输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法

本发明属于微波功率放大器，尤其涉及一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。

背景技术：

1、功率放大器作为基站的主要耗能部件，提高工作效率能够有效降低基站运维成本，助力绿色通信。自从谐波控制技术被引入功率放大器设计中，其在拓展带宽和提升效率等方面发挥了重要作用。随着无线通信系统工作频段跨度的增加，功率放大器难以同时满足系统对于频段覆盖范围与能量转换效率的需求。同时，宽带设计中低频谐波和高频基波阻抗冲突的问题逐渐加剧，大大增加了功率放大器的设计复杂度。另外，晶体管内部的非线性电容会导致晶体管栅极出现谐波分量，从而使栅极的理想正弦波输入信号发生变化，最终影响所设计功率放大器的实际效率。

2、因此，在对功率放大器电路进行更加全面和底层的分析时，需要考虑由非理想因素导致的非线性部分对于整体电路的影响，从而使得整个分析过程更加贴合实际。而输入输出联合谐波注入方法为进一步提升功率放大器效率提供了理论基础，具有很高的价值。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。

2、本发明是这样实现的，一方面在晶体管栅极设置谐波电压监控模块，当晶体管输入出现谐波分量时，通过电压控制模块调控有源输入调值模块对输入匹配网络进行有源调制，从而改善栅极输入非线性的情况；另一方面，在晶体管漏极设置谐波电流监测模块，实时监测输出电流的基波与各次谐波成分，并通过电流控制模块和有源负载调制模块，对功率放大器的输出匹配网络进行有源调制，使输出匹配网络能保持在高效率匹配状态。

3、一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络。

4、进一步，所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接栅极供电电压。

5、进一步，所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接漏极供电电压。

6、进一步，所述功率放大器还包括：第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。

7、进一步，所述第一耦合器设置于输入匹配网络与晶体管之间，第一耦合器将进入晶体管栅极的待放大信号分为两路，一路输出给晶体管栅极，另一路输出给谐波电压监测模块。

8、进一步，所述谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块串联连接。

9、进一步，所述谐波电压监测模块检测由第一耦合器输入信号的谐波电压变化；所述谐波电压变化映射到电压控制模块并通过有源输入调制模块输出相应电压进行调谐，采用该输出电压来控制输入信号的谐波分量。

10、进一步，所述第二耦合器设置于晶体管与输出匹配网络之间，第二耦合器将晶体管漏极输出的放大信号分为两路，一路输出给输出匹配网络，另一路谐波电流监测模块。

11、进一步，所述谐波电流检测模块、电流控制模块、有源负载调制模块串联连接。

12、进一步，所述谐波电流监测模块检测由第二耦合器输入信号的谐波电流变化；所述谐波电流变化映射到电流控制模块并通过有源负载调制模块输出相应电流进行调谐，采用该输出电流来控制输出信号的电流谐波分量。

13、一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法，该方法包括：

14、步骤1：在仿真软件中使用源牵引和负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；

15、步骤2：将谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块引入电路，对电路输入信号的电压谐波分量进行调控，改善放大信号的电压特性；

16、步骤3：将谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块引入电路，对输出信号的电流谐波分量进行调控，进一步优化输出匹配网络，提升功率放大器性能，并得到最终的功率放大器。

17、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

18、第一，本发明提供了一种提高微波功率放大器效率的方法，通过在晶体管栅极调谐输入信号的电压谐波分量改善晶体管的输入信号特性；通过在晶体管漏极调谐输出信号的电流谐波分量，通过谐波注入的有源负载调制方式，提高宽带功放输出阻抗匹配的灵活度。输入输出联合谐波注入方法使功放设计的整个分析过程更加贴合实际，为进一步提升功率放大器效率提供了理论基础。

19、第二，本发明所提供的微波功率放大器设计方法，在设计过程中考虑了晶体管模型内部的实际非线性成分，并进一步的找到了这种非线性成分所带来的影响与输入、输出端的电压、电流的非线性成分的映射关系，通过阐述输入和输出的谐波电压、电流与功率放大器性能的关系，将这种实际中的非线性因素在理论分析、仿真设计中得以表达与观测，使功放设计的整个分析过程更加贴合实际。

