CN118054759A - 一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其包括可重构输入匹配电路，放大器，单刀双掷开关电路和带谐波抑制的输出匹配电路。可重构输入匹配电路实现射频输入与放大管输入阻抗之间的匹配，使驱动放大器获得最大的激励功率，同时滤除带外杂波，通过在输入匹配电路中加入开关管，使输入阻抗满足不同频率下的最佳输入阻抗；单刀双掷开关电路提供可选择的、不同的输出匹配通路；带谐波抑制的输出匹配电路运用谐波控制减少电压电流波形的重合，滤除二三次谐波实现提高效率，最后再传输所需射频输出。本发明能够在实现多频段的阻抗匹配的同时，有效提高电路效率。
Description
技术领域
本发明属于射频功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路。
背景技术
近年来，随着5G技术的深入发展，5G应用场景也迅速增加，从而对5G移动通信***的性能提出了新的要求。但第五代移动通信离普及仍需要一段时间，因此需要提出一些过渡性的措施使4G与5G移动通信更好地衔接。
功率放大器作为移动通信***的关键组成部分，其性能好坏将直接影响移动通信***中发射机的通信质量，因此如何提升射频功放的性能一直以来都是通信领域的热点研究课题,其中研究能同时满足不同频段并能有效提高效率的射频功率放大器成为研究的方向。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，通过控制开关管不同状态改变输入阻抗,实现可重构的输入匹配电路多频段输入阻抗匹配，通过PIN开关自身属性实现不同匹配回路，并设计相应的谐波抑制阻抗匹配网络，共同组成输出匹配电路，满足多频段工作要求下的高效率阻抗匹配。
为了实现上述目的，本发明的一个实施方式的一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路：
射频输入经过可重构输入匹配电路连接到带有稳定网络的放大器的输入端，放大器的输出端与单刀双掷开关电路输入端连接，单刀双掷开关电路的第一PIN开关回路输出端后接带谐波抑制的输出匹配电路的第一输出匹配电路，单刀双掷开关电路的第二PIN开关回路输出端后接带谐波抑制的输出匹配电路的第二输出匹配电路；
所述可重构输入匹配电路通过控制开关管SW1、SW2的状态改变输入阻抗，实现多频段输入阻抗匹配；所述单刀双掷开关电路通过第一PIN开关、第二PIN开关提供可选择的输出匹配通路；所述带谐波抑制的输出匹配电路运用谐波控制减少电压电流波形的重合，滤除二三次谐波，实现两个频段的阻抗匹配。
进一步地，所述可重构输入匹配电路的输入端与输出端之间并联有通过电阻R1与电阻R2连接的第一开关模块和第二开关模块，电阻R1与电阻R2之间并联有控制电压VC1；
所述第一开关模块的开关管SW1的栅极连接电阻R1，SW1源级接地，SW1漏级通过电容C1连接可重构输入匹配电路的输入端，SW1栅极与电容C1之间并联接地电容C2；所述第二开关模块的开关管SW2的栅极连接电阻R2，SW2源级接地，SW2漏级通过电容C3连接可重构输入匹配电路的输出端，SW2栅极与电容C3之间并联接地电容C4；
所述可重构输入匹配电路的输入端与输出端之间串联有传输线TL2，传输线TL2与可重构输入匹配电路的输出端之间并联有电阻R3，电阻R3串联电感L1后连接直流偏置VG，直流偏置VG与电感L1之间并联接地电容C5；
射频输入通过隔直电容C6串联传输线TL1及后，连接所述可重构输入匹配电路的输入端，所述可重构输入匹配电路的输出端连接放大器的输入端。
进一步地，当Vc1提供不同电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合或断开两种状态，从而改变匹配网络的阻抗值。
进一步地，当Vc1提供0V电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合两种状态；当Vc1提供-5V以下电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于断开两种状态。
进一步地，所述放大器的输出端连接单刀双掷开关电路的输入端，所述单刀双掷开关电路的输入端串联电容C9后通过节点分别连接第一PIN开关回路及第二PIN开关回路，电容C9与节点间并联接地电感L2；
