CN109889162B - 一种自输入控制的负载调制类功率放大器及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自输入控制的负载调制类功率放大器及其实现方法，本发明第三正交耦合器将输入信号均分为两路。第一正交耦合器将一路输出信号通过功率放大电路转化成两路正交信号输出，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后输出给负载。在第二正交耦合器的隔离端接入所需的控制信号进行负载调制的目的。控制信号通过将另一路输出信号进行相位调整和功率放大来实现。本发明通过使用正交耦合器引入控制信号来实现的负载调制类功率放大器，并且该控制信号由输入信号通过控制信号产生电路根据需求产生所需的幅度和相位的控制信号，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功率回退范围内的效率。
Description
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，涉及一种自输入控制的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)的信号的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。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
本发明的目的就是提供一种自输入控制的负载调制类功率放大器及其实现方法。
本发明所述的一种自输入控制的负载调制类功率放大器的实现方法，具体包括如下步骤：
步骤一：根据选用的晶体管直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压，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50欧姆，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D1和第二功率放大电路D2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U1、第二正交耦合器U2和第三正交耦合器U3的设计。
步骤三：为了实现自输入控制的功率放大器，将第三正交耦合器U3作为功分器，第三正交耦合器U3的一个输入端接输入信号，第三正交耦合器U3的另一输入端通过隔离电阻接地，第三正交耦合器U3的两个输出端分别接信号控制支路和功率放大电路的输入端，实现输入信号等功率地输出到功率放大模块和信号控制模块；
步骤四：将第一正交耦合器U1的一个输入端作为功率放大模块的输入端，功率放大模块的输入端接步骤三中第一正交耦合器U3的一个输出端，第一正交耦合器U1的另一个输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器U1的两个输出端分别与步骤一所述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。将第二正交耦合器U2的两个输入端分别接第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的输出端，第二正交耦合器U2的一个输出端输出信号给负载，第二正交耦合器U2的另一输出端作为控制端接入控制信号。完成功率放大模块的设计。
步骤五：第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2相应的反射系数表示为：
其中Zb为功率放大器的负载阻抗，α为控制信号与功率放大电路传输信号的功率比。通过改变α来实现第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的负载调制。
步骤六、根据晶体管的直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压，栅极偏置电压，使晶体管提前进入饱和状态。调试一个比步骤一中第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2提前饱和的功率放大电路第三功率放大电路D3，以达到控制信号幅度调整的目的；
步骤七：在第三正交耦合器U3与步骤六中第三功率放大电路D3输入端之间***相位调谐电路达到控制信号相位调整的目的。第三功率放大电路D3的隔离端通过隔离电阻接地，第三功率放大电路D3的一个输出端作为信号控制模块的信号输出端输出控制信号，将信号控制电路输出的信号接入到第二正交耦合器U2的另一输出端；得到一种自输入控制的负载调制类功率放大器。
根据上述方式实现的一种自输入控制的负载调制类功率放大器，包括三个正交耦合器、三个功率放大电路和相位调谐电路，其特征在于：所述的第三正交耦合器作为功分器用于将输入信号均分给功率放大模块和信号控制模块；第三正交耦合器的一个输入端接输入信号，第三正交耦合器的另一输入端通过隔离电阻接地；隔离电阻接在正交耦合器隔离端使输入输出信号达到良好的隔离。第三正交耦合器的两个输出端分别接功率放大模块和信号控制模块；
所述的功率放大模块包括第一功率放大电路、第二功率放大电路、第一正交耦合器和第二正交耦合器；第一正交耦合器用于将第三正交耦合器输出给功率放大模块的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第三正交耦合器的一个输出端，第一正交耦合器的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分别接第一功率放大电路、第二功率放大电路的输入端；第一正交耦合器输出的信号通过第一功率放大电路、第二功率放大电路进行功率放大。第一功率放大电路、第二功率放大电路的输出端分别接第二正交耦合器的两个输入端，将两路功率放大电路输出的信号接入第二正交耦合器；第二正交耦合器的一个输出端将输出信号输出给负载。
所述的信号控制模块包括相位调谐器和第三功率放大电路；第三正交耦合器的另一输出端通过相位调谐器接第三功率放大电路的输入端，第三功率放大电路的输出端接第二正交耦合器的另一输出端，作为控制信号进行可重构负载调制。
所述的三个功率放大电路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；第三功率放大电路晶体管的导通角大于第一功率放大电路、第二功率放大电路晶体管的导通角。
所述的三个正交耦合器为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，输出端口位于输入端口相反的一侧，而隔离端位于输入端一侧剩下的端口；输入的功率对等地分配给两个输出端口，两个输出端口之间有90度的相移，没有功率耦合到隔离端。