20、另外，对于功率放大器输入、输出同时进行谐波注入，增加了功率放大器的可调因素，使得输入阻抗和输出阻抗的设计灵活度大大提升，为超宽带功率放大器设计过程中低频基波与高频谐波的阻抗冲突提供了一种解决方案。

21、第三，本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

22、超宽带应用，对于高效率功放设计，谐波阻抗需要精确的进行控制，故高效率功放的各种结构都难以工作在跨倍频程场景应用中，则高效率功放设计中一般将超宽带定义为跨倍频程带宽。现有方法是在连续类模式的基础上添加了阻性因子，使得连续类模式的二次谐波阻抗由纯虚数转变为复数，从而使得低频谐波阻抗与高频基波阻抗交叉部分能同时进行匹配。但是，引入阻性因子方法的本质是牺牲了输出功率和效率性能，相当于带宽与输出性能之间的权衡，并不是真正意义上的超宽带高效功放。

23、输入输出联合谐波注入方法的概念以及理论分析，包含谐波负阻条件下的搜索方法以及最小谐波注入功率的计算方法，增加了功率放大器设计中的可调因素，实现了高低频段都能达到最优阻抗的条件，从而实现系统整体效率的提升。

24、本发明的技术方案克服了技术偏见：随着对晶体管大信号模型认识的不断加深，其内部非线性电容所带来的非线性失真引起了学者们的广泛关注。在大多数功率放大器的理论分析中，输入信号常常被默认为理想的正弦波信号。这对于分析来说，是十分方便且有效的。然而，由于晶体管内部非线性电容的存在，栅极会出现谐波分量，从而使栅极的理想正弦波输入信号发生变化，拥有了非线性成分。而场效应晶体管一般是压控元器件，当栅极电压的波形发生变化时，其漏极的输出电流也会发生相应的改变，当这个变化不可忽略时，会影响整个功率放大器电路的输出性能。这也是导致理论分析与仿真设计最终与实际效果存在偏差的重要原因。

25、本发明所提供的微波功率放大器设计方法，在设计过程中考虑了晶体管模型内部的实际非线性成分，并进一步的找到了这种非线性成分所带来的影响与输入、输出端的电压、电流的非线性成分的映射关系，通过阐述输入和输出的谐波电压、电流与功率放大器性能的关系，将这种实际中的非线性因素在理论分析、仿真设计中得以表达与观测，使功放设计的整个分析过程更加贴合实际。

26、第四，本发明提供的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计，引入了一系列的模块和网络，如耦合器、谐波监测模块、电压和电流控制模块，以及有源输入和负载调制模块。这些创新的组件与传统的功率放大器设计相比，带来的显著的技术进步包括：

27、1.提高了功率放大器的效率：通过精确的谐波控制可以最大限度地减少不必要的能量损失，特别是在高功率应用中，效率的提高可以显著降低运行成本和发热问题。

28、2.改善了信号质量：通过控制输入和输出的谐波成分，放大器能够提供更纯净的放大信号，减少干扰和失真，这对于通信系统来说尤其重要，因为它直接影响到数据传输的可靠性和速度。

29、3.增加了设计的灵活性：该放大器设计能够适应不同的工作频率和条件，通过调整模块参数可以在不同的应用中得到最佳性能，从而增加了设计的通用性和适用范围。

30、4.优化了功率管理：有源输入和负载调制模块使得放大器能够根据实时的工作条件动态地调整功率，这对于节能和保护放大器的元件免受过热损坏至关重要。

31、5.提升了系统的整体性能：通过精确控制谐波分量，系统的稳定性和抗干扰能力得到了加强，能够在复杂的电磁环境下保持稳定的性能。

32、本发明提供的技术进步使得该放大器非常适合于高性能的通信系统、无线基站、雷达系统以及任何需要高效率和高信号质量的放大器应用。