器性能的重要指標。
[0003] 另一方面，面對內(nèi)容更豐富的業(yè)務需求，更高速率的數(shù)據(jù)傳輸和更高效的頻譜調(diào) 制技術的使用讓傳輸信號的峰均比在帶寬增加的同時也在不斷提高。面對帶有更高峰均比 的傳輸信號，功率放大器為了避免信號壓縮和信息損失，不得不回退到低功率狀態(tài)進行工 作。而作為無線通信系統(tǒng)中功耗最大的模塊，功率放大器的能源耗費可以占到整個系統(tǒng)的 50%甚至更高，由功率回退帶來的效率低下會導致整個無線通信系統(tǒng)效率大大降低，造成 能源的極大浪費。因此，寬帶高效率功率放大器的研宄成為當今功率放大器領域的熱點課 題。
[0004] 目前常用的寬帶高效率綜合設計方法，主要是采用低通濾波器原型綜合設計方 法，首先根據(jù)負載牽引所得的基波阻抗實部與50Q的比值確定阻抗轉(zhuǎn)換比，依據(jù)匹配所需 帶寬與中心頻率的百分比帶寬來確定濾波器的階數(shù)；從低通濾波器參數(shù)表中得到對應的集 總參數(shù)低通濾波器電路；再對得到的集總參數(shù)電路結構進行微調(diào)，實現(xiàn)實數(shù)阻抗到復數(shù)阻 抗的匹配電路；最后將得到的集總參數(shù)匹配電路依據(jù)集總原件和傳輸線之間的等效轉(zhuǎn)換公 式，實現(xiàn)集總參數(shù)電路到分布式傳輸線匹配電路的變換。
[0005] 然而，發(fā)明人在研宄中發(fā)現(xiàn)，這種從集總原件到傳輸線之間的等效變換需要在一 定的前提下，那就是轉(zhuǎn)換之后的傳輸線電長度<n/4。根據(jù)等效轉(zhuǎn)換關系：
【主權項】
1. 一種寬帶高效率的連續(xù)逆F類功率放大器，其特征在于：包括功率放大器巧）、高低 阻抗傳輸線式輸入匹配網(wǎng)絡（1)、高低阻抗傳輸線式輸出匹配網(wǎng)絡（2)，可調(diào)式輸入饋電網(wǎng) 絡（3) W及寬帶輸出饋電網(wǎng)絡（4);高低阻抗傳輸線式輸入匹配網(wǎng)絡（1)中包括第一傳輸 線；高低阻抗傳輸線式輸出匹配網(wǎng)絡（2)包括第二傳輸線； 所述高低阻抗傳輸線式輸入匹配網(wǎng)絡（1)包括第一傳輸線中順序連接的第二高阻抗 傳輸線（14)、第二低阻抗傳輸線（13)、第一高阻抗傳輸線（12)、第一低阻抗傳輸線（11);第 一開路枝節(jié)線（15)與第一傳輸線的輸入端并聯(lián)；其中，第二高阻抗傳輸線（14)作為第一傳 輸線的輸入端，第一低阻抗傳輸線（11)作為第一傳輸線的輸出端；第一傳輸線的輸出端與 功率放大器巧）的輸入端連接； 所述高低阻抗傳輸線式輸出匹配網(wǎng)絡（2)包括第二傳輸線中順序連接的第=高阻抗 傳輸線（21)、第=低阻抗傳輸線（22)、第四高阻抗傳輸線（23)、第四低阻抗傳輸線（24)和 第五高阻抗傳輸線（25);第二開路枝節(jié)線（26)與第二傳輸線的輸出端并聯(lián)；其中，第S高 阻抗傳輸線（21)作為第二傳輸線的輸入端，第五高阻抗傳輸線（25)作為第二傳輸線的輸 出端；第二傳輸線的輸入端與功率放大器巧）的輸出端連接； 所述可調(diào)式輸入饋電網(wǎng)絡包括電阻（31)、第一扼流電感（32)、可調(diào)節(jié)長度傳輸線（33) W及N個旁路電容；電阻（31)的一端與第一傳輸線的輸出端連接；電阻（31)的另一端通 過第一扼流電感（32)與可調(diào)節(jié)長度傳輸線（33)的一端連接；可調(diào)節(jié)長度傳輸線（33)的另 