一種并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中的并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器及其設(shè)計方法。該并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器，包含有N個并聯(lián)的通路，2≤N，每個通路分別包含依次連接的輸入濾波器模塊，單管放大器模塊和輸出濾波器模塊。輸入濾波器模塊實(shí)現(xiàn)清除功率放大器工作頻率外的信號。輸出濾波器模塊實(shí)現(xiàn)各路之間信號的輸出隔離和消除串?dāng)_。應(yīng)用本發(fā)明，能夠設(shè)計出并發(fā)結(jié)構(gòu)的非單帶功率放大器，并實(shí)現(xiàn)簡潔的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可媲美窄帶的實(shí)現(xiàn)效果，充足的非單帶并發(fā)輸出功率，對諧波的靈活控制。
【專利說明】
一種并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中的并發(fā)結(jié)構(gòu) 功率放大器及其設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)中功率放大器的作用越來越重要，而功率、帶寬、效率 增益、線性度始終是功率放大器最關(guān)鍵的因素。隨著無線通信系統(tǒng)的急速發(fā)展，對于功率放 大器的要求也日益增多，如線性功放、寬帶功放、高回退功放等等。
[0003] 近年來，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的引入極大的推進(jìn)了雙帶功率放大器的發(fā)展，尤其是工作 于基站的功率放大器。雙帶功放的應(yīng)用，對于硬件及軟件產(chǎn)生了極大的節(jié)省，這些又反過來 推動了學(xué)者們對于無線通信系統(tǒng)中雙帶功率放大器的研究。
[0004] 很多學(xué)者在研究多帶功放，也取得了很多成果。與寬帶功放相比，寬帶功放很難在 一個寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對每一個頻點(diǎn)的最優(yōu)匹配，而且并非整個帶寬內(nèi)均是通信系統(tǒng)的 使用頻點(diǎn)，而雙帶功放提供了一個在限制頻帶內(nèi)對雙拼載波最優(yōu)控制的一個解決方案，從 而可以使通信系統(tǒng)在兩個通帶內(nèi)獲得更好的效果以提升整個系統(tǒng)的性能。此外，在多模多 帶電路系統(tǒng)中，多帶功放更具有優(yōu)勢，尤其是系統(tǒng)不同通帶相差較遠(yuǎn)的情況。
[0005] 對于傳統(tǒng)雙帶功放，當(dāng)雙載波信號同時被施加晶體管上之后，相應(yīng)的交調(diào)分量 (f2-fl，2f2-n，2fl-f2)將會產(chǎn)生，對這些交調(diào)分量的控制只能是在損失合理控制基波和 諧波分量的前提下才能實(shí)現(xiàn)的。另外一旦輸入的雙載波信號的頻率正好是呈整數(shù)倍的關(guān) 系，那么諧波的控制也將是一大難題。
[0006] 即便雙帶功放僅涉及兩個工作頻段，但是在實(shí)際應(yīng)用中，若僅考慮基波和二次諧 波時，雙帶功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)至少在四個頻點(diǎn)滿足最優(yōu)阻抗。同時，在射頻天 線之前，諧波就應(yīng)當(dāng)被抑制。對于傳統(tǒng)雙帶功放而言，就意味著在至少四個頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)阻 抗匹配，并抑制諧波的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是很難實(shí)現(xiàn)的，尤其是當(dāng)雙帶功放的一個通帶的諧波 頻率與另一個通帶的基波頻率接近甚至重合的情況，即使實(shí)現(xiàn)，也是在損失功率放大器的 其他指標(biāo)為代價的前提下實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 現(xiàn)有的雙帶功率放大器技術(shù)如：X · Fu，D · Bespalko，and S · Boumaiza，"Novel dual-band matching network for effective design of concurrent dual-band power amplifiers,"IEEE Trans.Circuits Syst.I,Reg.Papers,vol.61,no.1,pp.293-301,Jan 2014.中所報道，兩個通帶分別為0.8GHz和1.9GHz，增益分別為lldB和10dB，兩個通帶內(nèi)輸 出功率均為46dBm，飽和效率均為68%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對上述存在問題或不足，為實(shí)現(xiàn)簡潔的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，優(yōu)異的技術(shù)效果，充 足的非單帶并發(fā)輸出功率，對諧波的靈活控制。本發(fā)明提出了一種并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器及 其設(shè)計方法。
