一种负载调制多模融合功率放大器及其设计方法

本发明属于无线通讯，涉及一种负载调制多模融合功率放大器及其实现方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，射频微波技术在人们的日常生活中越来越重要。现代无线通信标准依赖于以高频谱效率为特征的调制信号，以便优化稀缺频谱资源的使用。然而，常规功率放大器(pa)，如ab类，放大这种高峰均功率比(papr)的调制信号，往往显示出非常低的效率。目前广泛采用的效率增强技术如doherty和chireix代表的负载调制技术能使其在一定的功率回退处也保持较高的效率。

2、但随着通信技术的快速发展，调制方式也越加地复杂，传统的doherty和chireix调制类功率放大器可实现的有限回退范围越来越不能满足当今无线通信系统的要求，因此，急需研制出新型具有更高功率回退范围的负载调制功率放大器以满足当前及未来无线通信系统高传输速率的要求。

3、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。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种负载调制多模融合功率放大器及其设计方法。通过在传统的平衡类功率放大器的基础上引入x-db正交耦合器构成非平衡类功率放大器，同时引入第三路功率放大电路作为负载调制的信号来源。通过控制负载调制信号的幅度和相位特性使构成的功率放大器具有负载调制特性从而实现大的功率回退范围。此外，利用负载调制信号产生支路作为载波功放，非平衡式放大器支路分别作为峰值功放1和峰值功放2，从而构成了类似于三路doherty式的负载调制特征，使得所提出的功率放大器架构同时具备多路doherty和非负载平衡调制的多重负载调制融合的特性，进一步地拓展了功率回退的范围。

2、为了克服现有技术的缺陷，本发明采用以下技术方案：

3、一种负载调制多模融合功率放大器，包括两个x-db正交耦合器、三个功率放大电路、功率分配器、相位延迟线和隔离电阻，其中，两个x-db正交耦合器、两个功率放大电路构成了非平衡类功率放大器，即峰值功放电路。第三路功率放大电路构成负载调制信号产生电路，即载波功放电路。功率分配器用于将输入信号均分给非平衡类功率放大电路和负载调制信号产生电路，相位延迟线用于调节载波功率放大电路支路与非平衡类功率放大电路支路之间的相位差。第一个正交耦合器用于将功率分配器输出给功率放大电路的信号转化成两路正交信号输出。隔离电阻接在正交耦合器隔离端使输入输出信号达到良好的隔离。经第一个正交耦合器输出的信号通过两路功率放大电路进行功率放大。两路功率放大电路输出的信号再接入第二个正交耦合器的输入端，随后输出给负载。在第二个正交耦合器的隔离端接入所需的负载调制信号实现非平衡负载调制。

4、所述的x-db定向耦合器根据所期望达到的功率回退范围来选取。

5、所述功率放大电路包括依次串接的输入匹配电路、功率晶体管、输出匹配电路；

6、所述正交耦合器分别为x-db定向耦合器，具有双端口的互易性，任意端口都可作为输入端口，输出端口位于输入端口相反的一侧，而隔离端位于输入端一侧剩下的端口；输入的功率非对等地分配给两个输出端口，两个输出端口之间有90度的相移，没有功率耦合到隔离端。

7、所述负载调制信号产生电路中的功率放大器(载波功放电路)为ab类功率放大器。所述非平衡类功率放大器(峰值功放电路)中的两个功率放大器均为c类功率放大器，但一个偏置于浅c类状态，另一个偏置于深c类状态。

8、所述功率放大器采用晶体管实现，对于载波功放电路和峰值功放电路是不同的，峰值功放电路的晶体管的输出功率能力大于载波功放电路的。

9、所述隔离电阻为50欧。

10、用于设计权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器的方法，

11、具体步骤如下：

12、步骤一、设计一个非平衡类功放即峰值功放：

13、根据选用的晶体管，设置漏极偏置电压，功率放大器ba1、ba2的栅极偏置电压，使得功率放大器ba1、ba2都处于c类模式状态，但ba1处于浅c类状态，ba2处于深c类状态；在此直流偏置的基础上对晶体管进行输入输出匹配电路设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗50欧姆，完成功率放大电路ba1、ba2的设计；