一端分別與N個旁路電容的一端連接，其N個旁路電容的另一端均接地，N > 4,且N為正整 數(shù)；所述可調(diào)節(jié)長度傳輸線（33)包括相互平行的輸出線（331)和輸入線（333)，在輸出線 (331)和輸入線（333)之間設置有a條相互平行的傳輸線（332)，并且傳輸線（332)與輸出 線（331)垂直；其中a為> 2,并且a為正整數(shù)； 所述寬帶輸出饋電網(wǎng)絡包括第二扼流電感（41)、W及M個旁路電容；所述第二扼流電 感（41)的一端連接在第=高阻抗傳輸線（21)與第=低阻抗傳輸線（22)間；所述第二扼流 電感（41)的另一端分別與M個旁路電容的一端連接，其M個旁路電容的另一端均接地，所 述M>3,且M為正整數(shù)； 所述第一傳輸線的輸入端即為連續(xù)逆F類功率放大器的輸入端，所述第二傳輸線的輸 出端即為連續(xù)逆F類功率放大器的輸出端。
2. 根據(jù)權力要求1所述一種寬帶高效率的連續(xù)逆F類功率放大器，其特征在于：所述 第一傳輸線的輸入端和第二傳輸線的輸出端均串聯(lián)一個禪合電容化）。
3. -種寬帶高效率的連續(xù)逆F類功率放大器設計方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 利用仿真軟件中的諧波負載牽引電路，得到功率放大器巧）的工作頻帶W及在=次 諧波頻率W內(nèi)的諧波頻率處的諧波輸入、輸出阻抗和基波頻率處的輸入、輸出阻抗；所述工 作頻帶包括諧波頻率和基波頻率； 2) 將傳統(tǒng)簡易實頻技術中的截止頻率參數(shù)f。由單值改為一組由低到高的頻率取值范 圍，從而得到改進的簡易實頻技術匹配算法，所述從低到高的頻率取值范圍中的最低值不 小于功率放大器的工作頻帶中的最低頻率值，最高值不大于步驟1)中的=次諧波頻率； 首先設置輸出阻抗匹配網(wǎng)絡在簡易實頻技術匹配算法中的輸出優(yōu)化目標值，將諧波負 載牽引電路得到的工作頻帶的基波頻率W及基波頻率處的輸出阻抗載入到所述的改進簡 易實頻技術匹配算法中的目標函數(shù)，優(yōu)化目標函數(shù)的參數(shù)得到滿足優(yōu)化目標值的基波輸出 阻抗目標函數(shù)^n_T ;再對基波輸出阻抗目標函數(shù)化n_T進行求解，得到若干個在基波頻率 處滿足所述輸出優(yōu)化目標值的輸出阻抗匹配網(wǎng)絡； 將工作頻帶的諧波頻率W及負載牽引得到的諧波頻率處的輸出阻抗帶入目標函數(shù)，得 到諧波輸出阻抗目標函數(shù)Har_T ;根據(jù)所述若干個在基波頻率處滿足所述輸出優(yōu)化目標值 的輸出阻抗匹配網(wǎng)絡，計算所述若干個輸出阻抗匹配網(wǎng)絡分別在諧波頻率處的諧波輸出阻 抗目標函數(shù)Har_T的值；根據(jù)諧波輸出阻抗目標函數(shù)值Har_T計算諧波輸出阻抗目標誤差 函數(shù)Har_Te;rr的值； Har_Terr = l-Har_T 對比若干個在基波頻率處滿足所述輸出優(yōu)化目標值的輸出阻抗匹配網(wǎng)絡所對應各自 的諧波阻抗目標誤差函數(shù)值的大小，挑選出諧波輸出阻抗匹配誤差值最小的匹配網(wǎng)絡，該 匹配網(wǎng)絡即為高低阻抗傳輸線式輸出匹配網(wǎng)絡（2); 3) 首先設置輸入阻抗匹配網(wǎng)絡在簡易實頻技術匹配算法中的輸入優(yōu)化目標值，將步驟 1)中由負載牽引得到的工作頻帶W及基波、諧波頻率處的輸入阻抗載入到所述改進簡易實 