[0009] 該并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器，包含有N個并聯(lián)的通路，2<N，每個通路分別包含依次連 接的輸入濾波器模塊，單管放大器模塊和輸出濾波器模塊。
[0010] 所述輸入濾波器模塊，由一個濾波器構(gòu)成，用于分離輸入信號的頻段，實(shí)現(xiàn)信號的 分離并分配到對應(yīng)頻率的單管功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，來確保濾除該路功率放大器工 作頻率外的信號。
[0011] 所述單管放大器模塊是傳統(tǒng)單帶結(jié)構(gòu)的單管功率放大器，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，一 個晶體管，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。晶體管與輸入濾波器模塊的應(yīng)用頻率對應(yīng)。
[0012] 所述輸出濾波器模塊，由一個濾波器構(gòu)成，用于各路之間不同頻率信號的輸出隔 離并消除串?dāng)_。
[0013] 上述N個通路的輸入濾波器模塊構(gòu)成輸入濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)整合端接信號輸入端;輸出 濾波器模塊構(gòu)成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)整合端接信號輸出端。
[0014] 其信號傳遞過程為：
[0015] 輸入信號首先經(jīng)過信號輸入端傳至輸入濾波網(wǎng)絡(luò)，輸入濾波網(wǎng)絡(luò)中的各頻段輸入 濾波器模塊把輸入信號按頻段進(jìn)行分離。
[0016] 接下來，分離后的信號將被并行分配到相應(yīng)頻率單管功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)， 分別用于對應(yīng)頻段功率放大器的輸入匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)用于放大器的輸入匹配，以實(shí)現(xiàn)最大 能量傳輸，再經(jīng)對應(yīng)頻段的功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)傳出。
[0017] 然后，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出信號分別進(jìn)入對應(yīng)頻段的輸出濾波器模塊，以實(shí)現(xiàn)各 路之間信號的輸出隔離、消除串?dāng)_以及信號合成。
[0018] 最后各路并行信號在信號輸出端實(shí)現(xiàn)合成。
[0019] 其設(shè)計方法包括：
[0020] 步驟1、設(shè)計輸入濾波網(wǎng)絡(luò)UwLn分離輸入信號中的各頻段，實(shí)現(xiàn)信號的分離并分 配到相應(yīng)頻率功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，Ln為支路N的輸入濾波器模塊；
[0021 ]步驟2、Ai~AN分別作為相應(yīng)頻段信號的單管放大器模塊。
[0022]步驟3、設(shè)計輸出濾波網(wǎng)絡(luò)出~抱用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離，消除各 路之間的信號串?dāng)_，Hn為支路N的輸出濾波器模塊。
[0023]步驟4、將輸入濾波器模塊、單管放大器模塊和輸出濾波器模塊依次按照Lm-Am-Hm 對應(yīng)級聯(lián)構(gòu)成各個通路，再將各通路并聯(lián)，其中1 <M<N，2<N。
[0024] 步驟5、將各通路并聯(lián)后，輸入濾波網(wǎng)絡(luò)的整合端接信號輸入端，輸出濾波網(wǎng)絡(luò)的 整合端接信號輸出端。
[0025] 本發(fā)明的并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器通過在各路的輸入端口處分別設(shè)置輸入濾波器，來 隔離其余頻段的信號以保證每一路僅有該路頻段的信號可以進(jìn)入，并在各路的輸出端口處 設(shè)置濾波器用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離并消除串?dāng)_。通過這種設(shè)計的方法，并 發(fā)功率單管放大器的各路可以分別進(jìn)行設(shè)計，以在每個通帶均實(shí)現(xiàn)可以媲美窄帶功放的效 果。
[0026] 首先，對于諧波的更好抑制。整個并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器包含有N個通路，每個通路 分別包含一個獨(dú)立設(shè)計工作在相應(yīng)頻段的單管放大器，以及兩個對應(yīng)的濾波器，來確保濾 除該路單管功率放大器工作頻率外的信號。因此，放大器產(chǎn)生的諧波信號可以更好的得到 抑制，而交調(diào)分量則根本不會產(chǎn)生。
[0027] 其次，每路兩個濾波器可對每路的單管功率放大器進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計而互不影響，使 得該并發(fā)結(jié)構(gòu)N帶功放中每路功放的設(shè)計效果和一般單帶功放所能達(dá)到的效果相當(dāng)從而提 升N帶功放的性能。
