CN108880501A - 一种宽带异相功率合成器 - Google Patents

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程知群
徐雷
冯瀚
田健廷
张振东
李晨
熊国萍
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
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Abstract

本发明涉及一种宽带异相功率合成器。本发明包括包括开关类功率放大器、Chireix功率合成器、带宽拓展电路。所述的Chireix功率合成器串接在开关类功率放大器和负载之间；在Chireix功率合成器与负载之间串接带宽拓展电路。通过两路异相宽带调制信号同时对电路进行输入，其中上支路输入正向信号，下支路输入负向信号，两路信号通过Chireix功率合成器进行整合，通过带宽拓展电路进行输出，输出的信号被负载所吸收。本发明采用带宽拓展电路通过使用阶梯式阻抗匹配减少匹配电路的品质因素，对于WCDMA信号和LTE信号等具有一定带宽的通信信号的合成具有较大影响，从而影响整个通带内的线性度、输出功率和效率。

Description

一种宽带异相功率合成器
技术领域
本发明属于射频通讯技术领域，涉及一种宽带异相功率合成器。
背景技术
随着通信技术的发展，由于人们对于通信的需求越来越高，导致现在通信运营商使用越来越复杂的通信信号，包括有5MHz带宽的WCDMA信号和20MHz的LTE信号以及以后被应用于5G通信***的信号。为了能对于这些具有一定带宽的调制信号，研究人员必须设计出具有一定带宽的功率放大***，异相功率放大***具有高线性度、高效率和高输出功率的众多优点，传统的异相功率放大***对恒包络信号进行放大，它的优点是具有很高的输出功率和效率，对于输出的调制信号具有很高的线性度。但是传统的异相功率放大***使用的Chireix功率合成器是根据单频点设计，所以这种合成器的带宽较窄，对于WCDMA信号和LTE信号和具有一定带宽的通信信号的合成具有较大影响，从而影响整个通带内的线性度、输出功率和效率，所以宽带异相功率合成器成为学术界和工业界的研究热点之一。如何提高异相功率合成器的带宽成为学术界和工业界的热点之一。
现有的异相功率合成器为如图1所示的传统Chireix功率合成器。然而申请人在研究中发现，实际上传统的Chireix功率合成器是根据单频点设计，所以这种合成器的带宽较窄，对于具有一定带宽的通信信号的放大具有较大影响，否则就对整个异相功率放大***的线性度、输出功率和效率具有很大的影响，所以传统的异相功率合成器已经不能满足当今通信***的要求，因此，急需研制出一种宽带异相功率合成器提高带宽，满足通带内***的线性度、输出功率和效率以满足当前及未来无线通信***高传输数率的要求。如何提高异相功率合成器的带宽成为了学术界和工业界研究的热点。由此，设计了一种宽带异相功率合成器。
发明内容
本发明的目的就是提供一种宽带异相功率合成器。
本发明包括开关类功率放大器、Chireix功率合成器、带宽拓展电路。所述的Chireix功率合成器串接在开关类功率放大器和负载之间；在Chireix功率合成器与负载之间串接带宽拓展电路；通过两路异相宽带调制信号同时对电路进行输入，其中上支路输入的为正向信号，下支路输入的为负向信号，两路信号通过Chireix功率合成器进行整合，通过带宽拓展电路进行输出，输出的信号被负载所吸收。
所述的带宽拓展电路包括n个串接的微带线，n个串接的微带线的一端作为带宽拓展电路的输入端，另一端作为带宽拓展电路的输出端；n为大于等于1的整数。
所述的Chireix功率合成器包括两个扇形微带线和两个结构相同的直微带线；Chireix功率合成器两个扇形微带线的射频输入端分别与两个直微带线一端连接后作为Chireix功率合成器的两个输入端，两个直微带线的另一端作为Chireix功率合成器的两个输出端。Chireix功率合成器的两个输出端连接后接带宽拓展电路的输入端。带宽拓展电路的输出端接负载。
作为优选，所述的Chireix功率合成器包括两个结构相同的直微带线TL1、TL2，直微带线TL1所在支路为上支路，直微带线TL2所在支路为下支路；带宽拓展电路为两个直微带线TL3、TL4串接。上支路的输出阻抗为Z1，下支路的输出阻抗为Z2，总的输出阻抗为Z3，2Z3＝Z1＝Z2。