頻技術匹配算法中的目標函數(shù)，優(yōu)化目標函數(shù)的參數(shù)得到滿足優(yōu)化目標值的基波輸入阻抗 目標函數(shù)化n_Tl ;再對基波輸入阻抗目標函數(shù)^n_Tl進行求解，得到若干個在基波頻率處 滿足所述輸入優(yōu)化目標值的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡； 將工作頻帶中的諧波頻率及其負載牽引得到的諧波頻率處的輸入阻抗帶入目標函數(shù)， 得到諧波輸入阻抗目標函數(shù)Har_Tl ;根據(jù)所述若干個在基波頻率處滿足所述輸入優(yōu)化目 標值的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡，計算所述若干個輸入阻抗匹配網(wǎng)絡分別在諧波頻率處的諧波輸 入阻抗目標函數(shù)Har_Tl的值；根據(jù)諧波輸入阻抗目標函數(shù)值Har_Tl計算諧波輸入阻抗目 標誤差函數(shù)Harjerrl的值； Har_Terrl = l-Har_Tl 對比若干個在基波頻率處滿足所述輸入優(yōu)化目標值的輸入阻抗匹配網(wǎng)絡所對應各自 的諧波阻抗目標誤差函數(shù)值的大小，挑選出諧波輸入阻抗匹配誤差值最小的匹配網(wǎng)絡，該 匹配網(wǎng)絡即為高低阻抗傳輸線式輸入匹配網(wǎng)絡（1); 4) 將步驟2)得到的高低阻抗傳輸線式輸出匹配網(wǎng)絡（2)與寬帶輸出饋電網(wǎng)絡（4)連 接，使得輸出匹配網(wǎng)絡能夠產(chǎn)生開路狀態(tài)；步驟3)中得到的高低阻抗傳輸線式輸入匹配網(wǎng) 絡（1)與可調(diào)式輸入饋電網(wǎng)絡（3)連接；并且將高低阻抗傳輸線式輸出匹配網(wǎng)絡（2)、高低 阻抗傳輸線式輸入匹配網(wǎng)絡（1)與功率放大器（5)連接，得到最終的逆F類功率放大器。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶高效率的連續(xù)逆F類功率放大器，其特征在于：所 述功率放大器（5)采用氮化嫁高電子遷移率管。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連續(xù)逆F類高效率功率放大器及其設計方法，該功率放大器包括五段高低阻抗傳輸線式輸入匹配電路，六段高低阻抗傳輸線式輸出匹配電路，可調(diào)節(jié)式輸入饋電網(wǎng)絡，寬帶輸出饋電網(wǎng)絡。本發(fā)明基于改進的具有諧波控制的簡易實頻技術匹配算法，對功率放大器的輸入輸出阻抗進行寬帶匹配，實現(xiàn)寬帶連續(xù)逆F類高效率工作。該設計方法在提高效率的同時避免了一般的低通濾波器原型設計方法中的基板材料介電常數(shù)受限的缺點，實現(xiàn)了可以應用于更高介電常數(shù)板材的連續(xù)逆F類功率放大器。本發(fā)明在高效率寬帶功率放大器應用背景下，針對綜合的寬帶高效率設計方法需求，具有結構簡單、體積緊湊、適用性更加廣泛的優(yōu)點。
【IPC分類】H03F1-02, H03F3-20, H03F1-42
【公開號】CN104617896
【申請?zhí)枴緾N201510092406
【發(fā)明人】朱曉維, 孫引進, 張雷, 孟凡
【申請人】東南大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年2月28日