一种连续ef类高效率宽带功率放大器及其实现方法
【专利摘要】本发明提供一种连续EF类高效率宽带功率放大器及其实现方法，包括基波输入匹配网络、E类功率放大器、连续型谐波控制网络以及基波输出匹配网络，其中，基波输入匹配网络的输入端与功率输入端相连接，其输出端接E类功率放大器的输入端；E类功率放大器的输出端与连续型谐波控制网络的输入端相连接，连续型谐波控制网络的输出端与基波输出匹配网络的输入端相连接，基波输出匹配网络的输出端作为功率输出。相对于现有技术，本发明在对“连续类思想”进行深入研究的基础上，提出新型基波输出匹配网络和连续型谐波控制网络，能够极大抑制负载阻抗随工作频率的漂移，在保持功放高效率的情况下拓展带宽，极大提升了放大器的整体带宽。
【专利说明】
一种连续EF类高效率宽带功率放大器及其实现方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及射频通讯技术领域，尤其涉及一种连续EF类高效率宽带功率放大器及 其实现方法。
【背景技术】
[0002] 射频功率放大器，作为整个发射系统中的末级模块，是整个射频系统中功耗最大 的部件，它的主要作用是对前级输出的信号进行功率放大，并且将放大后的信号送给天线 进行发射。由于功率放大器工作会消耗很大的直流功率，因此效率是功率放大器设计时首 先要考虑的重要指标，同时输出功率、线性度、带宽也是功率放大器的关键指标。这主要体 现在这样以下几个方面：（1)功率放大器的带宽。由于现在多种通信标准相互兼容，各自工 作频段又不同，出于成本与体积的考虑，要求一个射频功率放大器能够应用于多个通信系 统如GSM、CMDA、LTE等，这就对整个射频收发系统的带宽提出了更高的要求，特别是对于处 于整个射频发射系统末级的功率放大器提出了更高的要求。（2)功率放大器的效率。射频功 率放大器是整个射频发射单元的最后一级，必然会消耗最多的能量，所以就要求功率放大 器的效率尽可能的高。目前我国正处在倡导能源环保化节约化的重要时期。为了保证通信 兼容性和运营成本，对更宽频带、高效率功率放大器需求越来越大，尤其是对正在推广的第 4代移动通信技术，要求射频功率放大器具有高效率性能指标。同时为了覆盖移动、电信、联 通三家运营商的工作频段还需要功率放大器具有更宽带宽的性能。基于上述因素的考虑， 国外首先提出了 EF类功率放大器的思想。其中，E类功放由开关晶体管和输出端的电容电感 构成，通过强驱动使得功放的晶体管以开关状态工作，其波形的特点是:有电流流过时，电 压为零;有电压时，流过电流为零，晶体管导通瞬间电压的斜率为零。F类的原理就是通过调 整高次谐波的阻抗，调整对应谐波的电压和电流，从而对总的电压电流波形进行重塑，使 得在时域上不出现电压电流的重叠，在频域上高次谐波功率消耗为零。理论上可以达到 100 %的效率。现有技术的EF类功率放大器结合了 E类和F类的设计方法，通过在E类功率放 大器中利用谐波控制电路控制高次谐波，并利用负载牵引来回迭代得到最佳基波负载和源 阻抗，虽然能获得比E类和F类更高的效率，但其匹配时只是对中心频率进行最优匹配，基于 经典的传输线理论，当工作频率偏移中心频率时，相应的输出阻抗亦会偏移最优值，造成放 大器性能的衰减，这必将会对功率放大器的效率产生极大的影响，因此，现有技术EF类功率 放大器不适宜做宽带，而只能进行窄带设计。
[0003] 故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案， 解决现有技术中存在的缺陷。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种连续EF类高效率宽带功率放大器及其实现 方法，在现有技术EF类功率放大器的研究基础上拓展了"连续类"思想，并创新性地提出了 新型基波输出匹配网络和连续谐波控制网络，这两种结构是基于"连续类"思想而来。以解 决上述问题。
[0005] 为了克服现有技术的缺陷，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种连续EF类高效率宽带功率放大器，包括基波输入匹配网络、E类功率放大器、 连续型谐波控制网络以及基波输出匹配网络，其中，
[0007] 所述基波输入匹配网络的输入端与功率输入端相连接，其输出端接所述E类功率 放大器的输入端；
[0008] 所述E类功率放大器的输出端与所述连续型谐波控制网络的输入端相连接，所述 连续型谐波控制网络的输出端与所述基波输出匹配网络的输入端相连接，，所述基波输出 匹配网络的输出端作为功率输出；
