CN109981055B - 一种分路谐波控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分路谐波控制电路，包括功分器模块、第一谐波控制回路、第二谐波控制回路和基波匹配模块，其中，所述功分器模块与功放输出端相连接，用于将功率信号分为两路输出；所述第一谐波控制回路与所述功分器模块的一输出端相连接，至少设置第一谐波抑制模块、第一谐波控制模块和第一阻抗调节模块，所述第一谐波抑制模块用于保留三次谐波并滤除其他的谐波；第一谐波控制模块用于控制三次谐波；所述第一阻抗调节模块用于对第二谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块。采用本发明的技术方案，能够减小电路和电压波形和理想值的差距，从而提高功率放大的效率。

Description

一种分路谐波控制电路
技术领域
本发明属于谐波控制匹配技术领域，涉及一种分路谐波控制电路,用于晶体管漏级阻抗匹配到负载阻抗(输出匹配网络)，提高功率放大器的效率。
背景技术
随着5G技术的不断发展，对于功率放大技术要求越来越高，既要保证设计体积小，又要保证其工作性能。因此功率放大器要想在小体积的同时提高设备的性能，毋庸置疑需要提高本身的效率。而要提高功率放大器的效率，就要设计优异的谐波控制匹配电路，所以如何设计出优异的功率放大器匹配电路成为了研究的热点。
对于常见的功率放大器匹配电路，要想提高效率需要对谐波进行控制，通常是控制二次谐波和三次谐波，三次以上谐波控制实际意义不大，影响小反而增加了损耗；而大多是采用传统的同时控制谐波或者滤波器来实现电压、电流波形,传统设计框图如图1所示。但是这种传统的谐波电路方式，在阻抗层面需要同时控制每个谐波控制模块，这势必会互相影响，而且电路设计也无法做到简洁、高效，难以保证各高次谐波能控制到理想的状态，限制了效率的提高。
故，针对上述这种问题，有必要深入研究，提供一种更加精确的谐波控制方式来进一步提高功率放大器的效率。
发明内容
针对现有技术存在的技术缺陷，本发明提出一种分路谐波控制电路，通过谐波分路来实现更加精确的谐波控制，从而能够提高功率放大器的效率。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种分路谐波控制电路，包括功分器模块、第一谐波控制回路、第二谐波控制回路和基波匹配模块，其中，
所述功分器模块与功放输出端相连接，用于将功率信号分为两路输出；
所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路之间设置隔离电阻；
所述第一谐波控制回路与所述功分器模块的一输出端相连接，至少设置第一谐波抑制模块、第一谐波控制模块和第一阻抗调节模块，所述第一谐波抑制模块用于保留三次谐波并滤除其他的谐波；第一谐波控制模块用于控制三次谐波；所述第一阻抗调节模块用于对第二谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块；
所述第二谐波控制回路与所述功分器模块的另一输出端相连接，至少设置第二谐波抑制模块、第二谐波控制模块和第二阻抗调节模块，所述第二谐波抑制模块用于保留二次谐波并滤除其他的谐波；第二谐波控制模块用于控制二次谐波；所述第二阻抗调节模块用于对第二谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块；
所述基波匹配模块与所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路相连接，用于将功率输出给负载。
作为进一步的改进方案，所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路集成设计在功分器模块中。
作为进一步的改进方案，所述功分器模块为等分功分器，采用威尔金森功分器。
作为进一步的改进方案，所述第一谐波抑制模块进一步包括其微带传输线Z1、Z2、Z3相串接。
作为进一步的改进方案，所述第一谐波控制模块进一步包括其微带传输线Z6、Z7相并接。
作为进一步的改进方案，所述第一阻抗调节模块进一步包括其微带传输线Z10、Z12相串接。
作为进一步的改进方案，所述第二谐波抑制模块进一步包括其微带传输线Z4、Z5相串联。
作为进一步的改进方案，所述第二谐波控制模块进一步包括其微带传输线Z8、Z9相并接。
作为进一步的改进方案，所述第二阻抗调节模块进一步包括其微带传输线Z10、Z13相串接。