所述的第一正交耦合器、第二正交耦合器和第三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。
作为优选，所述的控制信号为矢量控制信号。
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，同时该控制信号是由输入信号根据要求产生，不需额外引入无关信号，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中正交耦合器的原理图；
图4为晶体管的直流特性扫描曲线；
图5为本发明中控制信号幅度和相位与功率放大电路的反射系数关系示意图；
图6为本发明中控制信号幅度产生原理示意图；
图7为利用ADS软件模拟本发明的仿真数据图。
具体实施方式
如图1所示,一种自输入控制的负载调制类功率放大器的实现方法，具体包括如下步骤：
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和第二功率放大电路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、第二正交耦合器U2和第三正交耦合器U3的设计。
步骤三：为了实现自输入控制的功率放大器，将第三正交耦合器U3作为功分器，第三正交耦合器U3的端口1接输入信号，第三正交耦合器U3的端口4接隔离电阻，第三正交耦合器U3的端口2、3分别接信号控制支路和功率放大电路的输入端，实现输入信号等功率地输出到功率放大模块和信号控制模块；
步骤四：将第一正交耦合器U1的端口1作为功率放大模块的输入端，即第一正交耦合器U1的端口1接第三正交耦合器U3的端口3，第一正交耦合器U1的端口4接隔离电阻，第一正交耦合器U1的端口2、3作为输出端分别与步骤一所述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。
将第二正交耦合器U2的端口1、端口4作为输入端，第二正交耦合器U2的端口1和端口4分别接第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的输出端，第二正交耦合器U2的端口3输出信号给负载，第二正交耦合器U2的端口2作为控制端接入控制信号。完成功率放大模块的设计。
步骤五：第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2相应的反射系数表示为：
其中Zb为功率放大器的负载阻抗，α为控制信号与功率放大电路传输信号的功率比。通过改变α来实现第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2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。
步骤六、如图5所示，增加控制信号功率|Pctrl|就可以增加反射系数幅度(|Γ|)。注意到|Pctrl|只需要相对于Pin减少，而不是绝对意义上。为了实现这种关系，本发明引入了具有非线性输入-输出特性的“控制”第三功率放大电路D3，其输入-输出特性如图6所示。第三功率放大电路D3设计为在较低功率下饱和，因此相对控制功率Prel(相对于第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的输出功率电平)根据需要随输入驱动的减小而减小。以这种方式，与单独的外加驱动信号相比，输入信号产生的控制信号导致的第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的负载调制，将使得整体效率提高。因此，第三功率放大电路D3晶体管的导通角应该大于第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2。根据图4的晶体管的直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压28V，栅极偏置电压-2.0V，以使晶体管提前进入饱和状态。调试完成一个比步骤一中第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2提前饱和的功率放大电路第三功率放大电路D3，以达到控制信号幅度调整的目的；
步骤七：在第三正交耦合器U3与步骤六中第三功率放大电路D3输入端之间***相位调谐电路达到控制信号相位调整的目的。第三功率放大电路D3的隔离端接隔离电阻，第三功率放大电路D3的输出端作为信号控制模块的信号输出端输出控制信号，将信号控制电路输出的信号接入到第二正交耦合器U2的端口2；得到一种自输入控制的负载调制类功率放大器。
如图5所示，增大控制信号的相位Φ就可以使反射系数Γ在史密斯圆图中逆时针旋转。控制信号相对于第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2输出信号的相位对于确保阻抗轨迹与第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2的峰值功率附加效率(PAE)阻抗点相交是至关重要的。在本发明中，在输入信号到控制功率放大电路之前***相位调谐器，来调整控制信号的相位，使得图6中的第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2负载阻抗轨迹发生变化，达到最大功率附加效率(PAE)阻抗点。
如图1所示，一种自输入控制的负载调制类功率放大器，包括三个正交耦合器、三个功率放大电路和相位调谐电路，第三正交耦合器U3作为功分器用于将输入信号均分给功率放大模块和信号控制模块。所述的信号控制模块包括相位调谐器和第三功率放大电路D3；功率放大模块包括第一功率放大电路D1、第二功率放大电路D2、第一正交耦合器U1和第二正交耦合器U2。
第一正交耦合器U1用于将第三正交耦合器U3输出给功率放大模块的信号转化成两路正交信号输出。隔离电阻接在正交耦合器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、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，第二正交耦合器U2输出端将输出信号输出给负载。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的目的。
如图2所示，所述的三个功率放大电路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；第三功率放大电路晶体管的导通角大于第一功率放大电路、第二功率放大电路晶体管的导通角。
所述正交耦合器为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，输出端口位于输入端口相反的一侧，而隔离端位于输入端一侧剩下的端口；输入的功率对等地分配给两个输出端口，两个输出端口之间有90度的相移，没有功率耦合到隔离端。
