CN109831163A - 增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法。本发明包括两个正交耦合器、两个功率放大电路，第一正交耦合器用于将输入信号转化成两路正交信号输出。隔离电阻接在正交耦合器的隔离端使输入输出信号达到良好的隔离。经第一正交耦合器输出的信号通过两路功率放大电路进行功率放大。两路功率放大电路输出的信号再接入第二正交耦合器的输入端，随后输出给负载。在第二正交耦合器的控制端接入所需的控制信号进行可重构负载调制。本发明通过使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。
Description
技术领域
本发明属于射频通讯技术领域，涉及一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要。现代无线通信标准依赖于以高频谱效率为特征的调制信号，以便优化稀缺频谱资源的使用。从高频发射器的角度来看，这种选择导致对线性度的严格要求，同时伴随着功率放大器(PA)的信号非常高的峰均功率比(PAPR)。虽然常规功率放大器，作为组合AB类，在功率回退时显示出非常低的效率，但是广泛采用的效率增强技术如Doherty和Chireix代表的负载调制技术使其功率回退处也保持较高的效率。
但随着通信技术的快速发展，调制方式也越加地复杂，传统的Doherty和Chireix调制类功率放大器的窄带特性越来越不能满足当今无线通信***的要求，因此，急需研制出新型宽带高功率回退范围的射频功率放大器以满足当前及未来无线通信***高传输速率的要求。针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中负载调制类功率放大器的结构进行了深入的研究，申请人发现传统负载调制类功率放大器带宽受到巨大限制，这表明传统负载调制类功率放大器在保持高效率时输出功率回退宽带的范围下效果变差，已经难以满足当今第五代移动通信***宽带的要求。为了克服现有技术的缺陷，本申请使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。
发明内容
本发明的目的就是提出一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法。
本发明所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，
通过如下步骤实现：
步骤一：根据选用的晶体管的直流特性扫描曲线，选取晶体管漏极偏置电压，晶体管栅极偏置电压，使得晶体管位于线性放大状态；此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求；在此直流偏置的基础上对晶体管进行输入输出匹配电路设计；为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗，根据功率放大电路的拓扑图；选取合适的直流偏置点，设计两个标准的AB类功率放大器，并将输入输出匹配到标准的50欧姆，完成第一功率放大电路和第二功率放大电路的设计；
步骤二：采用具有宽带特性的正交耦合器作为功率放大器的一部分，实现带宽增强的功率放大器；正交耦合器为3dB定向耦合器，具有高度的对称性；输入端的功率平等地分配给两个输出端，两个输出端有90度的相位差；完成第一正交耦合器和第二正交耦合器的设计；
步骤三：将步骤二中第一正交耦合器的一个输入端接输入信号，另一输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器的两个输出端口分别与步骤一中的第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与步骤二所述的第二正交耦合器的两个输入端连接；为了完成可重构负载调制的效果，分析第二正交耦合器的等效Z矩阵得到:第一功率放大器和第二功率放大器在第二正交耦合器处的等效负载阻抗分别为ZA、ZB：
其中，Ic，ejφ分别代表控制信号的幅度和相位；Ib表示功率放大电路的电流；通过以上公式发现，通过改变控制信号的幅度Ic和相位ejφ从而调制两路功率放大器的负载阻抗ZA，ZB，进而达到功率回退处的高效率；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；完成功率放大器的设计；
步骤四：根据所需要的负载调制值来确定控制信号与输入信号的功率比；其具体过程如下：两路功率放大电路产生的功率2*PBAL为：
输出给负载的功率P1为：
控制信号的功率Pcon为：
所以，P1＝2PBAL+Pcon，即是输出给负载的总功率为两路功率放大电路的功率和控制信号功率之和；控制信号与功率放大电路传输功率的比为α：
其中Zb为功率放大器的负载阻抗ZA或者ZB；相应的反射系数ρb表示为：
通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。
根据上述方式设计的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，包括两个正交耦合器、两个功率放大电路，其特征在于：第一正交耦合器用于将输入信号转化成两路正交信号输出，第一正交耦合器的一个输入端接输入信号；另一输入端作为隔离端通过隔离电阻接地，使输入输出信号达到良好的隔离；第一正交耦合器的两个输出端口分别与第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与第二正交耦合器的两个输入端连接；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；第一正交耦合器输出的信号通过第一功率放大电路和第二功率放大电路进行功率放大；两路功率放大电路输出的信号在第二正交耦合器的控制端接入所需的控制信号进行可重构负载调制，随后信号经第二正交耦合器的输出端输出给负载；
所述的第一功率放大电路和第二功率放大电路结构相同，包括串接的输入匹配电路、功率晶体管、输出匹配电路和直流偏置电路；