[0028] 最后，當(dāng)在該并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器的輸入端施加 N帶并發(fā)的情況下，該并發(fā)結(jié)構(gòu)功 率放大器比一般N帶結(jié)構(gòu)功率放大器能保證更加穩(wěn)定的放大器增益與輸出功率，尤其是輸 入的N帶信號均為大功率信號時，該結(jié)構(gòu)所能提供的輸出功率是一般N帶結(jié)構(gòu)功率放大器的 難。
[0029] 為了抑制交調(diào)分量和二次諧波，并發(fā)結(jié)構(gòu)N帶功率放大器每一路的輸入輸出匹配 網(wǎng)絡(luò)模塊都加入了濾波網(wǎng)絡(luò)模塊。濾波網(wǎng)絡(luò)模塊分為兩類，一類是輸入濾波網(wǎng)絡(luò)模塊;另一 類是輸出濾波網(wǎng)絡(luò)模塊。輸入濾波網(wǎng)絡(luò)模塊的功能就是阻止N帶信號的其余帶寬信號進(jìn)入 當(dāng)前的通路;輸出濾波網(wǎng)絡(luò)則是為了抑制諧波分量，并阻止輸出信號之間的互相影響。
[0030] 綜上所述，本發(fā)明的效果是：簡潔的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，可媲美窄帶的實(shí)現(xiàn)效果， 充足的非單帶并發(fā)輸出功率，對諧波的靈活控制。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是傳統(tǒng)N帶功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3是實(shí)施例的應(yīng)用實(shí)例；
[0034] 圖4是實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0035] 圖5是實(shí)施例輸出濾波器模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖6是實(shí)施例單音信號的測試結(jié)果圖；
[0037] 圖7是實(shí)施例雙帶并發(fā)信號的測試結(jié)果圖；
[0038] 附圖標(biāo)記:輸入濾波器模塊-100、輸入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊-200、功率放大器模塊-300、 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)模塊-400、輸出濾波器模塊-500、單管放大器模塊-A。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 為了使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案更加明確清晰，在下文中，將參照本發(fā)明中 的附圖，以一個雙帶功率放大器的具體應(yīng)用為實(shí)例，對本發(fā)明所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和技術(shù)的 具體實(shí)施應(yīng)用方式做出詳細(xì)闡述。
[0040] 傳統(tǒng)雙帶功率放大器的框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示;本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0041] 輸入濾波器模塊包括低頻輸入濾波器模塊L1和高頻輸入濾波器模塊L2實(shí)現(xiàn)信號 的高低頻分離，再并行分配至放大器模塊A1。
[0042]輸出濾波器模塊包括低頻輸出濾波器模塊H1和高頻輸出濾波器模塊H2實(shí)現(xiàn)信號 的輸出隔離和消除串?dāng)_。
[0043] 信號輸出端實(shí)現(xiàn)兩路并行信號的合成。
[0044] 以圖2中本發(fā)明并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖來做信號傳輸過程的詳細(xì)說 明。
[0045] 低頻放大電路和高頻放大電路又可分別按結(jié)構(gòu)細(xì)分為:低頻輸入濾波器模塊101、 低頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊201、低頻功率放大器模塊301、低頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)模塊401、低頻輸 出濾波器模塊501和高頻輸入濾波器模塊102、高頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊202、高頻功率放大器 模塊302、高頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)模塊402、高頻輸出濾波器模塊502。