14、步骤二、根据所期望的回退范围，选取合适的x-db耦合器参数，x-db正交耦合器是由4段微带传输线构成的耦合器结构；传输线tl1、tl3的阻抗分别为z0，电长度为90度；tl2、tl4传输线的阻抗分别为z0/3，电长度为90度；根据此参数调试使得正交耦合器的输出端的功率比输入端的功率小x-db时，且输出端口的相位相差90度；即完成了一个x-db的正交耦合器；调试完成两个x-db正交耦合器；将正交耦合器a一侧作为输入端，端口2接隔离电阻，端口4接相位延迟线的端口2，另一侧作为输出端，端口1、3与完成的功率放大电路ba1、ba2的输入端相连；将正交耦合器b一侧作为输入端，端口2和端口4接入功率放大电路的输出端，另一侧作为输出端，其中端口1输出信号给负载，另外的端口3作为负载调制端接入负载调制信号产生电路；

15、步骤三、设计并调试完成载波功放即负载调制信号产生电路：

16、设置栅极偏置电压，使得功放处于ab类功放的状态；根据回退范围，选取合适的漏极偏压，在此直流偏置的基础上对晶体管进行输入输出匹配电路设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗50欧姆，完成功率放大电路ca的设计；

17、步骤四、为了实现自输入控制的功率放大器，还需要设计并调试完成一个功分器，实现输入信号等功率地输出到功率放大电路和负载调制信号产生电路；

18、步骤五、将负载调制信号产生电路接入到正交耦合器b的端口3，得到负载调制多模融合功率放大器。

19、相对于现有技术，本发明通过使用不同耦合系数的正交耦合器构成非平衡类功率放大器并引入负载调制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，提高了负载调制类功放的功率回退范围。此外，创造性地将负载调制信号产生电路作为载波功放，非平衡式放大器中的两路功率放大电路分别作为峰值功放1和峰值功放2，从而构成了类似于三路doherty式的负载调制特征，使得所提出的功率放大器架构同时具备多路doherty和非平衡负载调制的多重负载调制融合的特性，进一步地拓展了功率回退的范围。

技术特征：

1.一种负载调制多模融合功率放大器，其特征在于：包括两个x-db正交耦合器、三个功率放大电路、功率分配器、相位延迟线和隔离电阻，其中，两个x-db正交耦合器、两个功率放大电路构成了非平衡类功率放大器，即峰值功放电路；第三路功率放大电路构成负载调制信号产生电路，即载波功放电路；功率分配器用于将输入信号均分给非平衡类功率放大电路和负载调制信号产生电路，相位延迟线用于调节载波功率放大电路支路与非平衡类功率放大电路支路之间的相位差；第一个正交耦合器用于将功率分配器输出给功率放大电路的信号转化成两路正交信号输出；隔离电阻接在正交耦合器隔离端使输入输出信号达到良好的隔离；经第一个正交耦合器输出的信号通过两路功率放大电路进行功率放大；两路功率放大电路输出的信号再接入第二个正交耦合器的输入端，随后输出给负载；在第二个正交耦合器的隔离端接入所需的负载调制信号实现非平衡负载调制；

2.如权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器，其特征在于：所述功率放大电路包括依次串接的输入匹配电路、功率晶体管、输出匹配电路。

3.如权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器，其特征在于：所述正交耦合器分别为x-db定向耦合器，具有双端口的互易性，任意端口都可作为输入端口，输出端口位于输入端口相反的一侧，而隔离端位于输入端一侧剩下的端口；输入的功率非对等地分配给两个输出端口，两个输出端口之间有90度的相移，没有功率耦合到隔离端。

4.如权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器，其特征在于：所述负载调制信号产生电路中的功率放大器为ab类功率放大器；所述非平衡类功率放大器中的两个功率放大器均为c类功率放大器，一个偏置于浅c类状态，另一个偏置于深c类状态。

5.如权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器，其特征在于：所述功率放大器采用晶体管实现，峰值功放电路的晶体管的输出功率能力大于载波功放电路的。

6.如权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器，其特征在于：所述隔离电阻为50欧。

7.用于设计权利要求1所述的负载调制多模融合功率放大器的方法，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种负载调制多模融合功率放大器及其设计方法，涉及无线通讯技术领域。本发明通过在传统的平衡类功率放大器的基础上引入X‑dB正交耦合器构成非平衡类功率放大器，同时引入第三路功率放大电路作为负载调制的信号来源。通过控制负载调制信号的幅度和相位特性使构成的功率放大器具有负载调制特性从而实现大的功率回退范围。此外，利用负载调制信号产生支路作为载波功放，非平衡式放大器支路分别作为峰值功放1和峰值功放2，从而构成了类似于三路Doherty式的负载调制特征，使得所提出的功率放大器架构同时具备多路Doherty和非负载平衡调制的多重负载调制融合的特性，进一步地拓展了功率回退的范围。

技术研发人员：张志维,张睿哲,朱海鹏,轩雪飞
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13