第一PIN开关回路的输入依次串联第一PIN开关及电容C12后连接输出匹配电路的第一输出电路；第一PIN开关与电容C12之间并联电感L3后连接控制电压VC2，控制电压VC2与电感L3之间并联接地电容C10；
第二PIN开关回路的输入依次串联第二PIN开关及电容C13后连接输出匹配电路的第二输出电路；第二PIN开关与电容C13之间并联电感L4后连接控制电压VC3，控制电压VC3与电感L4之间并联接地电容C11。
进一步地，控制电压VC2和VC3分别根据导通电压控制第一PIN开关及第二PIN开关的状态，从而决定需输出回路。
进一步地，所述导通电压为0.8V。
进一步地，所述带谐波抑制的输出匹配电路包括第一输出匹配电路及第二输出匹配电路；
所述第一输出匹配电路的输入通过依次串联传输线TL4、传输线TL6、传输线TL8及电容C14后连接第一射频输出；传输线TL4与传输线TL6之间并联开路传输线TL5，传输线TL6与传输线TL8之间并联接地的短路传输线TL7，传输线TL8与电容C14之间并联接地电容C12；
所述第二输出匹配电路的输入通过依次串联传输线TL9、传输线TL11、传输线TL13及电容C15后连接第二射频输出；传输线TL9与传输线TL11之间并联开路传输线TL10，传输线TL6与传输线TL8之间并联接地的短路传输线TL12，传输线TL13与电容C15之间并联接地电容C13。
进一步地，所述第一输出匹配电路作用于12GHz-17GHz频段。
进一步地，所述第二输出匹配电路作用于24GHz-30GHz频段。
本发明的有益效果为：
1、本发明的可重构输入匹配电路包括开关管SW1和SW2，射频输入通过隔直电容C6后，通过可重构输入匹配网络实现了多频输入匹配，当Vc1提供不同电压时，导致开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合或断开两种状态，从而改变匹配网络的阻抗值；在开关SW1，SW2与控制电压VC1之间加入限流电阻R1、R2，VG提供晶体管栅级偏压，通过依次串联电阻R3和电感L1，并联电容C5的偏置网络增加电路整体稳定性，其中电感L1有效减少射频信号泄露，并联电容C5实现良好的带外抑制作用；
2、本发明的单刀双掷开关电路中两个PIN开关的状态由控制电压决定，通过偏置电路中的偏置电阻、电容与电感确保该电路的电压和电流稳定并起到滤波的作用，调节主路电容不仅可以通交流隔直流，而且可以显著改善整个开关电路的损耗；电容C9通交流隔直流，与电感L2组成谐波电路，起控制谐波的作用；控制电压VC2和VC3分别控制上下两条回路中PIN开关的状态，从而决定所需输出回路；电感L3和C12共同作用调节上方回路的损耗，电感L4和C13共同作用调节下方回路的损耗；
3、本发明的带谐波抑制的输出匹配电路分两部分设计，作用于两个频段。其结构通过四分之一波长传输线具有转换阻抗的功能，使其对奇数次谐波开路，偶数次谐波短路，从而提高效率。
附图说明
图1是本发明一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路的现有技术的单刀单掷PIN开关电路图；
图2是本发明的一个实施例的电路构成框图；
图3是本发明的一个实施例的整体电路原理图；
图4是本发明的一个实施例的可重构输入匹配电路图；
图5是本发明的一个实施例的现有技术的单刀单掷PIN开关电路图；
图6是本发明的一个实施例的单刀双掷开关电路图；
图7是本发明的一个实施例的带谐波抑制的输出匹配电路图；
图8是本发明的一个实施例的谐波抑制网络结构图；
图9是本发明的一个实施例的史密斯原图中二次与三次谐波点图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例作进一步说明。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
由于现实中应用场景的复杂化，无法满足单个电路中同时满足不同频段的输出要求；并且如附图1所示的单刀单掷PIN开关使功率放大器虽然可工作在多个频段，但其无法解决随着频率变高，射频放大器效率大幅降低的问题。因此，本发明通过设计一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，提高放大电路的灵活度，通过采用可重构电路与谐波控制的方法，可以满足电路多频段高效率的要求。