功率放大器为AB类功率放大器，功率放大器采用晶体管实现。隔离电阻为50欧。控制信号产生电路根据需求产生矢量控制信号。
相对现有技术，本发明通过使用正交耦合器引入控制信号来实现的负载调制类功率放大器，并且该控制信号由输入信号通过控制信号产生电路根据需求产生所需的幅度和相位的控制信号，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，随输入信号变化而变化的控制信号的幅度和相位。又因为正交耦合器结合控制信号的负载调制类方法的具有良好的宽带特性，同时，此种通过自输入信号产生控制信号的方式提高了整体功放的效率，故可实现自输入控制的宽带高效率负载调制类功率放大器。
如图7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，该自输入控制的负载调制类功率放大器，在1.8GHz-3.8GHz宽频带范围内实现了6dB的高效率功率回退，大于传统Doherty和Chiriex等负载调制类功放的6dB功率回退处的效率。
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 (5)
1.一种自输入控制的负载调制类功率放大器的实现方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一：根据选用的晶体管直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压，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50欧姆，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D1和第二功率放大电路D2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、第二正交耦合器和第三正交耦合器的设计；
步骤三：为了实现自输入控制的功率放大器，将第三正交耦合器作为功分器，第三正交耦合器的一个输入端接输入信号，第三正交耦合器的另一输入端通过隔离电阻接地，第三正交耦合器的两个输出端分别接信号控制支路和功率放大电路的输入端，实现输入信号等功率地输出到功率放大模块和信号控制模块；
步骤四：将第一正交耦合器的一个输入端作为功率放大模块的输入端，功率放大模块的输入端接步骤三中第一正交耦合器的一个输出端，第一正交耦合器的另一个输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器的两个输出端分别与步骤一所述的第一功率放大电路、第二功率放大电路的输入端相连；将第二正交耦合器的两个输入端分别接第一功率放大电路、第二功率放大电路的输出端，第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，第二正交耦合器的另一输出端作为控制端接入控制信号；完成功率放大模块的设计；
步骤五：第一功率放大电路、第二功率放大电路相应的反射系数表示为：
其中Zb为功率放大器的负载阻抗，α为控制信号与功率放大电路传输信号的功率比；通过改变α来实现第一功率放大电路D1、第二功率放大电路的负载调制；
步骤六、根据晶体管的直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压，栅极偏置电压，使晶体管提前进入饱和状态；调试一个比步骤一中第一功率放大电路、第二功率放大电路提前饱和的功率放大电路第三功率放大电路，以达到控制信号幅度调整的目的；
步骤七：在第三正交耦合器与步骤六中第三功率放大电路输入端之间***相位调谐电路达到控制信号相位调整的目的；第三功率放大电路的隔离端通过隔离电阻接地，第三功率放大电路的一个输出端作为信号控制模块的信号输出端输出控制信号，将信号控制电路输出的信号接入到第二正交耦合器的另一输出端；得到一种自输入控制的负载调制类功率放大器。
2.一种自输入控制的负载调制类功率放大器，包括第一正交耦合器、第二正交耦合器、第三正交耦合器、三个功率放大电路和相位调谐电路，其特征在于：所述的第三正交耦合器作为功分器用于将输入信号均分给功率放大模块和信号控制模块；第三正交耦合器的一个输入端接输入信号，第三正交耦合器的另一输入端通过隔离电阻接地；隔离电阻接在正交耦合器隔离端使输入输出信号达到良好的隔离；第三正交耦合器的两个输出端分别接功率放大模块和信号控制模块；
所述的功率放大模块包括第一功率放大电路、第二功率放大电路、第一正交耦合器和第二正交耦合器；第一正交耦合器用于将第三正交耦合器输出给功率放大模块的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第三正交耦合器的一个输出端，第一正交耦合器的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分别接第一功率放大电路、第二功率放大电路的输入端；第一正交耦合器输出的信号通过第一功率放大电路、第二功率放大电路进行功率放大；第一功率放大电路、第二功率放大电路的输出端分别接第二正交耦合器的两个输入端，将两路功率放大电路输出的信号接入第二正交耦合器；第二正交耦合器的一个输出端将输出信号输出给负载；
所述的信号控制模块包括相位调谐器和第三功率放大电路；第三正交耦合器的另一输出端通过相位调谐器接第三功率放大电路的输入端，第三功率放大电路的输出端接第二正交耦合器的另一输出端，作为控制信号进行可重构负载调制；
所述的三个功率放大电路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；第三功率放大电路晶体管的导通角大于第一功率放大电路、第二功率放大电路晶体管的导通角；
所述的三个正交耦合器为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，输出端口位于输入端口相反的一侧，而隔离端位于输入端一侧剩下的端口；输入的功率对等地分配给两个输出端口，两个输出端口之间有90度的相移，没有功率耦合到隔离端。
3.如权利要求2所述的一种自输入控制的负载调制类功率放大器，其特征在于：所述的第一正交耦合器、第二正交耦合器和第三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。
4.如权利要求2所述的一种自输入控制的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。
5.如权利要求2所述的一种自输入控制的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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