CN110222366B - 一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，通过利用多级T形网络进行设计，在不增加电路复杂度的前提下，给工程人员提供更多的设计自由度，在限定的带内增益平坦度范围内以达到更优的谐波抑制能力，实现功放效率提升的目的。

Description

一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法
技术领域
本发明涉及射频集成电路的技术领域，尤其涉及到一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法。
背景技术
射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier，RFPA)位于通信***中发射机的末端，其作用是将调制振荡电路所产生的小功率射频信号进行多级放大，当满足输出功率指标要求后，方可馈送至天线并辐射出去。因此，作为通信***中的核心功能模块之一，功率放大器将直接影响到设备的通信质量、工作带宽、电池续航等重要指标。在现今庞大的手持移动终端市场中，由于功放相比收发机中的其他组件耗能更大，其效率的高低往往决定了设备的续航时间，也就间接影响了用户体验，所以，提升效率是功放产品研究的一个热点，也契合节能环保可持续发展的新时代理念。
由功率守恒可知，放大器总的输出功率等于输出端基波与各次谐波功率的总和，再加上晶体管内部的热耗。若要使得功放的效率最大化，就应尽可能提高分配到负载的基波功率，减小无用的高阶谐波成分以及晶体管的内损。因晶体管自身存在众多的寄生参数，且它们会随着工作环境的改变而改变，故针对内损功率的改善方案一般较难达到理想的效果。相比而言，通过合理设计输出阻抗匹配网络便能实现高谐波抑制的目的，同时将标准50Ω负载匹配到满足特定性能的最佳阻抗；为保持一定的带宽，传统上我们利用多级下变换低通L形网络进行构造。
为便于分析，先对单节L形(双元件)网络进行必要的说明：
如图1所示，虚框内***的L形匹配电路能将负载RL向下转化为源阻抗RS，并联的电容可减小RL的值，起到窄带阻抗变换器的作用；串联的电感则抵消并-串转换后产生的容抗，这样便在源端看到一个小值纯电阻Rs。
阻抗变换率q定义为：
Figure BDA0002044193620000021
且存在如下关系：
Figure BDA0002044193620000022
Q＝q；
其中，Q为匹配网络的品质因子，Xn为相应元件的阻抗。为实现谐波抑制功能，通常在并联的电容支路上串接一个小电感，其与电容共同谐振在指定的谐波频率处，使对应谐波短路到地，从而避免在负载上产生无用的实功率，以此提升效率；由于外加的串联电感改变了原来匹配网络的频响特性，为补偿频率的偏移，通过简单的计算重新设计LC谐振陷波电路以维持原始的匹配状态，方法如下：
Figure BDA0002044193620000023
其中，Ceq为LC串联电路在基波频率ω0下的等效电容，ωr为谐波频率，基波频率＝中心频率，ω0＝2πf0。
具有2、3、5次谐波抑制功能的完整多节L形匹配网络设计如图2所示。
传统的高谐波抑制匹配方法简单易用，并可先通过史密斯圆图解法或初步的演算对网络中的元件进行赋值以观察效果，后期再替换成实际有耗元件并结合仿真做最后的优化调谐；由于具有清晰的流程和准确的初值设置特点，前述步骤还能演变成高效的计算机程序化处理，这能节省不少设计时间。
但针对特定应用的输出阻抗匹配网络，往往需要在阻抗变换比、带外谐波抑制、网络的传输损耗(插损)以及所占用的面积等多个参量间进行折中考虑，而L形匹配只能指定中心频率、阻抗匹配比率和Q值(带宽)中的两个，设计自由度的不足使其难以适用于愈发复杂高效的宽带多模多频通信***。带宽(BW，bandwidth)＝中心频率f0/品质因子Q。