本发明提供的一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其电路构成框图如图2所示。该电路的电路结构由可重构输入匹配电路，放大器，单刀双掷开关电路和带谐波抑制的输出匹配电路四部分组成。其中可重构输入匹配电路实现射频输入与放大管输入阻抗之间的匹配，使驱动放大器获得最大的激励功率，同时滤除带外杂波，通过在输入匹配电路中加入开关管，使输入阻抗满足不同频率下的最佳输入阻抗；单刀双掷开关电路则是提供可选择的，不同的输出匹配通路；输出匹配电路则是运用谐波控制减少电压电流波形的重合，滤除二三次谐波实现提高效率，最后再传输所需射频输出。
其整体电路原理图如图3所示，射频输入经过可重构输入匹配电路连接到带有稳定网络的放大器，放大器的输出端与单刀双掷开关电路相连，后接带谐波控制的输出匹配电路。其中所有端口皆为单端输出。
射频输入经过可重构输入匹配电路连接到带有稳定网络的放大器的输入端，放大器的输出端与单刀双掷开关电路输入端连接，单刀双掷开关电路的第一PIN开关回路输出端后接带谐波抑制的输出匹配电路的第一输出匹配电路，单刀双掷开关电路的第二PIN开关回路输出端后接带谐波抑制的输出匹配电路的第二输出匹配电路。
可重构输入匹配电路通过控制开关管SW1、SW2的状态改变输入阻抗，实现多频段输入阻抗匹配；单刀双掷开关电路通过第一PIN开关、第二PIN开关提供可选择的输出匹配通路；带谐波抑制的输出匹配电路运用谐波控制减少电压电流波形的重合，滤除二三次谐波，实现两个频段的阻抗匹配。
进一步地，可重构输入匹配电路如图4所示，包括电容C1-C6，传输线TL1和TL2，电阻R1-R3，开关管SW1和SW2(场效应管)，电感L1和直流偏置VG。
可重构输入匹配电路的输入端与输出端之间并联有通过电阻R1与电阻R2连接的第一开关模块和第二开关模块，电阻R1与电阻R2之间并联有控制电压VC1；第一开关模块的开关管SW1的栅极连接电阻R1，SW1源级接地，SW1漏级通过电容C1连接可重构输入匹配电路的输入端，SW1栅极与电容C1之间并联接地电容C2；第二开关模块的开关管SW2的栅极连接电阻R2，SW2源级接地，SW2漏级通过电容C3连接可重构输入匹配电路的输出端，SW2栅极与电容C3之间并联接地电容C4；可重构输入匹配电路的输入端与输出端之间串联有传输线TL2，传输线TL2与可重构输入匹配电路的输出端之间并联有电阻R3，电阻R3串联电感L1后连接直流偏置VG，直流偏置VG与电感L1之间并联接地电容C5；射频输入通过隔直电容C6串联传输线TL1及后，连接可重构输入匹配电路的输入端，可重构输入匹配电路的输出端连接放大器的输入端。
射频输入通过隔直电容C6后，通过可重构输入匹配网络实现了多频输入匹配，当Vc1提供不同电压时，导致开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合或断开两种状态，从而改变匹配网络的阻抗值，其具体连接情况与阻抗值如表1所示。
表1输入匹配网络工作状态
上表中，Z为阻抗；C1、C2、C3、C4代表各电容相应的电容值，j为虚数单位；w为工作频率。
在开关SW1，SW2与控制电压VC1之间加入限流电阻R1、R2，R1和R2位置对称，作用相同，都起到一个限流的作用。VG提供晶体管栅级偏压，通过依次串联电阻R3和电感L1，并联电容C5的偏置网络增加电路整体稳定性。其中电感L1有效减少射频信号泄露，并联电容C5实现良好的带外抑制作用。传输线TL1和TL2在这个波段是作为一个匹配元件来使用。
进一步地，当Vc1提供不同电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合或断开两种状态，从而改变匹配网络的阻抗值。
进一步地，当Vc1提供0V电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合两种状态；当Vc1提供-5V以下电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于断开两种状态。
进一步地，单刀双掷开关电路电路如图6所示。放大器的输出端连接单刀双掷开关电路的输入端，单刀双掷开关电路的输入端串联电容C9后通过节点分别连接第一PIN开关回路及第二PIN开关回路，电容C9与节点间并联接地电感L2；第一PIN开关回路的输入依次串联第一PIN开关及电容C12后连接输出匹配电路的第一输出电路；第一PIN开关与电容C12之间并联电感L3后连接控制电压VC2，控制电压VC2与电感L3之间并联接地电容C10；第二PIN开关回路的输入依次串联第二PIN开关及电容C13后连接输出匹配电路的第二输出电路；第二PIN开关与电容C13之间并联电感L4后连接控制电压VC3，控制电压VC3与电感L4之间并联接地电容C11。进一步地，控制电压VC2和VC3分别根据导通电压控制第一PIN开关及第二PIN开关的状态，从而决定需输出回路。进一步地，导通电压为0.8V。