作为进一步的改进方案，所述的基波匹配模块采用T型阻抗匹配，至少包括微带线Z14、微带线Z15、微带线Z16和微带线Z17，其中，所述微带线Z15和微带线Z17串联后与所述微带线Z16并接；所述微带线Z14用于基波阻抗调节。
上述技术方案中，功率信号从输入端输入，功分器将信号等分，两路信号分别经过相连接的谐波抑制网络和谐波控制网络，接着谐波控制网络和负载调制网络相连接，负载调制后和基波阻抗匹配网络相连接，通过基波阻抗匹配网络减小传输损耗将功率输出给负载。相对于现有技术，本发明不再是一路同时控制谐波开路和短路，而是一路控制谐波信号开路，另一路控制谐波信号短路。由于在F类功率放大器中，谐波的短路和开路直接同时控制了半正弦波电流和方波电压的波形，所以减小了谐波控制的相互干扰，就能够减小电路和电压波形和理想值的差距，这样就能够提高功率放大的效率。
作为优选的，功分器模块是一个大模块，它包括谐波抑制模块，谐波控制模块，阻抗调节模块。也即将功分器和谐波控制回路一体设计，从而保证整体损耗较小。
所述的谐波抑制模块包括两个部分，第一个部分是二次谐波抑制电路。它包括Z1,Z2,Z3三段微带线相串联，微带线Z3一端为开路，如图4所示。当信号输入时，而二次谐波在经过Z1,Z2,Z3三段微带线时被抑制掉，而要实现二次谐波抑制，在工作频率为f0时，Zin1在f＝2f0要满足式(1)，剩下了基波和三次谐波。具体计算公式如下：
其中
谐波抑制模块第二个部分是二次谐波抑制，和第一部分类似，它包括Z4，Z5两端段微带线相串联，微带线Z5一端为开路，如图5所示。当输入信号输入时，三次谐波被抑制，因此两端在f＝3f0处微带线要满足(4)，剩下基波和二次谐波。具体计算公式如下：
其中
所叙述的谐波控制模块包括两个部分，第一部分是三次谐波开路控制部分，它包括Z6,Z7两端微带线相互并联，微带线Z7一端为开路，如图4所示。为保证三次谐波开路，先要让其在A点实现短路，所以需要满足公式(6)，在并联一段的微带线，根据微带线的特性可以让三次谐波开路。
其中θ11＝βl11
谐波控制电路第二部分为二次谐波短路控制部分，它包括Z8,Z9相并联，微带线Z9一端为开路，如图5所示。为保证二次谐波开路，先让其在B点实现短路，所以需要满足公式(7)，在并联一段的微带线，根据微带线的特性可以让二次谐波短路。
其中
以上两个核心设计完成之后，为了更好的减少损耗，根据常规功分器都会有一个的传输线，所以通过计算来将谐波抑制模块，谐波控制模块，以及调节模块设计成等效的/>传输线。根据/>传输线阻抗特性有公式(10)。所以根据传输线矩阵公式可以计算得出对应微带线的阻值和电长度。
而总体的功分放大模块由于两路都是所以在计算上基本一致，首先根据图4所示，将虚线框中微带线看做一个整体，所以设为一个矩阵，如矩阵式(9)所示：
根据之前所阐述的微带线理论，假设漏级阻抗已知，波长阻抗自由设置Z0,所计算出的ZL用于后面的基波匹配。因此，Z0已知的情况下，将阻抗调节微带线Z10,Z11,Z12和之前的谐波电路一同算入功分器，其中阻抗调节模块微带线Z10,Z12相串联。就可以在频率为f0条件下通过微带矩阵运算得出微带线的数值，具体计算矩阵如(10)、(11)、(12)所示：
其中θ1＝βl1,θ6＝βl6,θ7＝βl7,θ10＝βl10,θ12＝βl12
第二路功分模块如图5所示，虚线框中微带线先看做一个整体，如矩阵式(13)所示：
在频率为f0条件下，将阻抗调节微带线Z10,Z11,Z13和之前的谐波电路一同算入功分器，其中阻抗调节模块微带线Z10，Z13相串联，通过矩阵计算可以得出第二路微带线的参数，如矩阵式(14),(15),(16)所示。
其中θ4＝βl4,θ8＝βl8,θ9＝βl9,θ13＝βl13
按照以上两路矩阵算式能够得出每一段微带线的具体值，再结合之前谐波抑制和谐波控制模块所计算的数值，能够将谐波匹配模块设计完成。最后用一个隔离电阻将两路信号隔开，避免相互影响。
所叙述的基波匹配模块采用常见的T型阻抗匹配，让整个电路匹配。匹配方式采用传统的smith原图匹配法就能将Zout匹配到目标阻抗ZL，其中Z14为基波阻抗调节，然后微带线Z15和Z17串联最后并上Z16，基波匹模块如图6所示。而所匹配出来的电路满足式(19)，(20),(21),(22)。
其中θ14＝βl14,θ15＝βl15,θ16＝βl16,θ17＝βl17
