基于谐波控制电路的双带功率放大器及其设计方法与流程

本发明属于射频电路技术领域，涉及提出了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器及其设计方法。

背景技术：

功率放大器作为射频收发系统中的重心和前端部分，其性能对整个通信系统有着很大的影响，因此高效率，宽频带的功率放大器是提高通信质量的关键因素。非线性放大器由于其对效率和输出功率的有效提升一直是功率放大器的研究热点，其中f类和逆f类功率放大器由于拥有出色谐波控制能力和简单的电路而广泛使用。

双频带功率放大器需要工作在两个不同的频率点，如何在两频率点同时拥有高效率是一个很难的问题。现有对于双频带功率放大器效率提升的方法比较少，大部分仅仅是将单带功率放大器的谐波控制方法直接运用在双频带功率放大器上。

然而，传统的f类或逆f类的谐波控制方法在运用到双带上时会产生问题。例如，如果单纯的使用两频点二次谐波短路，三次谐波开路，低频点的三次谐波与高频点的二次谐波在频率差较近时会互相影响，从而导致效率下降。由此可见传统的双带谐波控制方法并不能同时对两个频点的谐波进行较好的控制，反而会使两频点之间相互影响，导致效率的下降。

因此，有必要提出一种改进的谐波控制电路，来优化双频带谐波控制。

技术实现要素：

本发明针对双带功率放大器谐波控制上的不足，提出了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器，通过改变功率放大器的输出阻抗条件来改变谐波匹配方式，使两频点分别工作于不同的模式，从而减轻两频点在谐波匹配过程中的相互影响，在保证带宽的同时有效提升效率；同时通过对低频点三次谐波和高频点二次谐波进行结合，简化了计算的复杂度，具有良好的应用价值。

为达到上述目的，本发明将采用以下技术方案：

基于谐波控制电路的双带功率放大器，包括晶体管、双带栅极偏置电路、双带输入匹配电路、谐波控制电路、双带漏极偏置电路、双带基波匹配电路；

所述的双带输入匹配电路输入端连接50ω阻抗，输出端连接晶体管栅极，将50ω阻抗通过合理的阻抗匹配匹配到晶体管阻抗。

所述的栅极偏置电路、漏极偏置电路分别连接晶体管输入、输出端用于提供直流电压，维持功率放大器的正常工作。

所述的谐波控制电路输入端连接晶体管漏极，输出端连接双带基波匹配电路输入端。

所述的双带基波匹配电路输出端连接50ω负载阻抗，将其输入端两频点的基波阻抗匹配到负载阻抗。

谐波控制电路进一步包含串联微带线t1、t2、t3、t7，并联微带线t4、t5、t6。其中，第三微带线(t3)一端分别与第六微带线(t6)和第二微带线(t2)连接，第六微带线(t6)与第三微带线(t3)共同控制高频三次谐波。第二微带线(t2)另一端分别与第五微带线(t5)、第一微带线(t1)相连，第五微带线(t5)分别与第二、三微带线(t2、t3)及第六微带线(t6)共同控制低频三次谐波和高频二次谐波。第一微带线(t1)另一端与第四微带线(t4)和晶体管漏极输出端相连，第四微带线(t4)与第一、二、三微带线(t1、t2、t3)及第五、六微带线(t5、t6)共同控制低频二次谐波。

所述的第七微带线(t7)与第三微带线(t3)的另一端相连，通过第七微带线(t7)参数调谐最终实现在op点低频二次谐波开路三次谐波短路，高频二次谐波短路三次谐波开路，在两基波频率(低频点和高频点)分别满足逆f类和f类的输出阻抗条件。

本发明还公开了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器的设计方法，包含以下步骤：

步骤s1：选取双频带中心频点fh和fl，将fh的二次谐波与fl的三次谐波结合为k取2±0.1，称作fa；

步骤s2：设计栅极偏置电路和漏极偏置电路以保证功率放大器的正常工作，并进行双带输入电路的匹配；

步骤s3：设计谐波控制电路，使fl和fh符合逆f类和f类输出阻抗条件，传输线特征阻抗z为自由参数，电长度θ为待求参数；设计t6、t5、t4微带线电长度分别为使3fh在a处短路，3fl和2fh在b处短路，2fl在c处短路；设计t3电长度使3fh在输出端开路,利用公式(1)-(3)使3fl和2fh在输出端短路，得出t2电长度θ2，利用公式(4)-(7)使2fl在输出端开路，得出t1电长度θ1，t7进行调谐以满足输出端阻抗条件；最后通过计算将电路参数转换为微带线参数宽度w、长度l；

z'a(fa)＝jz2tanθ2(3)

z'b(2fl)＝jz1tanθ1(7)

