一种新型宽带异相射频功率放大器的制作方法

1.本发明涉及射频微波通信领域，提出了一种能够在宽频带下工作的高效率射频异相功率放大器。


背景技术：

2.随着无线通信技术的迭代升级，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要。然而，而作为射频通信收发机中关键组件—射频功率放大器简称(射频功放)近年来越来越受到人们的重视。传统射频功率放大器基于导通角的大小分为a、b、c类功率放大器，其中a、b、ab类功放称为线性功放。c类功放称为非线性功放。复杂的通信调制方式使得通信信号呈现出高峰均比的特点。但是传统类型的功率放大器无法满足复杂通信信号的传输需求，因此近年来能满足高峰均比信号的传输需求的功率放大器传输架构开始受到研究人员越来越多的关注，其中尤其以负载调制型结构最为热门。典型的负载调制功率放大器类型分为doherty功率放大器和异相功率放大器。
3.典型的异相射频功率放大器由两路完全相同的子功率放大器组成，异相射频功率放大器的输入信号要求为恒幅异相，因此传统的基带信号需要首先经过信号调制电路利用矢量分解的原理，将幅度信息转化为相位信息，而后经过过上变频和放大等处理输入到两路相同的功率放大器器中，经过功率放大之后通过合适的功率组合电路合并得到放大后的原始信号。主流的异相功率放大器组合电路采用非隔离型，其具有回退效率高的优点。但同时非隔离型组合电路由于负载调制的作用会受到无功虚部的影响，因此需要额外的虚部补偿电路来抵消无功虚部，从而实现回退功率处的高效率。其中经典的chireix 异相功率放大器即是采用电长度为λ/4的组合电路以及并联电容和并联电感的方式来实现虚部补偿的作用。近年来一些采用非等长传输线、网络综合等设计方法被提出，核心思想是将补偿电路和功率组合电路进行合并设计，进而简化电路的设计步骤和复杂度。
4.随着通信技术的快速发展，各种调制方式相继出现，各运营商能获得的授权频率也各不相同。为了提升通信系统对各种制式信号的适应性，亟须研制出能支持多频带宽带工作的高效率功率放大器。当前5g通信正逐渐普及，5g通信的高容量和大带宽给射频功率放大器提出了更大的挑战。当前5g通信频带主要集中于sub6g和毫米波通信两个频带，目前我国主要采用的就是sub6ghz，该频段的特点是：信号穿透力强，能最快速度的实现5g网络的覆盖。5g通信在sub6g频带包括3.3ghz～3.6ghz和 4.8ghz～5.0ghz相比4g通信20mhz信号带宽有了明显的增加，因此继续能够实现涵盖4g和5g通信频段的宽带射频功率放大器。目前针对宽带异相射频功率放大器的研究主要集中在采用可重构网络来实现虚部补偿网络的可调性，但是可重构结构会引入较大的插损，对功率放大器的输出功率和效率都有很大的影响。针对目前现有技术中存在的不足，实有必要进行研究，以提供一种通用的宽带异相功率放大器的解决方案。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以在宽频带内工作的异相射频功率放大器设计方案。基于全新的宽带异相功率放大器设计理论，设计一种新型的宽带功率组合电路，最终实现宽频带范围内的异相功率放大。
6.该功率放大器包括宽带输入匹配电路、稳定电路、栅极偏置电路、集成晶体管寄生匹配的漏极供电电路、前匹配电路、以及基于等阻抗任意电长度的两路功率组合电路、后匹配电路。其中，宽带输入匹配网络采用低q值宽带匹配的设计方法来实现。稳定电路由并联电阻和电容来组成，用来保证放大器处于稳定状态避免自激。栅极偏置电路用来使得放大器工作于ab类状态。集成晶体管寄生匹配的漏极供电电路，用于给晶体管提供漏极供电功能的同时与前匹配电路一起实现阻抗匹配。前匹配电路采用l型电路结构来实现阻抗匹配。功率合成电路采用等阻抗任意电长度电路结构来保证宽带组合电路阻抗轨迹随着频率变化的对称关系。后匹配电路将合路点最优阻抗通过阶跃式宽带匹配转化为标准接口阻抗50欧姆。
7.具体如下：
8.一种新型宽带异相功率放大器，包括两路功率放大电路、前匹配电路、等阻抗不同电长度的功率合成电路、后匹配电路；其中每一路均包括宽带输入匹配电路、rc稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成晶体管寄生匹配的漏极供电电路；每路宽带输入匹配电路的输出端与rc稳定电路的输入端连接，rc稳定电路的输出端与晶体管栅极连接；栅极偏置电路的输入端接直流电源，输出端接rc稳定电路的输入端；集成晶体管寄生匹配的漏极供电电路的输入端接直流电源，输出端接晶体管的漏极；两个晶体管的漏极接前匹配电路的输入端，前匹配电路的输出端接等阻抗不同电长度的功率合成电路的输入端；两路功率合成电路的输出端合并并与后匹配电路的输入端连接，后匹配电路的输出端接标准负载50欧姆。