通过原理分析，本发明能够区别于常规匹配电路，通过谐波分路来实现更加精确的谐波控制，从而能够提高功率放大器的效率。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：通过分路控制的方法，使得的谐波控制可以进行独立控制，由于在功放谐波控制实质是对漏级电压和电流控制，为了提高F功率放大器的效率，需要尽可能保证电压和电流不重叠，这样是因为功率损耗是电压和电流的乘积，当乘积为零时，即理想状态损耗为零。分开控制让谐波相互干扰减小，进而减小了电压和电流的重叠面积，减小损耗，所以能够提高功率的效率。
附图说明
图1是传统谐波控制电路原理框图。
图2是本发明中谐波控制电路原理框图。
图3是本发明中集成设计电路原理框图
图4是本发明中谐波上路模块示意图。
图5是本发明中谐波控制下路模块示意图。
图6是本发明中基波匹配模块示意图。
图7是本发明中整体电路结构示意图。
图8是本发明中仿真结果示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本方案做进一步阐述。但本发明并不限于这些实施例。
参见图2，所示为本发明一种分路谐波控制电路的原理框图，包括功分器模块、第一谐波控制回路、第二谐波控制回路和基波匹配模块，其中，
所述功分器模块与功放输出端相连接，用于将功率信号分为两路输出；
所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路之间设置隔离电阻；
所述第一谐波控制回路与所述功分器模块的一输出端相连接，至少设置第一谐波抑制模块、第一谐波控制模块和第一阻抗调节模块，所述第一谐波抑制模块用于保留三次谐波并滤除其他的谐波；第一谐波控制模块用于控制三次谐波；所述第一阻抗调节模块用于对第二谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块；
所述第二谐波控制回路与所述功分器模块的另一输出端相连接，至少设置第二谐波抑制模块、第二谐波控制模块和第二阻抗调节模块，所述第二谐波抑制模块用于保留二次谐波并滤除其他的谐波；第二谐波控制模块用于控制二次谐波；所述第二阻抗调节模块用于对第二谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块；
所述基波匹配模块与所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路相连接，用于将功率输出给负载。
上述技术方案中，通过分路控制的方法，使得的谐波控制可以进行独立控制，由于在功放谐波控制实质是对漏级电压和电流控制，为了提高F功率放大器的效率，需要尽可能保证电压和电流不重叠，这样是因为功率损耗是电压和电流的乘积，当乘积为零时，即理想状态损耗为零。分开控制让谐波相互干扰减小，进而减小了电压和电流的重叠面积，减小损耗，所以能够提高功率的效率。
参见图3，所示为本发明一种优选实施方式的原理框图，第一谐波控制回路和第二谐波控制回路集成设计在功分器模块中。通过将功分器和谐波控制回路一体设计，从而保证整体损耗较小。
以下详述本发明分路谐波控制电路的设计过程：
先要求本电路的中心频率f0＝1.5Gz，在设计的同时需要借助ADS辅助软件，通过仿真得到基波阻抗、二次谐波阻抗、三次谐波阻抗分别为Zin＝20.74+j*11.68，Zin(2f0)＝20.49+j*3.77，Zin(3f0)＝9.57+j*5.42。其谐波控制匹配电路通过如下步骤实现：
步骤一：设计二次谐波抑制电路，因为Z11为阻抗调节模块，由此可以选择自由设置，因此为保证在能起到阻抗调节有不产生负效果尽量设置成短且宽的微带线。同时在设计二次谐波抑制只需要满足公式(23)、(24)、(25)再通过ADS调试Z1，Z2，Z3，L1，L2，L3，就能实现在二次谐波处抑制。然后用ADS转换工具将阻抗Z转换成宽度W，最终得到W1＝4.96mm，L1＝9.05mm，W2＝3.54mm，L2＝4.68mm，W3＝2.40mm，L3＝4.39mm，W11＝6.96mm，L11＝1.26mm。
步骤二：设计三次谐波抑制电路，负载牵引得到的Zin(3f0)，公式(27)，(28)，(29)以及之前所自由设置的Z11的宽度和长度。通过ADS调试与转换工具最终得到W4＝8.38mm，L4＝7.72mm，W5＝7.53mm，L5＝6.2mm。
步骤三：设计三次谐波开路和二次谐波短路，按照上述分析，通过公式(30)，(31),(32),(33)算出对应阻值，然后通过ADS阻抗转换工具得到W6＝2.11mm，L6＝8.76mm，W7＝4.58mm，L7＝8.34mm，W8＝7.15mm，L8＝10.24mm，W9＝6.675mm，L9＝1.07mm。