其中za(fa)、z'a(fa)为从谐波控制输出端看向a，a’点的3fl和2fh的输入阻抗，zb(2fl)、z'b(2fl)为谐波控制输出端看向b，b’点的2fl的输入阻抗，zn和θn分别为传输线的阻抗和电长度；

步骤s4：利用谐波控制输出端基波阻抗设计基波输出匹配电路；综合步骤s1、s2、s3、s4利用ads进行原理图仿真及参数调整，以保证效率最大化。

与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：实现一个在双频段工作的高效率功率放大器，本发明的谐波控制电路通过使两频点分别工作于不同的模式成功消除了低频三次谐波和高频二次谐波之间的影响，从而减小了两频点之间的影响。在保证带宽的同时有效提升双待功率放大器的效率，同时计算简单，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的原理框图

图2是本发明谐波控制电路模块的示意图

图3是低频三次谐波和高频二次谐波电路示意图

图4是低频二次谐波电路示意图

图5是传统双带功率放大器的史密斯圆图

图6是本发明基于谐波控制的双带功率放大器的史密斯圆图

图7是传统双带功率放大器和本发明双带功率放大器效率仿真示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进一步说明：

工作在1.9ghz和2.6ghz的传统双带逆f类谐波控制电路的史密斯圆图参见图5，我们可以看出低频三次谐波和高频二次谐波并没有匹配到开路和短路，而是由于相互影响被匹配到了不理想阻抗值。这是由于在两者频率差较接近时会相互影响，从而对效率产生较大的影响，尤其高频点效率降低较大(二次谐波影响大于三次谐波)，在双带功率放大器谐波控制中，这种由于频率差较近而影响效率的情况是很常见的。

针对传统谐波电路所产生的问题，申请人提出了一种解决方案，在低频三次谐波和高频二次谐波相距较近的前提下，通过合并低频三次谐波和高频二次谐波为其中调节因子k的值一般为2，误差因子为正负0.1，使两者均匹配到短路(r＝0)点附近，由于低频三次谐波和高频二次谐波频率差较为接近，其对基波频率的影响较小，我们可以通过调节k值来进一步减轻对基波频率的影响。与此同时，我们匹配低频二次谐波和高频三次谐波匹配到开路点(r＝∞)附近。通过上述方案，最终实现在基波双带匹配电路的输入点(op)低频点二次谐波开路三次谐波短路，高频点二次谐波短路三次谐波开路，功率放大器在两频点分别属于逆f和f类功率放大器即不同的工作模式，从而解决传统电路中两频点相互影响的问题。

参见图1，为本发明的原理框图，可以看出本发明功率放大器包含晶体管、双带栅极偏置电路、双带输入匹配电路、谐波控制电路、双带漏极偏置电路、双带基波匹配电路。其中双带输入匹配电路输入端连接50ω阻抗，输出端连接晶体管栅极；谐波控制电路输入端连接晶体管漏极，输出端连接双带基波匹配电路；双带基波匹配电路输出端连接50ω阻抗；栅极偏置电路、漏极偏置电路分别连接晶体管输入、输出端。

参见图2，为本发明的谐波控制电路图，包含串联微带线t1、t2、t3、t7，并联微带线t4、t5、t6。第三微带线(t3)一端分别与第六微带线(t6)和第二微带线(t2)连接，第二微带线(t2)另一端分别与第五微带线(t5)、第一微带线(t1)相连，第一微带线(t1)另一端与第四微带线(t4)和晶体管漏极输出端相连。其中，第六微带线(t6)与第三微带线(t3)共同控制高频三次谐波，第五微带线(t5)分别与第二、三微带线(t2、t3)及第六微带线(t6)共同控制低频三次谐波和高频二次谐波，第四微带线(t4)与第一、二、三微带线(t1、t2、t3)及第五、六微带线(t5、t6)共同控制低频二次谐波。进一步的，第七微带线(t7)与第三微带线(t3)的另一端相连，通过第七微带线(t7)参数调谐最终实现在op点两基波频率(低频点和高频点)分别满足逆f类和f类的输出阻抗条件。