微带线TL4为λ/4微带线，即其中ZC2是微带线TL4的特征阻抗，RL为负载，负载阻抗为50欧。微带线TL3为λ/4微带线，同理ZC1是微带线TL3的特征阻抗；得则微带线TL1为λ/4微带线，则得出微带线TL1、TL2、TL3、TL4的特征阻抗关系满足式⑷：
Y1为上支路出入导纳。
所述的上支路出入导纳Y1通过下述步骤得出：
两支路的输入电压公式如式⑴所示：
其中V0是电压幅度，θ是相位角。V1是上支路的输入电压，V2是下支路的输入电压；θ、V1、V2为已知量。
通过传输线理论和二端口理论，见式⑵、式⑶：
Vout为输出电压；ZC是微带线TL1、TL2的特征阻抗，I3是上支路的输出电流，I4是下支路的输出电流。
则得出输出的总电流
上下支路输入电流
则上支路的输入导纳
下支路的输入导纳
上支路输入导纳的补偿电纳为
下支路输入导纳的补偿电纳其中Bcom为支路分流补偿电纳，负载阻抗为50欧。
本发明采用带宽拓展电路通过使用阶梯式阻抗匹配减少匹配电路的品质因素，对于WCDMA信号和LTE信号和具有一定带宽的通信信号的合成具有较大影响，从而影响整个通带内的线性度、输出功率和效率。同时考虑到电容电感在高频电路中的寄生效应，采用扇形微带线作为分流元件中的集总元件，即有利于扩展带宽又能够减少寄生参数的影响，增加***的性能。
附图说明
图1为传统的Chireix功率合成器的等效图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明拥有带宽拓展电路的宽带异相功率合成器原理图；
图4为本发明拥有分支分流元件的宽带异相功率合成器原理图；
图5为传统Chireix功率合成器和宽带异相功率合成器效率对比图；
图6为传统Chireix功率合成器和宽带异相功率合成器输出功率对比图。
具体实施方式
如图2所示，一种宽带异相功率合成器，包括开关类功率放大器1、Chireix功率合成器2、带宽拓展电路3。Chireix功率合成器2串接在开关类功率放大器1(图中等效为电压源)和负载之间；在Chireix功率合成器2与负载之间串接带宽拓展电路3。通过两路异相宽带调制信号同时对电路进行输入，其中上支路输入的为正向信号，下支路输入的为负向信号，两路信号通过Chireix功率合成器进行整合，通过带宽拓展电路进行输出，输出的信号被负载所吸收。
带宽拓展电路3包括n个串接的微带线，n个串接的微带线的一端作为带宽拓展电路的输入端，另一端作为带宽拓展电路的输出端；n为大于等于1的整数。
Chireix功率合成器2包括两个扇形微带线和两个结构相同的直微带线；Chireix功率合成器两个扇形微带线的射频输入端分别与两个直微带线一端连接后作为Chireix功率合成器的两个输入端，两个直微带线的另一端作为Chireix功率合成器的两个输出端。Chireix功率合成器的两个输出端连接后接带宽拓展电路的输入端。带宽拓展电路的输出端接负载。
实施例一，如图3所示，Chireix功率合成器包括两个结构相同的直微带线TL1、TL2，直微带线TL1所在支路为上支路，直微带线TL2所在支路为下支路；带宽拓展电路为两个直微带线TL3、TL4串接。上支路的输出阻抗为Z1，下支路的输出阻抗为Z2，总的输出阻抗为Z3，2Z3＝Z1＝Z2。
微带线TL4为λ/4微带线，即其中ZC2是微带线TL4的特征阻抗，RL为负载，负载阻抗为50欧。微带线TL3为λ/4微带线，同理ZC1是微带线TL3的特征阻抗；得则微带线TL1为λ/4微带线，则
得出微带线TL1、TL2、TL3、TL4的特征阻抗关系满足式⑷：
两支路的输入电压公式如式⑴所示：
其中V0是电压幅度，θ是相位角。V1是上支路的输入电压，V2是下支路的输入电压；θ、V1、V2为已知量。
通过传输线理论和二端口理论，见式⑵、式⑶：
Vout为输出电压；ZC是微带线TL1、TL2的特征阻抗，I3是上支路的输出电流，I4是下支路的输出电流。
则得出输出的总电流
上下支路输入电流
则上支路的输入导纳
下支路的输入导纳
将上支路输入导纳Y1带入式⑷得到微带线TL1、TL2、TL3、TL4的特征阻抗关系。
