一种宽带高效率的连续逆f类功率放大器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种宽带高效率的连续逆F类功率放大器及其设计方法，属于无线通 信技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着新一代无线通信系统的快速发展，更高速率的数据传输和更丰富的业务内容 等需求使得基带信号的带宽变得越来越宽，甚至4G中的LTE-Advanced通信中的基带信号 已经高达100MHz;此外，多种通信模式的兼容和多频带工作的需求更是对无线通信系统的 带宽提出了更高的要求。作为无线通信系统中的重要组成部分，高功率放大器的宽带特性 成为衡量功率放大器性能的重要指标。
[0003] 另一方面，面对内容更丰富的业务需求，更高速率的数据传输和更高效的频谱调 制技术的使用让传输信号的峰均比在带宽增加的同时也在不断提高。面对带有更高峰均比 的传输信号，功率放大器为了避免信号压缩和信息损失，不得不回退到低功率状态进行工 作。而作为无线通信系统中功耗最大的模块，功率放大器的能源耗费可以占到整个系统的 50%甚至更高，由功率回退带来的效率低下会导致整个无线通信系统效率大大降低，造成 能源的极大浪费。因此，宽带高效率功率放大器的研宄成为当今功率放大器领域的热点课 题。
[0004] 目前常用的宽带高效率综合设计方法，主要是采用低通滤波器原型综合设计方 法，首先根据负载牵引所得的基波阻抗实部与50Q的比值确定阻抗转换比，依据匹配所需 带宽与中心频率的百分比带宽来确定滤波器的阶数；从低通滤波器参数表中得到对应的集 总参数低通滤波器电路；再对得到的集总参数电路结构进行微调，实现实数阻抗到复数阻 抗的匹配电路；最后将得到的集总参数匹配电路依据集总原件和传输线之间的等效转换公 式，实现集总参数电路到分布式传输线匹配电路的变换。
[0005] 然而，发明人在研宄中发现，这种从集总原件到传输线之间的等效变换需要在一 定的前提下，那就是转换之后的传输线电长度<n/4。根据等效转换关系：
【主权项】
1. 一种宽带高效率的连续逆F类功率放大器，其特征在于：包括功率放大器巧）、高低 阻抗传输线式输入匹配网络（1)、高低阻抗传输线式输出匹配网络（2)，可调式输入馈电网 络（3) W及宽带输出馈电网络（4);高低阻抗传输线式输入匹配网络（1)中包括第一传输 线；高低阻抗传输线式输出匹配网络（2)包括第二传输线； 所述高低阻抗传输线式输入匹配网络（1)包括第一传输线中顺序连接的第二高阻抗 传输线（14)、第二低阻抗传输线（13)、第一高阻抗传输线（12)、第一低阻抗传输线（11);第 一开路枝节线（15)与第一传输线的输入端并联；其中，第二高阻抗传输线（14)作为第一传 输线的输入端，第一低阻抗传输线（11)作为第一传输线的输出端；第一传输线的输出端与 功率放大器巧）的输入端连接； 所述高低阻抗传输线式输出匹配网络（2)包括第二传输线中顺序连接的第=高阻抗 传输线（21)、第=低阻抗传输线（22)、第四高阻抗传输线（23)、第四低阻抗传输线（24)和 第五高阻抗传输线（25);第二开路枝节线（26)与第二传输线的输出端并联；其中，第S高 阻抗传输线（21)作为第二传输线的输入端，第五高阻抗传输线（25)作为第二传输线的输 出端；第二传输线的输入端与功率放大器巧）的输出端连接； 所述可调式输入馈电网络包括电阻（31)、第一扼流电感（32)、可调节长度传输线（33) W及N个旁路电容；电阻（31)的一端与第一传输线的输出端连接；电阻（31)的另一端通 过第一扼流电感（32)与可调节长度传输线（33)的一端连接；可调节长度传输线（33)的另 一端分别与N个旁路电容的一端连接，其N个旁路电容的另一端均接地，N > 4,且N为正整 数；所述可调节长度传输线（33)包括相互平行的输出线（331)和输入线（333)，在输出线 (331)和输入线（333)之间设置有a条相互平行的传输线（332)，并且传输线（332)与输出 线（331)垂直；其中a为> 2,并且a为正整数； 所述宽带输出馈电网络包括第二扼流电感（41)、W及M个旁路电容；所述第二扼流电 感（41)的一端连接在第=高阻抗传输线（21)与第=低阻抗传输线（22)间；所述第二扼流 电感（41)的另一端分别与M个旁路电容的一端连接，其M个旁路电容的另一端均接地，所 述M>3,且M为正整数； 所述第一传输线的输入端即为连续逆F类功率放大器的输入端，所述第二传输线的输 出端即为连续逆F类功率放大器的输出端。
2. 根据权力要求1所述一种宽带高效率的连续逆F类功率放大器，其特征在于：所述 第一传输线的输入端和第二传输线的输出端均串联一个禪合电容化）。