9.优选的，宽带输入匹配电路采用低q值切比雪夫阶跃式宽带匹配方法构建，具体为采用串联电感和并联电容交替的低通滤波器结构来设计。但是由于集总元件高频损耗较大，所以需要将集总元件转换为微带线，串联电感相当于串联低阻抗微带线，最终形成高低阻抗交替的电容-微带线结构。该结构损耗低，并且尺寸较小，简化了电路结构，实现了设计目的。
10.优选的，放大器处于宽频带范围内易出现因不稳定而自激的现象，此时需要加入稳定电路来提高放大器的稳定性。rc稳定电路是在晶体管的输入端增加并联电容和电阻有耗器件，从而提高稳定性。
11.优选的，栅极偏置电路包括一条一端通过电容接地的并联微带线，用来提供栅极偏置电压。
12.优选的，集成晶体管寄生匹配的漏极偏置电路包括一条一端通过电容接地的并联微带线，用来提供漏极供电电压的同时起到匹配晶体管寄生元件的作用。
13.优选的，前匹配电路采用l型结构，用来实现宽带范围内的双阻抗匹配。
14.优选的，上下支路分别采用等阻抗不同电长度的微带线组成，等阻抗保证组合电路的对称性，不同电长度与前端的前匹配电路共同实现宽带阻抗匹配的功能。
15.优选的，后匹配电路采用低q值的高低阻抗交替的阶跃式宽带匹配电路设计方法，用来将功率合成电路的输出端阻抗匹配到50欧姆标准接口阻抗。
16.本发明的有益效果是：用等阻抗任意电长度的上下支路微带线可以在随着频率变化时始终保持功率组合网络的对称性，进而保证放大器阻抗轨迹的对称性，从而实现宽频带范围内异相功放的高输出和高效率。同时任意电长度的功率组合电路拓展了新的设计自由度使得电路设计尺寸更加紧凑，损耗更低，具有良好的经济效益。
附图说明
17.图1是本发明中一种新型宽带异相射频功率放大器的结构示意图。
18.图2是一种传统基于或的非等长传输线功率合成电路理论示意图。
19.图3是一种新型的基于等阻抗任意电长度传输线的功率合成电路示意图。
20.图4是利用仿真软件ads模拟本发明在宽频带(2.4ghz～3.6ghz)范围内的仿真结果示意图。
具体实施方式
21.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。
22.图1所示为本发明一种新型宽带异相射频功率放大器的结构示意图，该功率放大器包括宽带输入匹配电路、rc稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成晶体管寄生匹配的漏极供电电路、前匹配电路、等阻抗任意电长度传输线功率组合电路和后匹配电路其中宽带输入匹配电路采用低q值宽带匹配的设计方法,用于保证信号低损耗传输。rc 稳定电路由并联电阻和电容组成，提高了放大器的稳定性。栅极偏置电路将晶体管偏置到ab类。集成晶体管寄生补偿的漏极供电电路在匹配晶体管寄生元件的同时用来给晶体管提供漏极供电电压。前匹配电路与供电电路共同实现宽带阻抗匹配。后匹配实现功率组合电路输出端阻抗到50欧姆阻抗的转化。功率合成电路采用等阻抗任意电长度来保持在宽频带内阻抗轨迹的对称性,最终将两路信号高效率合成输出。
23.设计所述新型宽带异相射频功率放大器主要工作在2.4ghz～3.6ghz。显然的，所述设计方案可以扩展至其他频率。
24.所述新型宽带异相mmic功率放大器设计的第一步要构建rc稳定电路来提高放大器稳定性。具体的，可以采用电路仿真软件对添加rc稳定电路前后的放大器稳定性进行分析比较，本实例中选择10欧姆电阻和5pf电容并联作为稳定电路的最终形式。
25.所述新型宽带异相射频功率放大器设计的第二步要确定晶体管的输入输出阻抗，以便后续匹配。作为示例：选用cree公司的cgh40010f晶体管来进行设计。而后进行宽频带范围内饱和回退最优阻抗的确定。具体方法为：利用cree公司提供的cgh40010f 晶体管电路模型在仿真软件中进行负载牵引和源牵引的迭代，得到不同功率状态不同频率下最优的输入输出阻抗范围。
26.所述新型宽带异相射频功率放大器设计的第三步是利用第二步得到的宽频带范围内的最优阻抗来设计宽带输入匹配电路。宽带输入匹配电路采用高低阻抗形成的阶跃式宽带匹配电路来实现宽带匹配，具体的方法是利用切比雪夫等公知性匹配技术来实现。