[0009] 所述连续型谐波控制网络包括第一微带线Z1、第二微带线Z2、第三微带线Z3和第 四微带线Z4,所述第一微带线Z1的一端与E类功率放大器的输入端相连接，所述第一微带线 Z1的另一端与所述第二微带线Z2的一端、第三微带线Z3的一端和第四微带线Z4的一端相连 接，所述第四微带线Z4的另一端与所述基波输出匹配网络相连接;所述第二微带线Z2的另 一端和所述第三微带线Z3的另一端接地形成两个短路枝节，使其偶次谐波牵引至短路点， 奇次谐波牵引至开路点；
[0010] 所述基波输出匹配网络采用阻抗阶跃式拓扑结构，包括所述第五微带线Z5、第六 微带线Z6和第七微带线Z7,所述第五微带线Z5的一端与所述连续型谐波控制网络的输入端 相连接，所述第五微带线Z5的另一端与所述第六微带线Z6的一端相连接，所述第六微带线 Z6的另一端与所述第七微带线Z7的一端相连接，所述第七微带线Z7的另一端与功率输出相 连接;其中，所述第五微带线Z5、第六微带线Z6和第七微带线Z7的阻抗呈阶跃式变化，使其 基波频率下的最佳阻抗值构成一条最佳阻抗线，继而在整个带宽内最佳基波阻抗成为一个 平滑连续的曲面。
[0011]优选地，所述第二微带线Z2和所述第三微带线Z3的参数根据功率放大器的频率相 应调节。
[0012] 为了克服现有技术的缺陷，本发明还提出一种连续EF类高效率宽带功率放大器的 实现方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1:调试一个标准的E类功率放大器；
[0014] 步骤2:在所述E类功率放大器的输出端架构一宽带匹配网络，所述宽带匹配网络 的拓扑结构由各种微带线综合级联而成，调节各种微带线的参数得到一条逼近最佳阻抗曲 面的曲线，从而在保持EF类高效率的同时拓宽功率放大器的工作带宽。
[0015] 优选地，所述宽带匹配网络包括连续型谐波控制网络和基波输出匹配网络，其中， 所述连续型谐波控制网络包括第一微带线Z1、第二微带线Z2、第三微带线Z3和第四微带线 Z4,所述第一微带线Z1的一端与E类功率放大器的输入端相连接，所述第一微带线Z1的另一 端与所述第二微带线Z2的一端、第三微带线Z3的一端和第四微带线Z4的一端相连接，所述 第四微带线Z4的另一端与所述基波输出匹配网络相连接;所述第二微带线Z2的另一端和所 述第三微带线Z3的另一端接地形成两个短路枝节，使其偶次谐波牵引至短路点，奇次谐波 牵引至开路点；
[0016] 所述基波输出匹配网络采用阻抗阶跃式拓扑结构，包括所述第五微带线Z5、第六 微带线Z6和第七微带线Z7,所述第五微带线Z5的一端与所述连续型谐波控制网络的输入端 相连接，所述第五微带线Z5的另一端与所述第六微带线Z6的一端相连接，所述第六微带线 Z6的另一端与所述第七微带线Z7的一端相连接，所述第七微带线Z7的另一端与功率输出相 连接;其中，所述第五微带线Z5、第六微带线Z6和第七微带线Z7的阻抗呈阶跃式变化，使其 基波频率下的最佳阻抗值构成一条最佳阻抗线，继而在整个带宽内最佳基波阻抗成为一个 平滑连续的曲面。
[0017]相对于现有技术，本发明提供的连续EF类高效率宽带功率放大器及其实现方法， 在对"连续类思想"进行深入研究的基础上，提出新型基波输出匹配网络和连续型谐波控制 网络，能够极大抑制负载阻抗随工作频率的漂移，在保持功放高效率的情况下拓展带宽，极 大提升了放大器的整体带宽。
【附图说明】
[0018]图1是"连续类"思想中电流面最佳阻抗值的示意图。
[0019] 图2是本发明连续EF类高效率宽带功率放大器的架构图。
[0020] 图3是本发明连续EF类高效率宽带功率放大器中连续型谐波控制网络和基波输出 匹配网络的拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0021] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述， 但本发明并不限于这些实施例。
[0022] 针对现有技术存在的缺陷，
【申请人】对现有技术中EF类功率放大器的结构进行了深 入的研究，
【申请人】发现现有技术中EF类功率放大器是基于经典的传输线理论对中心频率进 行最优匹配。我们知道:一般情况下为了进行简化分析，传统EF类功率放大器的电流波形采 用半余弦整流波形，对其进行傅里叶分解及归一化后的漏极电流波形公式为：
[0023]