应用于手持移动终端的功率放大器，其输出匹配网络需要将标准50Ω负载变换到只有几欧姆的小阻抗以满足高输出功率的要求，多级低通L形匹配由于仅能指定两个自由量，当根据实际需求和元件数值选取范围确定了每一级的阻抗变换比后，其单节与整体匹配网络的Q值也随之确定了，也即传统的方法并不能有效的对工作带宽进行控制，虽然采用低通结构和LC谐振电路能提供一定的带外杂散和谐波抑制，但对于高线性通信***而言，更为严苛的ACPR和EVM指标无疑大大增加了传统多级L形匹配设计的难度，因其无法同时在多个指标间进行折中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，满足未来5G无线通信对宽带、高效率与高线性度的需求，提供一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法。通过利用多级T形网络进行设计，在不增加电路复杂度的前提下，给工程人员提供更多的设计自由度，在限定的带内增益平坦度范围内以达到更优的谐波抑制能力，实现功放效率提升的目的。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
利用多级T形匹配网络进行设计，具体步骤如下：
A1：根据设计指标，拟定最优的源阻抗Rs数值，接着构建出传统的多级L形匹配网络以作参考对照；
A2：设计具有频率偏移补偿的LC谐振电路；
A3：通过原理图仿真观察级联网络的S21曲线，确定传统方法所能达到的谐波抑制效果与带内增益平坦度，评估当前线性度与设计指标间的差距；
A4：根据步骤A3评估的结果，将多级T形匹配网络中的单节或多节T形网络的Qn值设定大于传统方法对应节数的Qn值；
A5：由确定好的多级网络各自的Qn值和中心频率f0与需要作短路处理的高次谐波，结合隔直电容的影响，确定网络中所有元件的参数值；
A6：通过原理图仿真观察级联网络的S21曲线，确定采用多级T形匹配网络的方法所能达到的谐波抑制效果与带内增益平坦度；
A7：根据仿真结果与指标要求，对级联T形匹配网络进行调整，保证所设计的输出阻抗匹配网络在带内插损波动于容忍范围内的前提下具有足够的谐波抑制余量以抵消因元器件模型和仿真精度、加工误差所带来的影响；
A8：将步骤A7优化得到的元件全部替换成有耗的实际元件，并对实际电路原理图执行迭代优化调谐，即重复步骤A7直至满足所有设计指标。
进一步地，当隔直电容取得数值大，忽略其对网络的影响时，步骤A4中所述的多级T形匹配网络由多个单节T形网络组成；当隔直电容取得数值小，不能忽略其对网络的影响时，步骤A4中所述的多级T形匹配网络由单节T形网络和一个L形网络组成。
进一步地，将所述单节T形网络中的并联电容C分为两部分后，从整体上，该网络被等效视作两个背靠背的L形电路；
通过负载RL先向上变换成在两个电容连接处的中间电阻RI，然后通过第二个L形匹配向下变换为RS；使在给定整体变换比率的情况下也得到高的Q值，从而实现高谐波抑制；
网络的Q值为：
Figure BDA0002044193620000041
当给定Q、变换电阻和中心频率f0时，利用上式求得RI，继而算出总电容C；
最后，通过以下关系式就能得到网络中剩余的两个电感参数值：
Figure BDA0002044193620000042
Figure BDA0002044193620000043
进一步地，所述步骤S8中，将步骤S7优化得到的元件全部替换成有耗的实际元件时，需要对电感进行三维电磁仿真以建立准确的模型。
进一步地，当多级T形匹配网络为三级T形匹配网络时，将靠近源阻抗Rs的S3网络设计在阻抗变换频率点f03，f03>f0；将靠近源阻抗RL的S1网络设计在阻抗变换频率点f01，f01<f0；将位于S1网络及S3网络之间的S2网络设计在中心频率f0；使得在大宽带内保持平稳的增益。
与现有技术相比，本方案的原理如下：
将传统的多级L形匹配网络设计改为利用多级T形匹配网络进行设计。
与现有技术相比，本方案的优点如下：
1.本方案中两个靠近的网络之间串联电感可以合二为一，与传统的多级级联L形匹配网络具有相同的拓扑结构，只是在分析上需要拆开考虑，使得既能在阻抗变换比、带外谐波抑制、匹配网络插损和工作带宽等性能指标间进行折中考虑，又不增加任何元件。
2.能在指定的带宽内，满足增益平坦度的前提下实现更优的谐波抑制效果，改善功放的线性度与效率。
3.具有传统L型匹配设计的所有优点，即可以通过精确的演算推导出网络中所有元件的初始值，并同样提供了LC谐振陷波电路。可借助数学软件MATLAB与ADS高频电路设计工具协同进行高效的功放输出匹配网络的设计，大大缩短优化调谐的时间。
4.具有通用性和普遍性，可同样适用于Pi形网络，上阻抗变换等特定的电路设计当中。
5.能根据需求通过合理设定各级网络的阻抗变换频率点来提高增益平坦度以满足宽带应用的场景。