27.所述新型宽带异相射频功率放大器设计的第四步是设计功率合成电路。图2所示
为传统基于和非等长传输线的功率组合电路结构示意图。基于或非等长传输线功率组合电路的设计理论较为成熟，但是其结构仅能够满足单频带情况下的理论设计要求。无论是基于或非等长传输线设计理论，实现宽频带应用均需要上下支路随频率变化呈现处相反相位色散变化趋势，显然反相位变化趋势基于传统集总元件或微带线设计其物理性质决定无法实现，一些反相位变化结构例如non-foster 实现结构比较复杂且损耗较大，不易用于电路设计。因此基于传统异相功率放大器的设计结构和理论实现宽带比较困难。异相功率放大器的宽带实现需要解决两个问题：第一频率变化引起的相位不对称问题，第二频率变化引起的阻抗不匹配问题。
28.图3所示为本发明提出的新型宽带组合电路，该组合电路由等阻抗任意电长度和首先分析该组合电路阻抗和导纳矩阵分别为：
[0029][0030][0031]
在此三端口网络无损互易是前置条件，并且需要保证两输入端口构成的双端口功率组合电路随频率变化始终保持对称性。为了避免3端口的影响，在此假设3端口开路，此时得到的双端口导纳矩阵为：
[0032][0033]
基于传统或非等长传输线设计理论也即其中k为整数。但是根据导纳矩阵可以看到，等阻抗任意电长度均可以满足对称性，而不需要局限于的关系。至此提出一种新型的基于等阻抗任意电长度传输线功率组合电路。
[0034]
等阻抗任意电长度传输线功率组合电路实现步骤：
[0035]
步骤一：依据所提出的设计思想，首先假设上下支路微带线的阻抗为z，电长度分别为θ1和θ2，假定功率组合电路的输出总电压为vo，并且输出电压随着信号调制角度θ的变化而变化，相互之间的关系为：
[0036]
vo＝v
opep cos(θ)
ꢀꢀ
公式(1)
[0037]
其中v
opep
为最大输出电压，θ在0到90度变化。当角度为0时输出电压最大，当角度为 90度时输出电压为0.因为上下路是严格对称的，因此两路输出电流分别为：
[0038][0039][0040]
i5和i6分别为上下两路输出电流，ro为功率组合电路输出端阻抗。已知输出端的电流电压关系，根据abcd传输矩阵，得到如下方程：
[0041][0042][0043][0044][0045]
其中g1、b1、g2、b2分别为上下支路功率组合电路的输入电导和电纳。令输入电纳与负载牵引得到的最优阻抗一一对应，得到变量对应的值。
[0046]
步骤二：功率组合电路由阻抗为z，上下支路电长度分别为和组成，由传统的微带线来实现，如图3所示，该功率组合电路由第一微带线的第一端口与前匹配电路的输出端口连接，第一微带线的第二端口与第二微带线的第二端口连接并共同连接到后匹配网络输入端，第二微带线的第一端口与下支路前匹配网络的输出端连接。
[0047]
所述新型宽带异相功率放大器设计的第五步是设计前匹配电路和后匹配电路，前匹配电路采用l型结构来实现宽频带双阻抗匹配目的。后匹配电路利用阶跃式高低阻抗宽带匹配来实现功率合并电路输出端口阻抗到50欧姆标准接口阻抗的宽带匹配，具体的方法是利用低通l型、切比雪夫等公知性匹配技术来实现。
[0048]
所述新型宽带异相射频功率放大器设计的第六步：将调试好的宽带输入匹配电路、 rc稳定电路、栅极偏置电路、集成晶体管寄生匹配的漏极供电电路、前匹配电路、功率组合电路、后匹配电路组合起来实现新型宽带异相射频功率放大器，经过整体的优化调谐最终达到一个最优的仿真结果。
[0049]
图4所示为本发明设计在电路仿真软件中得到的仿真结果图，由仿真结果可知，在 2.4ghz～3.6ghz的频段范围内，饱和输出功率大于44dbm，饱和漏极效率大于65％，6db 功率回退点效率大于55％。上述结果验证了上述新型宽带异相射频功率放大器的理论正 确性，实现了宽带异相功率放大器的功能。
[0050]
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，本技术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技术所示的这些实施例，而是要符合与本技术所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。