传统单刀单掷PIN开关电路如图5所示。其中PIN开关的状态由控制电压决定，通过偏置电路中的偏置电阻、电容与电感确保该电路的电压和电流稳定并起到滤波的作用，调节主路电容不仅可以通交流隔直流，而且可以显著改善整个开关电路的损耗。但因其无法满足多频点控制的要求，本设计针对两个频段提出单刀双掷开关电路如图6所示。电容C9通交流隔直流，与电感L2组成谐波电路，起控制谐波的作用；控制电压VC2和VC3分别控制上下两条回路中PIN开关的状态，从而决定所需输出回路；电感L3和C12共同作用调节上方回路的损耗，电感L4和C13共同作用调节下方回路的损耗。
进一步地，带谐波抑制的输出匹配电路如图7所示。
带谐波抑制的输出匹配电路包括第一输出匹配电路及第二输出匹配电路；第一输出匹配电路的输入通过依次串联传输线TL4、传输线TL6、传输线TL8及电容C14后连接第一射频输出；传输线TL4与传输线TL6之间并联开路传输线TL5，传输线TL6与传输线TL8之间并联接地的短路传输线TL7，传输线TL8与电容C14之间并联接地电容C12；第二输出匹配电路的输入通过依次串联传输线TL9、传输线TL11、传输线TL13及电容C15后连接第二射频输出；传输线TL9与传输线TL11之间并联开路传输线TL10，传输线TL6与传输线TL8之间并联接地的短路传输线TL12，传输线TL13与电容C15之间并联接地电容C13。
进一步地，第一输出匹配电路作用于12GHz-17GHz频段。
进一步地，第二输出匹配电路作用于24GHz-30GHz频段。
由于带谐波抑制的输出匹配电路作用于两个频段，一个是频段12GHz-17GHz，一个频段是24GHz-30GHz。故其输出匹配网络也应分两部分设计，两部分都是由传输线与电容组成。针对上方射频输出通路通过串联传输线TL4，并联开路传输线TL5，串联传输线TL6，并联短路传输线TL7，串联传输线TL8，并联电容C12和串联电容C14；下方射频输出通路通过串联传输线TL9，并联开路传输线TL10，串联传输线TL11，并联短路传输线TL12，串联传输线TL13，并联电容C13和串联电容C15。其中电容C14和C15分别在所在支路起隔离直流信号通交流信号的作用；传输线TL8，电容C12和传输线TL13，电容C13各自负责支路目标频段的阻抗匹配；传输线TL4-TL8和TL9-TL13组成对应频段的谐波抑制网络。
谐波抑制网络结构如图8所示，其主要设计原理为式(1)表明四分之一波长传输线具有转换阻抗的功能，使其对奇数次谐波开路，偶数次谐波短路。
其中，Zin为输入阻抗，Z0为特性阻抗，Zl为负载阻抗。
图中λ1，λ2，λ3分别表示基波，二次谐波，三次谐波。阻抗变换过程由A经开路传输线2将B处三次谐波短路，再经由传输线1将C处三次谐波开路；D处经短路传输线5将E处基波开路；最后通过调节传输线3，使传输线1与传输线3共同等效为四分之一二次谐波传输线，起到二次谐波转换的作用，最终使C处奇数次谐波开路，偶数次谐波短路，因此提高效率。其在史密斯圆图效果如图9所示。
本发明提供的基于开关管实现可重构的的输入匹配电路。通过开关管不同状态改变输入阻抗，实现多频段输入阻抗匹配；由PIN开关与谐波抑制共同组成的输出匹配电路。通过PIN开关自身属性实现不同匹配回路，并设计相应的谐波抑制阻抗匹配网络，最终实现多频段的阻抗匹配。不仅满足多频段工作的要求，更提高了效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于：
射频输入经过可重构输入匹配电路连接到带有稳定网络的放大器的输入端，放大器的输出端与单刀双掷开关电路输入端连接，单刀双掷开关电路的第一PIN开关回路输出端后接带谐波抑制的输出匹配电路的第一输出匹配电路，单刀双掷开关电路的第二PIN开关回路输出端后接带谐波抑制的输出匹配电路的第二输出匹配电路；
所述可重构输入匹配电路通过控制开关管SW1、SW2的状态改变输入阻抗，实现多频段输入阻抗匹配；所述单刀双掷开关电路通过第一PIN开关、第二PIN开关提供可选择的输出匹配通路；所述带谐波抑制的输出匹配电路运用谐波控制减少电压电流波形的重合，滤除二三次谐波，实现两个频段的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，所述可重构输入匹配电路的输入端与输出端之间并联有通过电阻R1与电阻R2连接的第一开关模块和第二开关模块，电阻R1与电阻R2之间并联有控制电压VC1；