3. -种宽带高效率的连续逆F类功率放大器设计方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 利用仿真软件中的谐波负载牵引电路，得到功率放大器巧）的工作频带W及在=次 谐波频率W内的谐波频率处的谐波输入、输出阻抗和基波频率处的输入、输出阻抗；所述工 作频带包括谐波频率和基波频率； 2) 将传统简易实频技术中的截止频率参数f。由单值改为一组由低到高的频率取值范 围，从而得到改进的简易实频技术匹配算法，所述从低到高的频率取值范围中的最低值不 小于功率放大器的工作频带中的最低频率值，最高值不大于步骤1)中的=次谐波频率； 首先设置输出阻抗匹配网络在简易实频技术匹配算法中的输出优化目标值，将谐波负 载牵引电路得到的工作频带的基波频率W及基波频率处的输出阻抗载入到所述的改进简 易实频技术匹配算法中的目标函数，优化目标函数的参数得到满足优化目标值的基波输出 阻抗目标函数^n_T ;再对基波输出阻抗目标函数化n_T进行求解，得到若干个在基波频率 处满足所述输出优化目标值的输出阻抗匹配网络； 将工作频带的谐波频率W及负载牵引得到的谐波频率处的输出阻抗带入目标函数，得 到谐波输出阻抗目标函数Har_T ;根据所述若干个在基波频率处满足所述输出优化目标值 的输出阻抗匹配网络，计算所述若干个输出阻抗匹配网络分别在谐波频率处的谐波输出阻 抗目标函数Har_T的值；根据谐波输出阻抗目标函数值Har_T计算谐波输出阻抗目标误差 函数Har_Te;rr的值； Har_Terr = l-Har_T 对比若干个在基波频率处满足所述输出优化目标值的输出阻抗匹配网络所对应各自 的谐波阻抗目标误差函数值的大小，挑选出谐波输出阻抗匹配误差值最小的匹配网络，该 匹配网络即为高低阻抗传输线式输出匹配网络（2); 3) 首先设置输入阻抗匹配网络在简易实频技术匹配算法中的输入优化目标值，将步骤 1)中由负载牵引得到的工作频带W及基波、谐波频率处的输入阻抗载入到所述改进简易实 频技术匹配算法中的目标函数，优化目标函数的参数得到满足优化目标值的基波输入阻抗 目标函数化n_Tl ;再对基波输入阻抗目标函数^n_Tl进行求解，得到若干个在基波频率处 满足所述输入优化目标值的输入阻抗匹配网络； 将工作频带中的谐波频率及其负载牵引得到的谐波频率处的输入阻抗带入目标函数， 得到谐波输入阻抗目标函数Har_Tl ;根据所述若干个在基波频率处满足所述输入优化目 标值的输入阻抗匹配网络，计算所述若干个输入阻抗匹配网络分别在谐波频率处的谐波输 入阻抗目标函数Har_Tl的值；根据谐波输入阻抗目标函数值Har_Tl计算谐波输入阻抗目 标误差函数Harjerrl的值； Har_Terrl = l-Har_Tl 对比若干个在基波频率处满足所述输入优化目标值的输入阻抗匹配网络所对应各自 的谐波阻抗目标误差函数值的大小，挑选出谐波输入阻抗匹配误差值最小的匹配网络，该 匹配网络即为高低阻抗传输线式输入匹配网络（1); 4) 将步骤2)得到的高低阻抗传输线式输出匹配网络（2)与宽带输出馈电网络（4)连 接，使得输出匹配网络能够产生开路状态；步骤3)中得到的高低阻抗传输线式输入匹配网 络（1)与可调式输入馈电网络（3)连接；并且将高低阻抗传输线式输出匹配网络（2)、高低 阻抗传输线式输入匹配网络（1)与功率放大器（5)连接，得到最终的逆F类功率放大器。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高效率的连续逆F类功率放大器，其特征在于：所 述功率放大器（5)采用氮化嫁高电子迁移率管。
【专利摘要】本发明公开了一种连续逆F类高效率功率放大器及其设计方法，该功率放大器包括五段高低阻抗传输线式输入匹配电路，六段高低阻抗传输线式输出匹配电路，可调节式输入馈电网络，宽带输出馈电网络。本发明基于改进的具有谐波控制的简易实频技术匹配算法，对功率放大器的输入输出阻抗进行宽带匹配，实现宽带连续逆F类高效率工作。该设计方法在提高效率的同时避免了一般的低通滤波器原型设计方法中的基板材料介电常数受限的缺点，实现了可以应用于更高介电常数板材的连续逆F类功率放大器。本发明在高效率宽带功率放大器应用背景下，针对综合的宽带高效率设计方法需求，具有结构简单、体积紧凑、适用性更加广泛的优点。
【IPC分类】H03F1-02, H03F3-20, H03F1-42
【公开号】CN104617896
【申请号】CN201510092406
【发明人】朱晓维, 孙引进, 张雷, 孟凡
【申请人】东南大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月28日