进一步的，对本谐波控制电路的微带线参数计算方式进行说明：

微带线的两个参数分别为电长度θn和特性阻抗zn，其中特性阻抗zn为自由参数，电长度θn为待求参数。同时，为了简化说明，双带中的低频用fl表示，高频用fh表示。

fh的三次谐波经过电长度为的第六微带线(t6)在a点呈短路状态，再通过电长度的第三微带线(t3)在op’呈开路状态。进一步的，参见图3，将fh的二次谐波与fl的三次谐波结合为其中k一般取2，误差因子为正负0.1，为了表示方便，我们将其称作fa,fa在经由电长度为度的第五微带线(t5)后在b点呈现短路，最终在op’呈现短路。由阻抗的计算公式可知，通过选定合适的z3可得从谐波控制电路输出端op看向a处的输入阻抗为

通过选定合适的z6可得经过第六微带线(t6)并联后从op看向a’处的输入阻抗为

又因在b处fa短路，通过选定合适的z2即可确定第二微带线(t2)的参数θ2

z'a(fa)＝jz2tanθ2(3)

进一步的，参见图4，fl的二次谐波经电长度为度的第四微带线(t4)在c点呈现短路，在op’呈现开路。从op看向a’点的输入阻抗和看向b、b’点的输入阻抗分别为

z'b(2fl)＝jz1tanθ1(7)

通过选定合适的z1即可确定第一微带线(t1)的参数θ1

进一步的，通过第七微带线(t7)调谐使fl,fh的谐波在op点最终呈现fl的二次谐波开路，fh的三次谐波开路，fa短路，由于fa是由频差较近fl的三次谐波和fh的二次谐波计算得到，因此可以近似于fl的三次谐波和fh的二次谐波且同时不影响基波的匹配。从而在op点实现了低频fl工作在逆f类功率放大器工作状态，高频fh工作在f类功率放大器工作状态，即在两频点分别工作与不同的工作状态。

通过改进谐波控制网络，成功减小了两频点之间的影响，通过精确地谐波计算，使效率得到一定的提升。对比图5、图6的史密斯圆图可看出两频点之间谐波的影响减轻，解决了传统谐波控制方式低频三次谐波和高频二次谐波互相影响无法匹配到开路点和短路点的问题，特别是高频二次谐波能够被很好地匹配到短路状态。由于谐波被很好地控制，因此效率有了明显提升。

本发明还公开了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器的设计方法，通过以下步骤实现：

步骤s1：选取双频带中心频点fh和fl，将fh的二次谐波与fl的三次谐波结合为k取2±0.1，称作fa。

步骤s2：设计栅极偏置电路和漏极偏置电路以保证功率放大器的正常工作，并进行双带输入电路的设计。

步骤s3：设计谐波控制电路，使fl和fh符合逆f类和f类输出阻抗条件，传输线特征阻抗z为自由参数，电长度θ为待求参数。设计t6、t5、t4微带线电长度分别为使3fh在a处短路，3fl和2fh在b处短路，2fl在c处短路。设计t3电长度使3fh在输出端开路,利用公式(1)-(3)使3fl和2fh在输出端短路，得出t2电长度θ2，利用公式(4)-(7)使2fl在输出端开路，得出t1电长度θ1，t7进行调谐以满足输出端阻抗条件。最后通过计算将电路参数转换为微带线参数宽度w、长度l。

z'a(fa)＝jz2tanθ2(3)

z'b(2fl)＝jz1tanθ1(7)

其中za(fa)、z'a(fa)为从谐波控制输出端看向a，a’点的3fl和2fh的输入阻抗，zb(2fl)、z'b(2fl)为谐波控制输出端看向b，b’点的2fl的输入阻抗，zn和θn分别为传输线的阻抗和电长度。

步骤s4：利用谐波控制输出端基波阻抗设计基波输出匹配电路，将电路输入端两频点基波阻抗匹配到负载阻抗。利用ads进行原理图仿真及参数调整，以保证效率最大化。

参见图7，为利用本发明和传统谐波控制技术对工作于1.9ghz和2.6ghz的一定带宽的功率放大器通过ads仿真的效率曲线，可以看出，低频点(1.9ghz)效率略有提高，可以达到68％以上，高频点(2.6ghz)效率对比传统结构提高8％以上，可以达到70％以上，和本发明所阐述的理论相符。

上述实施例仅是解释本发明原理的一个示例，本发明并不限制于上述实施例，其他任何符合本发明原理的改进，均在本发明的保护范围之内。