所述第一开关模块的开关管SW1的栅极连接电阻R1，SW1源级接地，SW1漏级通过电容C1连接可重构输入匹配电路的输入端，SW1栅极与电容C1之间并联接地电容C2；所述第二开关模块的开关管SW2的栅极连接电阻R2，SW2源级接地，SW2漏级通过电容C3连接可重构输入匹配电路的输出端，SW2栅极与电容C3之间并联接地电容C4；
所述可重构输入匹配电路的输入端与输出端之间串联有传输线TL2，传输线TL2与可重构输入匹配电路的输出端之间并联有电阻R3，电阻R3串联电感L1后连接直流偏置VG，直流偏置VG与电感L1之间并联接地电容C5；
射频输入通过隔直电容C6串联传输线TL1及后，连接所述可重构输入匹配电路的输入端，所述可重构输入匹配电路的输出端连接放大器的输入端。
3.根据权利要求2所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，当Vc1提供不同电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合或断开两种状态，从而改变匹配网络的阻抗值。
4.根据权利要求3所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，当Vc1提供0V电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于闭合两种状态；当Vc1提供-5V以下电压时，开关管SW1和开关管SW2同时处于断开两种状态。
5.根据权利要求1所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，所述放大器的输出端连接单刀双掷开关电路的输入端，所述单刀双掷开关电路的输入端串联电容C9后通过节点分别连接第一PIN开关回路及第二PIN开关回路，电容C9与节点间并联接地电感L2；
第一PIN开关回路的输入依次串联第一PIN开关及电容C12后连接输出匹配电路的第一输出电路；第一PIN开关与电容C12之间并联电感L3后连接控制电压VC2，控制电压VC2与电感L3之间并联接地电容C10；
第二PIN开关回路的输入依次串联第二PIN开关及电容C13后连接输出匹配电路的第二输出电路；第二PIN开关与电容C13之间并联电感L4后连接控制电压VC3，控制电压VC3与电感L4之间并联接地电容C11。
6.根据权利要求5所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，控制电压VC2和VC3分别根据导通电压控制第一PIN开关及第二PIN开关的状态，从而决定需输出回路。
7.根据权利要求6所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，所述导通电压为0.8V。
8.根据权利要求1所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，所述带谐波抑制的输出匹配电路包括第一输出匹配电路及第二输出匹配电路；
所述第一输出匹配电路的输入通过依次串联传输线TL4、传输线TL6、传输线TL8及电容C14后连接第一射频输出；传输线TL4与传输线TL6之间并联开路传输线TL5，传输线TL6与传输线TL8之间并联接地的短路传输线TL7，传输线TL8与电容C14之间并联接地电容C12；
所述第二输出匹配电路的输入通过依次串联传输线TL9、传输线TL11、传输线TL13及电容C15后连接第二射频输出；传输线TL9与传输线TL11之间并联开路传输线TL10，传输线TL6与传输线TL8之间并联接地的短路传输线TL12，传输线TL13与电容C15之间并联接地电容C13。
9.根据权利要求8所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，所述第一输出匹配电路作用于12GHz-17GHz频段。
10.根据权利要求8所述的基于可重构结构的谐波抑制、高效双频放大电路，其特征在于，所述第二输出匹配电路作用于24GHz-30GHz频段。
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2024
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