其次计算补偿电纳调整相位，如图4所示，加入补偿电纳的输入导纳，见其中Y1′是加入补偿电纳的上支路输入导纳，Y2′是加入补偿电纳的下支路输入导纳：
其中Bcom为支路分流补偿电纳，负载阻抗为50欧。
考虑到电容电感在高频电路中的寄生效应，采用扇形微带线作为分流元件中的集总元件，即有利于扩展带宽又能够减少寄生参数的影响，增加***的性能。
传统的异相功率放大***使用的Chireix功率合成器是根据单频点设计，所以这种合成器的带宽较窄，对于WCDMA信号和LTE信号和具有一定带宽的通信信号的合成具有较大影响，从而影响整个通带内的线性度、输出功率和效率，本发明的宽带异相功率合成器的带宽拓展电路通过使用阶梯式阻抗匹配减少匹配电路的品质因素，由于其中BW为电路的带宽，f0为中心频率，从而提升电路的带宽。
如图5和6所示，从中看出，在频带内，分别使用传统的Chireix功率合成器和本发明的技术方案的异相功率放大***，使用传统的Chireix功率合成器的效率为50％-58％，输出功率为20.04W-22.5W，应用本发明的功率功率放大***效率为66％-68％，输出功率为24.08W-26.3W，其中大约增加了200MHz的带宽，也是有所拓展在使用本发明的技术方案，带宽、效率和输出功率都有一定幅度的增加，说明宽带异相功率合成器对电路的效果有所改善。
本设计通过两路异相宽带调制信号同时对电路进行输入，其中上分支输入的为正向信号，下分支输入的为负向信号，两路信号通过Chireix功率合成器进行整合，通过带宽拓展电路进行输出，输出的信号被负载所吸收。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种宽带异相功率合成器，包括开关类功率放大器、Chireix功率合成器、带宽拓展电路；其特征在于：所述的Chireix功率合成器串接在开关类功率放大器和负载之间；在Chireix功率合成器与负载之间串接带宽拓展电路；通过两路异相宽带调制信号同时对电路进行输入，其中上支路输入的为正向信号，下支路输入的为负向信号，两路信号通过Chireix功率合成器进行整合，通过带宽拓展电路进行输出，输出的信号被负载所吸收；
所述的带宽拓展电路包括n个串接的微带线，n个串接的微带线的一端作为带宽拓展电路的输入端，另一端作为带宽拓展电路的输出端；n为大于等于1的整数；
所述的Chireix功率合成器包括两个扇形微带线和两个结构相同的直微带线；Chireix功率合成器两个扇形微带线的射频输入端分别与两个直微带线一端连接后作为Chireix功率合成器的两个输入端，两个直微带线的另一端作为Chireix功率合成器的两个输出端；Chireix功率合成器的两个输出端连接后接带宽拓展电路的输入端；带宽拓展电路的输出端接负载。
2.如权利要求1所述的一种宽带异相功率合成器，其特征在于：所述的Chireix功率合成器包括两个结构相同的直微带线TL1、TL2，直微带线TL1所在支路为上支路，直微带线TL2所在支路为下支路；带宽拓展电路为两个直微带线TL3、TL4串接；上支路的输出阻抗为Z1，下支路的输出阻抗为Z2，总的输出阻抗为Z3，2Z3＝Z1＝Z2；
微带线TL4为λ/4微带线，即其中ZC2是微带线TL4的特征阻抗，RL为负载，负载阻抗为50欧；微带线TL3为λ/4微带线，同理ZC1是微带线TL3的特征阻抗；得则微带线TL1为λ/4微带线，则得出微带线TL1、TL2、TL3、TL4的特征阻抗关系满足式⑷：
Y1为上支路出入导纳。
3.如权利要求2所述的一种宽带异相功率合成器，其特征在于：所述的上支路出入导纳Y1通过下述步骤得出：
两支路的输入电压公式如式⑴所示：
其中V0是电压幅度，θ是相位角；V1是上支路的输入电压，V2是下支路的输入电压；θ、V1、V2为已知量；
通过传输线理论和二端口理论，见式⑵、式⑶：
Vout为输出电压；ZC是微带线TL1、TL2的特征阻抗，I3是上支路的输出电流，I4是下支路的输出电流；
则得出输出的总电流
上下支路输入电流
则上支路的输入导纳
下支路的输入导纳
4.如权利要求2或3所述的一种宽带异相功率合成器，其特征在于：所述的上支路输入导纳的补偿电纳下支路输入导纳的补偿电纳其中Bcom为支路分流补偿电纳，负载阻抗为50欧。
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