[0024]同理，控制到三次谐波后的电压波形公式为：
[0025]
[0026] 电流面的各次谐波最佳阻抗可表示为公式：
[0027]
[0028] 其中η代表η次谐波分量。这样的结果就要求在每个谐波频点都对应一个最佳阻抗 要求值，这对于宽频带设计提出了很高的难度。当工作频率偏移中心频率时，相应的输出阻 抗亦会偏移最优值，从而造成放大器性能的衰减，使现有技术EF类功率放大器不适宜做宽 带，而只能进行窄带设计。
[0029] 基于此种情况，
【申请人】对"连续类"思想进行深入的研究，并引入"连续类"思想对 上述的电压公式进一步修正并归一化后得到的电压公式为：
[0030]
[0031]考虑其中的修正因子γ(-?〈γ〈?)，得到在基波频率下的最佳阻抗值已经由先前 的一个点（γ =〇)变成一条连续的线，发散到整个带宽内，最佳基波阻抗就成为一个平滑连 续的曲面，具体参见图1所示，是"连续类"思想中电流面最佳阻抗值的示意图。因此只要设 计出宽带匹配网络就能提高功率放大器的带宽。至于宽带匹配网络的设计，其拓扑结构都 是由各种微带线综合级联而成，而微带线可以分析和图解成参数形式在史密斯圆图上表示 出来，因此其拓扑结构的阻抗曲线实质是一个由多参数组成的参数方程，只要求出这些参 数就可以得到最终的匹配网络。通过分析各种微带线在史密斯圆图的走势规律，再经过插 值、拟合、回归等数学方式，就可以得到一条逼近最佳阻抗曲面的曲线，即得出定量的解，进 一步就可以得出一个拓扑结构雏形。
[0032]
【申请人】根据上述理论，设计出本发明的宽带匹配网络包括连续型谐波控制网络和 基波输出匹配网络，均是基于"连续类"思想而来，他们的结合能够保证在尽量宽的带宽内 抑制负载阻抗的漂移从而达到扩展带宽的目的。
[0033]参见图2,所示为本发明连续EF类高效率宽带功率放大器的架构图，包括基波输入 匹配网络、Ε类功率放大器、连续型谐波控制网络以及基波输出匹配网络，其中，基波输入匹 配网络的输入端与功率输入端相连接，其输出端接Ε类功率放大器的输入端;Ε类功率放大 器的输出端与连续型谐波控制网络的输入端相连接，连续型谐波控制网络的输出端与基波 输出匹配网络的输入端相连接，，基波输出匹配网络的输出端作为功率输出。
[0034]参见图3，所示为本发明连续EF类高效率宽带功率放大器中连续型谐波控制网络 和基波输出匹配网络的拓扑结构图，连续型谐波控制网络包括第一微带线Ζ1、第二微带线 Ζ2、第三微带线Ζ3和第四微带线Ζ4,第一微带线Ζ1的一端与Ε类功率放大器的输入端相连 接，第一微带线Ζ1的另一端与第二微带线Ζ2的一端、第三微带线Ζ3的一端和第四微带线Ζ4 的一端相连接，第四微带线Ζ4的另一端与基波输出匹配网络相连接;第二微带线Ζ2的另一 端和第三微带线Ζ3的另一端接地形成两个短路枝节，使其偶次谐波牵引至短路点，奇次谐 波牵引至开路点；
[0035]基波输出匹配网络采用阻抗阶跃式拓扑结构，包括第五微带线Ζ5、第六微带线Ζ6 和第七微带线Ζ7,第五微带线Ζ5的一端与连续型谐波控制网络的输入端相连接，第五微带 线Ζ5的另一端与第六微带线Ζ6的一端相连接，第六微带线Ζ6的另一端与第七微带线Ζ7的一 端相连接，第七微带线Ζ7的另一端与功率输出相连接;其中，第五微带线Ζ5、第六微带线Ζ6 和第七微带线Ζ7的阻抗呈阶跃式变化，使其基波频率下的最佳阻抗值构成一条最佳阻抗 线，继而在整个带宽内最佳基波阻抗成为一个平滑连续的曲面。
[0036]其中，谐波控制网络中的两个短路枝节微带线的阻抗Ζ2和Ζ3由所设计的功率放大 器的频段而定。
[0037]针对现有技术的不足，本发明还提出了一种连续EF类高效率宽带功率放大器的实 现方法，具体包括如下步骤：
[0038] 步骤一:调试一个标准的Ε类功率放大器；
[0039] 步骤二:设计一个新型的基波输出匹配网络，采用阻抗阶跃式拓扑结构，拓扑结构 中三段微带线的阻抗Ζ5，Ζ6，Ζ7呈阶跃式变化。使其基波频率下的最佳阻抗值构成一条最佳 阻抗线，继而在整个带宽内最佳基波阻抗就成为一个平滑连续的曲面；
[0040]步骤三:根据"连续类"思想，引入改进的短路并联枝节的连续谐波控制网络，谐波 控制网络中的两个短路枝节微带线的阻抗Z2和Z3由所设计的功率放大器的频段而定，使其 偶次谐波牵引至短路点，奇次谐波牵引至开路点；
[0041 ]步骤四：对整体电路进行优化调谐，在保持EF类高效率的同时拓宽功率放大器的 工作带宽。
[0042]其中，所述的连续EF类功放的负载阻抗为50欧。