所述的第一正交耦合器和第二正交耦合器结构相同，包括8段微带线，TL1、TL3、TL4、TL5、TL6和TL8微带线的阻抗分别为Z0，电长度为四分之一波长；TL2和TL7微带线的阻抗分别为电长度为四分之一波长；TL1的一端、TL2的一端与TL4的一端连接；TL3的一端、TL2的另一端与TL5的一端连接；TL6的一端、TL4的另一端与TL7的一端连接；TL8的一端、TL7的另一端与TL5的另一端连接；TL3的另一端、TL8的另一端作为正交耦合器的两个输入端，TL1的另一端、TL6的另一端作为正交耦合器的两个输出端。
所述的控制信号为矢量控制信号。
作为优选，所述的矢量控制信号比功率放大电路传输功率小6dB。
作为优选，所述的功率放大器采用晶体管实现。
作为优选，所述的隔离电阻为50欧。
通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。
本发明通过在传统的平衡类功率放大器的基础上引入矢量控制信号，通过控制信号的幅度和相位特性使构成的功率放大器具有可重构特性，并且实现宽频带的高效率功率回退。通过使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为功率放大电路的拓扑图；
图3为图1中正交耦合器具体原理图；
图4晶体管的直流特性扫描曲线；
图5为实施例中利用ADS软件模拟的仿真数据图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，通过如下步骤实现：
步骤一：根据选用的晶体管(如CGH40010F GaN HEMT)利用如图4所示的直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压28V，栅极偏置电压-2.7V使得晶体管位于线性放大状态。此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求。在此直流偏置的基础上对晶体管进行输入输出匹配电路设计。为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计。将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗50欧姆，功率放大电路的拓扑图如图2所示。选取合适的直流偏置点，设计两个标准的AB类功率放大器，并将输入输出匹配到标准的50欧姆，完成第一功率放大电路D1，第一功率放大电路D2的设计；
步骤二：为了实现带宽增强的功率放大器，本发明采用了具有宽带特性的正交耦合器作为功率放大器的一部分。如图3所示，正交耦合器是由8段微带线构成的耦合器结构，TL1，TL3，TL4，TL5，TL6和TL8微带线的阻抗分别为Z0，电长度为四分之一波长。TL2和TL7微带线的阻抗分别为电长度为四分之一波长。根据上述参数调试使得正交耦合器的输出端(如端口3)的功率比输入端(如端口1)的功率小3dB时，且输出端口(如端口2、3)的相位相差90度。完成第一正交耦合器U1和第二正交耦合器U2的设计；I1、V1为从端口1看进去的等效电流和电压，标准的正交耦合器的等效Z矩阵可以表示为：
其中，Z0是从端口1看进去的等效阻抗。
步骤三：将步骤二中第一正交耦合器U1的一个输入端接输入信号，另一输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器U1的两个输出端口分别与步骤一中的第一功率放大电路D1，第二功率放大电路D2的输入端相连；将第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的输出端与步骤二所述的第二正交耦合器U2的两个输入端连接；为了完成可重构负载调制的效果，分析第二正交耦合器U2的等效Z矩阵得到:第一功率放大器D1和第二功率放大器D2在第二正交耦合器U2处的等效负载阻抗分别为ZA、ZB：
其中，Ic，ejφ分别代表控制信号的幅度和相位；Ib表示功率放大电路的电流；通过以上公式发现，通过改变控制信号的幅度Ic和相位ejφ从而调制两路功率放大器的负载阻抗ZA，ZB，进而达到功率回退处的高效率；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；完成功率放大器的设计；
步骤四：根据所需要的负载调制值来确定控制信号与输入信号的功率比；其具体过程如下：两路功率放大电路产生的功率2*PBAL为：
输出给负载的功率P1为：
控制信号的功率Pcon为：
所以，P1＝2PBAL+Pcon，即是输出给负载的总功率为两路功率放大电路的功率和控制信号功率之和；控制信号与功率放大电路传输功率的比为α：
其中Zb为功率放大器的负载阻抗ZA或者ZB；相应的反射系数ρb表示为：
通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。例如要实现将50欧姆调制到25欧姆，即需要的功率比α为1/4。
按照以上步骤进行，即可实现一个完整的带宽增强的可重构负载调制类功率放大器。如图1所示，一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，包括两个正交耦合器、两个功率放大电路，第一正交耦合器U1用于将输入信号转化成两路正交信号输出。隔离电阻接在第一正交耦合器U1的隔离端，使输入输出信号达到良好的隔离。经第一正交耦合器U1输出的信号通过第一功率放大电路D1和第二功率放大电路D2进行功率放大。两路功率放大电路输出的信号再接入第二正交耦合器U2的输入端，在第二正交耦合器U2的隔离端接入所需的控制信号进行可重构负载调制，随后信号经第二正交耦合器U2的输出端输出给负载；
所述第一功率放大电路D1和第二功率放大电路D2均包括串接的输入匹配电路、功率晶体管、输出匹配电路和直流偏置电路；
所述第一正交耦合器U1和第二正交耦合器U2均为3dB定向耦合器，具有高度的对称性，任意端口都可作为输入端口，如端口1作为输入端口，输出端口位于输入端口相反的一侧则为端口2、3，而隔离端位于输入端一侧剩下的端口则为端口4；输入端口1的功率平等地分配给两个输出端口2、端口3，两个输出端口2、端口3之间有90度的相位差。
功率放大器A，B均为AB类功率放大器；控制信号端外接矢量控制信号；功率放大器采用晶体管实现。隔离电阻为50欧。矢量控制信号比功率放大电路传输功率小6dB。
通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。例如要实现将50欧姆调制到25欧姆，即需要的功率比α为1/4。