6.综合考虑了隔直电容对阻抗变换造成的偏差及元件损耗的影响，按照提供的步骤进行匹配网络设计能尽可能准确地模拟实际情况，提高流片成功率。
附图说明
图1为传统的单节L形(双元件)网络示意图；
图2为传统的具有2、3、5次谐波抑制功能的完整多节L形匹配网络示意图；
图3为T形匹配的等效示意图；
图4为完整三节T形匹配网络的结构示意图；
图5为传统的三级L形匹配网络与本发明采用三节T形匹配网络时谐波抑制效果对比图；
图6为传统的三级L形匹配网络与本发明采用三节T形匹配网络时带内增益平坦度对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
本实施例利用三级T形匹配网络进行设计，具体步骤如下：
A1：根据设计指标，拟定最优的源阻抗Rs数值，接着构建出传统的多级L形匹配网络以作参考对照；其应遵循如下规则：为保证在工作带宽内的中心频点f0处计算得到的各元件数值位于可实现的适当范围区间，各级单节L形网络的阻抗变换比(也即品质因子Q)大致应为：q1≈1,q2≈1-1.5,q3≈1.5-2.5(分别对应图2中S1-S3)；
A2：设计具有频率偏移补偿的LC谐振电路；
A3：通过原理图仿真观察级联网络的S21曲线，确定传统方法所能达到的谐波抑制效果与带内增益平坦度，评估当前线性度与设计指标间的差距；
A4：根据步骤A3评估的结果，将三级T形匹配网络中的单节或多节T形网络的Qn值设定大于传统方法对应节数的Qn值；这样，由确定好的三级网络各自的Qn值和中心频率f0与需要作短路处理的高次谐波，综合考虑隔直电容的影响，便可确定网络中所有元件的参数值；需要注意的是，S2和S3为图3所示的结构，需分为两节L形匹配进行元件定值计算，具体见下述；而S1视具体情况而定。
当隔直电容取得数值大，忽略其对网络的影响时，S1与S2和S3一致，均为T形网络结构，需分为两节L形匹配进行元件定值计算；当隔直电容取得数值小，不能忽略其对网络的影响时，S1为单节L形网络结构；
A5：由确定好的多级网络各自的Qn值和中心频率f0与需要作短路处理的高次谐波，结合隔直电容的影响，确定网络中所有元件的参数值；
A6：通过原理图仿真观察级联网络的S21曲线，确定采用多级T形匹配网络的方法所能达到的谐波抑制效果与带内增益平坦度；
A7：根据仿真结果与指标要求，对级联T形匹配网络进行调整，保证所设计的输出阻抗匹配网络在带内插损波动于容忍范围内的前提下具有足够的谐波抑制余量以抵消因元器件模型和仿真精度、加工误差所带来的影响；
A8：将步骤A7优化得到的元件全部替换成有耗的实际元件，其中，需要对电感进行三维电磁(EM)仿真以建立较为准确的模型；因为相比电容而言，电感的品质因子很低，这就意味着其存在很大的损耗，会对电路性能产生不可忽略的影响；最后对实际电路原理图执行迭代优化调谐，即重复步骤A7直至满足所有设计指标。
A9：若要实现宽带匹配，将靠近源阻抗Rs的S3网络设计在阻抗变换频率点f03，f03>f0；将靠近源阻抗RL的S1网络设计在阻抗变换频率点f01，f01<f0；将位于S1网络及S3网络之间的S2网络设计在中心频率f0；使得在大宽带内保持平稳的增益；需要注意的是，由于S1是人为设定在低于中心频率处进行的阻抗变换，那么在S2看来，S1呈感性，补偿了S2所需的电感值，同理于S3看到的S1与S2级联网络也呈感性，故设定S3右侧串联电感参数值等于初始计算值减去所看到的电感值。但对于功放输出端而言，整体匹配网络看起来是呈容性的，因此需要在功放输出节点增加一个小电感以抵消这部分多出来的电容。
上述步骤A4中，将所述单节T形网络中的并联电容C分为两部分后，从整体上，该网络被等效视作两个背靠背的L形电路；
通过负载RL先向上变换成在两个电容连接处的中间电阻RI，然后通过第二个L形匹配向下变换为RS；使在给定整体变换比率的情况下也得到高的Q值，从而实现高谐波抑制；
网络的Q值为：
Figure BDA0002044193620000081
当给定Q、变换电阻和中心频率f0时，利用上式求得RI，继而算出总电容C；
最后，通过以下关系式就能得到网络中剩余的两个电感参数值：
Figure BDA0002044193620000082
Figure BDA0002044193620000083
参见图5-6所示，本实施例能在指定的带宽内，满足增益平坦度的前提下实现更优的谐波抑制效果，可改善功放的线性度与效率。