[0043]以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对 于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 若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。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。
【主权项】
1. 一种连续EF类高效率宽带功率放大器，其特征在于，包括基波输入匹配网络、E类功 率放大器、连续型谐波控制网络以及基波输出匹配网络，其中， 所述基波输入匹配网络的输入端与功率输入端相连接，其输出端接所述E类功率放大 器的输入端； 所述E类功率放大器的输出端与所述连续型谐波控制网络的输入端相连接，所述连续 型谐波控制网络的输出端与所述基波输出匹配网络的输入端相连接，，所述基波输出匹配 网络的输出端作为功率输出； 所述连续型谐波控制网络包括第一微带线Z1、第二微带线Z2、第三微带线Z3和第四微 带线Z4,所述第一微带线Zl的一端与E类功率放大器的输入端相连接，所述第一微带线Zl的 另一端与所述第二微带线Z2的一端、第三微带线Z3的一端和第四微带线Z4的一端相连接， 所述第四微带线Z4的另一端与所述基波输出匹配网络相连接;所述第二微带线Z2的另一端 和所述第三微带线Z3的另一端接地形成两个短路枝节，使其偶次谐波牵引至短路点，奇次 谐波牵引至开路点； 所述基波输出匹配网络采用阻抗阶跃式拓扑结构，包括所述第五微带线Z5、第六微带 线Z6和第七微带线Z7,所述第五微带线Z5的一端与所述连续型谐波控制网络的输入端相连 接，所述第五微带线Z5的另一端与所述第六微带线Z6的一端相连接，所述第六微带线Z6的 另一端与所述第七微带线Z7的一端相连接，所述第七微带线Z7的另一端与功率输出相连 接;其中，所述第五微带线Z5、第六微带线Z6和第七微带线Z7的阻抗呈阶跃式变化，使其基 波频率下的最佳阻抗值构成一条最佳阻抗线，继而在整个带宽内最佳基波阻抗成为一个平 滑连续的曲面。2. 根据权利要求1所述的连续EF类高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述第二微带 线Z2和所述第三微带线Z3的参数根据功率放大器的频率相应调节。3. -种连续EF类高效率宽带功率放大器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:调试一个标准的E类功率放大器； 步骤2:在所述E类功率放大器的输出端架构一宽带匹配网络，所述宽带匹配网络的拓 扑结构由各种微带线综合级联而成，调节各种微带线的参数得到一条逼近最佳阻抗曲面的 曲线，从而在保持EF类高效率的同时拓宽功率放大器的工作带宽。4. 根据权利要求3所述的连续EF类高效率宽带功率放大器的实现方法，其特征在于，所 述宽带匹配网络包括连续型谐波控制网络和基波输出匹配网络，其中，所述连续型谐波控 制网络包括第一微带线Z1、第二微带线Z2、第三微带线Z3和第四微带线Z4,所述第一微带线 Zl的一端与E类功率放大器的输入端相连接，所述第一微带线Zl的另一端与所述第二微带 线Z2的一端、第三微带线Z3的一端和第四微带线Z4的一端相连接，所述第四微带线Z4的另 一端与所述基波输出匹配网络相连接;所述第二微带线Z2的另一端和所述第三微带线Z3的 另一端接地形成两个短路枝节，使其偶次谐波牵引至短路点，奇次谐波牵引至开路点； 所述基波输出匹配网络采用阻抗阶跃式拓扑结构，包括所述第五微带线Z5、第六微带 线Z6和第七微带线Z7,所述第五微带线Z5的一端与所述连续型谐波控制网络的输入端相连 接，所述第五微带线Z5的另一端与所述第六微带线Z6的一端相连接，所述第六微带线Z6的 另一端与所述第七微带线Z7的一端相连接，所述第七微带线Z7的另一端与功率输出相连 接;其中，所述第五微带线Z5、第六微带线Z6和第七微带线Z7的阻抗呈阶跃式变化，使其基 波频率下的最佳阻抗值构成一条最佳阻抗线，继而在整个带宽内最佳基波阻抗成为一个平 滑连续的曲面。
【文档编号】H03F3/24GK105897194SQ201610309332
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】程知群, 李江舟, 张明, 董志华, 刘国华, 周涛, 柯华杰
【申请人】杭州电子科技大学