步骤四：结合上述电路模块以及阻抗调节模块设计功分器整体电路，此处计算均是在频率为f0条件下进行计算，已知基波阻抗，Zin＝20.74+j*11.68，Z0自由设置，设置的时候注意考虑到Z0会影响基波匹配时阻抗，这里设置Z0＝30Ω，通过矩阵公式，ADS阻抗转换工具以及微调后最终得到W10＝4.11mm，L10＝3.82mm，W12＝6.29mm，L12＝8.48mm，W13＝4.01mm，L13＝6.77mm。隔离电阻R＝50Ω。
其中
其中
步骤五：设计基波匹配模块，基波匹配前由于功分设计等效为了传输线，Z0已设，根据公式(40)可以得出Zout＝32.76-j*18.45，ZL＝50Ω然后按照式(41)，(42)，(43)，(44)，然后经过ADS转换工具以及微调后最终得到W14＝2.49mm，L14＝3.25，W15＝1.07mm，L15＝2.21mm，W16＝2.11mm，L16＝7.15mm，W17＝4.88mm，L17＝6.48mm。
根据以上所叙述的理论，通过ADS进行电路仿真，其仿真结果如图8，可以看出在输入接近饱和时，效率已经达到87％以上。
以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对应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的改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。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 (8)

1.一种分路谐波控制电路，其特征在于，包括功分器模块、第一谐波控制回路、第二谐波控制回路和基波匹配模块，其中，
所述功分器模块与功放输出端相连接，用于将功率信号分为两路输出；
所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路之间设置隔离电阻；
所述第一谐波控制回路与所述功分器模块的一输出端相连接，至少设置第一谐波抑制模块、第一谐波控制模块和第一阻抗调节模块，所述第一谐波抑制模块用于保留三次谐波并滤除其他的谐波；第一谐波控制模块用于控制三次谐波；所述第一阻抗调节模块用于对第一谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块；
所述第二谐波控制回路与所述功分器模块的另一输出端相连接，至少设置第二谐波抑制模块、第二谐波控制模块和第二阻抗调节模块，所述第二谐波抑制模块用于保留二次谐波并滤除其他的谐波；第二谐波控制模块用于控制二次谐波；所述第二阻抗调节模块用于对第二谐波控制回路进行阻抗调节并将功率信号输出给基波匹配模块；
所述基波匹配模块与所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路相连接，用于将功率输出给负载；
所述第一谐波控制回路和第二谐波控制回路集成设计在功分器模块中；
所述功分器模块为等分功分器，采用威尔金森功分器。
2.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述第一谐波抑制模块进一步包括其微带传输线Z1、Z2、Z3相串接。
3.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述第一谐波控制模块进一步包括其微带传输线Z6、Z7相并接。
4.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述第一阻抗调节模块进一步包括其微带传输线Z10、Z12相串接。
5.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述第二谐波抑制模块进一步包括其微带传输线Z4、Z5相串联。
6.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述第二谐波控制模块进一步包括其微带传输线Z8、Z9相并接。
7.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述第二阻抗调节模块进一步包括其微带传输线Z10、Z13相串接。
8.根据权利要求1所述的分路谐波控制电路，其特征在于，所述的基波匹配模块采用T型阻抗匹配，至少包括微带线Z14、微带线Z15、微带线Z16和微带线Z17，其中，所述微带线Z15和微带线Z17串联后与所述微带线Z16并接；所述微带线Z14用于基波阻抗调节。
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