另外，本实施例能在阻抗变换比、带外谐波抑制、匹配网络插损和工作带宽等性能指标间进行折中考虑，而不增加任何元件；因为由图4所示，S3与S2之间、S2与S1之间的串联电感可以合二为一，本实施例实质上与传统的三级级联L形匹配网络具有相同的拓扑结构，只是在分析上需要拆开考虑。如此，即保证实现复杂度大致相同的前提下，本实施例具有明显的优越性。
再者，本实施例具有传统L型匹配设计的所有优点，即可以通过精确的演算推导出网络中所有元件的初始值，并同样提供了LC谐振陷波电路。因此本实施例可以借助数学软件MATLAB与ADS高频电路设计工具协同进行高效的功放输出匹配网络的设计，大大缩短了优化调谐的时间。
最后，本实施例综合考虑了隔直电容对阻抗变换造成的偏差及元件损耗的影响，按照提供的步骤进行匹配网络设计能尽可能准确地模拟实际情况，提高流片成功率。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，其特征在于，利用多级T形匹配网络进行设计，具体步骤如下：
A1：根据设计指标，拟定源阻抗Rs数值，接着构建出多级L形匹配网络以作参考对照；
A2：设计具有频率偏移补偿的LC谐振电路；
A3：通过原理图仿真观察级联网络的S21曲线，确定所述多级L形匹配网络所能达到的谐波抑制效果与带内增益平坦度，评估当前线性度与设计指标间的差距；
A4：根据步骤A3评估的结果，将多级T形匹配网络中的单节或多节T形网络的Qn值设定大于所述多 级L形匹配网络对应节数的Qn值；
A5：由确定好的多级网络各自的Qn值和中心频率f0与需要作短路处理的高次谐波，结合隔直电容的影响，确定网络中所有元件的参数值；
A6：通过原理图仿真观察级联网络的S21曲线，确定采用多级T形匹配网络的方法所能达到的谐波抑制效果与带内增益平坦度；
A7：根据仿真结果与指标要求，对级联T形匹配网络进行调整，保证所设计的输出阻抗匹配网络在带内插损波动于容忍范围内的前提下具有足够的谐波抑制余量以抵消因元器件模型和仿真精度、加工误差所带来的影响；
A8：将步骤A7得到的元件全部替换成有耗的实际元件，并对实际电路原理图执行迭代调谐，即重复步骤A7直至满足所有设计指标。
2.根据权利要求1所述的一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，其特征在于，当隔直电容取得数值大，忽略其对网络的影响时，步骤A4中所述的多级T形匹配网络由多个单节T形网络组成；当隔直电容取得数值小，不能忽略其对网络的影响时，步骤A4中所述的多级T形匹配网络由单节T形网络和一个L形网络组成。
3.根据权利要求2所述的一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，其特征在于，将所述单节T形网络中的并联电容C分为两部分后，从整体上，该网络被等效视作两个背靠背的L形电路；
通过负载RL先向上变换成在两个电容连接处的中间电阻RI，然后通过第二个L形匹配向下变换为RS；使在给定整体变换比率的情况下也得到高的Q值，从而实现高谐波抑制；
网络的Q值为：
Figure FDA0003718138450000021
当给定Q、变换电阻和中心频率f0时，利用上式求得RI，继而算出总电容C；
最后，通过以下关系式就能得到网络中剩余的两个电感参数值：
Figure FDA0003718138450000022
Figure FDA0003718138450000023
4.根据权利要求1所述的一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，其特征在于，所述步骤A8中，将步骤A7得到的元件全部替换成有耗的实际元件时，需要对电感进行三维电磁仿真以建立准确的模型。
5.根据权利要求1所述的一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，其特征在于，当多级T形匹配网络为三级T形匹配网络时，将靠近源阻抗Rs的S3网络设计在阻抗变换频率点f03，f03>f0；将靠近源阻抗RL的S1网络设计在阻抗变换频率点f01，f01<f0；将位于S1网络及S3网络之间的S2网络设计在中心频率f0；使得在大宽带内保持平稳的增益。
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