相对现有技术，本发明通过使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。实现了可根据功率回退范围选取负载阻抗的调制范围，进而选择合适的控制信号与输入信号的功率比。又因为正交耦合器和此种外加控制信号的负载调制类方法的具有良好的宽带特性，故可实现带宽增强的可重构负载调制类功率放大器。
如图5所示，为利用ADS软件基于本发明的方法模拟的仿真数据图，由模拟结果可知，当取α为1/4时，该带宽增强的可重构负载调制类功率放大器，在0.8GHz-2GHz的频带范围内实现了6dB的高效率功率回退，远远大于传统Doherty和Chiriex等负载调制类功放的6dB功率回退范围。
Claims (7)
1.一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，其特征在于：通过如下步骤实现：
步骤一：根据选用的晶体管的直流特性扫描曲线，选取晶体管漏极偏置电压，晶体管栅极偏置电压，使得晶体管位于线性放大状态；此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求；在此直流偏置的基础上对晶体管进行输入输出匹配电路设计；为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗，根据功率放大电路的拓扑图；选取合适的直流偏置点，设计两个标准的AB类功率放大器，并将输入输出匹配到标准的50欧姆，完成第一功率放大电路和第二功率放大电路的设计；
步骤二：采用具有宽带特性的正交耦合器作为功率放大器的一部分，实现带宽增强的功率放大器；正交耦合器为3dB定向耦合器，具有高度的对称性；输入端的功率平等地分配给两个输出端，两个输出端有90度的相位差；完成第一正交耦合器和第二正交耦合器的设计；
步骤三：将步骤二中第一正交耦合器的一个输入端接输入信号，另一输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器的两个输出端口分别与步骤一中的第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与步骤二所述的第二正交耦合器的两个输入端连接；为了完成可重构负载调制的效果，分析第二正交耦合器的等效Z矩阵得到:第一功率放大器和第二功率放大器在第二正交耦合器处的等效负载阻抗分别为ZA、ZB：
其中，Ic，ejφ分别代表控制信号的幅度和相位；Ib表示功率放大电路的电流；通过以上公式发现，通过改变控制信号的幅度Ic和相位ejφ从而调制两路功率放大器的负载阻抗ZA，ZB，进而达到功率回退处的高效率；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；完成功率放大器的设计；
步骤四：根据所需要的负载调制值来确定控制信号与输入信号的功率比；其具体过程如下：两路功率放大电路产生的功率2*PBAL为：
输出给负载的功率P1为：
控制信号的功率Pcon为：
所以，P1＝2PBAL+Pcon，即是输出给负载的总功率为两路功率放大电路的功率和控制信号功率之和；控制信号与功率放大电路传输功率的比为α：
其中Zb为功率放大器的负载阻抗ZA或者ZB；相应的反射系数ρb表示为：
通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。
2.一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，包括两个正交耦合器、两个功率放大电路，其特征在于：第一正交耦合器用于将输入信号转化成两路正交信号输出，第一正交耦合器的一个输入端接输入信号；另一输入端作为隔离端通过隔离电阻接地，使输入输出信号达到良好的隔离；第一正交耦合器的两个输出端口分别与第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与第二正交耦合器的两个输入端连接；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；第一正交耦合器输出的信号通过第一功率放大电路和第二功率放大电路进行功率放大；两路功率放大电路输出的信号在第二正交耦合器的控制端接入所需的控制信号进行可重构负载调制，随后信号经第二正交耦合器的输出端输出给负载；
所述的第一功率放大电路和第二功率放大电路结构相同，包括串接的输入匹配电路、功率晶体管、输出匹配电路和直流偏置电路；
所述的第一正交耦合器和第二正交耦合器结构相同，包括8段微带线，TL1、TL3、TL4、TL5、TL6和TL8微带线的阻抗分别为Z0，电长度为四分之一波长；TL2和TL7微带线的阻抗分别为电长度为四分之一波长；TL1的一端、TL2的一端与TL4的一端连接；TL3的一端、TL2的另一端与TL5的一端连接；TL6的一端、TL4的另一端与TL7的一端连接；TL8的一端、TL7的另一端与TL5的另一端连接；TL3的另一端、TL8的另一端作为正交耦合器的两个输入端，TL1的另一端、TL6的另一端作为正交耦合器的两个输出端。
3.如权利要求2所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，其特征在于：所述的控制信号为矢量控制信号。
4.如权利要求3所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，其特征在于：所述的矢量控制信号比功率放大电路传输功率小6dB。
5.如权利要求2所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，其特征在于：所述的功率放大器采用晶体管实现。
6.如权利要求2所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，其特征在于：所述的隔离电阻为50欧。
7.如权利要求2所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，其特征在于：通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20190531 |
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