[0046]輸入信號首先經(jīng)過輸入濾波網(wǎng)絡(luò)100,輸入濾波網(wǎng)絡(luò)100中的低頻輸入濾波器模塊 101和高頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊102把輸入信號中的低頻部分和高頻部分進(jìn)行分離;接下來， 分離后的信號將被并行分配到相應(yīng)頻率功率放大器的低頻輸入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊201和高頻輸 入匹配網(wǎng)絡(luò)模塊202,分別用于低頻功率放大器和高頻功率放大器的輸入匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)用 于放大器的輸入匹配，以實(shí)現(xiàn)最大能量傳輸;然后分別依次級聯(lián)功率放大器301及低頻輸出 匹配網(wǎng)絡(luò)401和功率放大器302及高頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)402;之后，低頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)模塊401 和高頻輸出匹配網(wǎng)絡(luò)模塊402的輸出信號分別進(jìn)入低頻輸出濾波器模塊501和高頻輸出濾 波器模塊502,以實(shí)現(xiàn)兩路之間信號的輸出隔離、消除串?dāng)_。最后兩路并行信號在信號的輸 出端實(shí)現(xiàn)合成。
[0047]以一個0.9GHz/l. 8GHz的并發(fā)結(jié)構(gòu)雙帶功率放大器的設(shè)計與測試為例，進(jìn)行設(shè)計 步驟闡述。其版圖結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0048]為了更好的體現(xiàn)本發(fā)明所提結(jié)構(gòu)對諧波的抑制作用，實(shí)例所選頻段的高頻是低頻 的兩倍。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
[0049]如果1.8GHz的信號在進(jìn)入低頻電路之前全部被輸入濾波器L1所濾除，那么功率放 大器1將不會產(chǎn)生交調(diào)產(chǎn)物，另外輸出端口的濾波器也可以抑制諧波。
[0050]在Ja節(jié)點(diǎn)處輸入阻抗可以表示為：
[0051 ] ?? ~~ ^
[0052] 其中，β為傳播常數(shù)，1為傳輸線的長度。
[0053] 理想無耗傳輸線的傳輸矩陣可以描述為：
[0055] 那么，Jc處的輸入阻抗Zinl,b可以通過計算得到：
[0057]同樣的，在0.9GHz的頻點(diǎn)，當(dāng)輸入阻抗在節(jié)點(diǎn)Jb處Zin2,b = 0時，節(jié)點(diǎn)Jc處Zin2,b = 0。這就意味著，這兩個工作頻段是相互獨(dú)立的，它們的基波信號不會相互干擾，并且它們 所傳輸?shù)哪芰靠梢匀渴┘佑谪?fù)載之上。
[0058]通過上述的分析，如圖5所示為本發(fā)明所提出的新型并發(fā)結(jié)構(gòu)雙帶功率放大器拓 撲結(jié)構(gòu)實(shí)施例的輸出濾波器模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0059] 輸入濾波網(wǎng)絡(luò)L1由一段四分一波長的開路線和一段四分之一波長的傳輸線構(gòu)成。 那么，在0.9Ghz處滿足Zin2, a=①，在1.8Ghz處滿足Zinl,a=通過該種設(shè)計方法，0.9Ghz的 低頻信號和l.SGhz的高頻信號在進(jìn)入它們分別的匹配網(wǎng)絡(luò)之前就已經(jīng)完全隔離開了，這樣 就可以對低頻和高頻的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行設(shè)計而不互相影響。
[0060] 圖6、圖7分別是本發(fā)明所提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)例單音信號和雙帶并發(fā)信號的測試結(jié)果 圖。
[0061] 表 1
[0063] *1 :單音測試模式；*2 :雙帶并發(fā)模式；*3 :此處漏極效率的測試點(diǎn)為輸出功率 0.8dB壓縮點(diǎn)。
[0064] 表1為本發(fā)明所提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例的實(shí)際測試結(jié)果，與現(xiàn)有技術(shù)所報道雙帶 功放的對比，本發(fā)明所提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例有著明顯的優(yōu)勢，尤其是在增益和漏極效率 等參數(shù)上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器，包含有N個并聯(lián)的通路，2<N，其特征在于： 每個通路分別包含依次連接的輸入濾波器模塊，單管放大器模塊和輸出濾波器模塊； 所述輸入濾波器模塊，由一個濾波器構(gòu)成，用于分離輸入信號的頻段，實(shí)現(xiàn)信號的分離 并分配到對應(yīng)頻率單管功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，來確保濾除該路功率放大器工作頻率 外的信號； 所述單管放大器模塊是傳統(tǒng)單帶結(jié)構(gòu)的單管功率放大器，包括依次級聯(lián)的輸入匹配網(wǎng) 絡(luò)，一個晶體管和輸出匹配網(wǎng)絡(luò);晶體管與輸入濾波器模塊的應(yīng)用頻率對應(yīng)； 所述輸出濾波器模塊，由一個濾波器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)各路之間不同頻率信號的輸出隔離并 消除串?dāng)_； 上述N個通路的輸入濾波器模塊構(gòu)成輸入濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)整合端接信號輸入端，輸出濾波 器模塊構(gòu)成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)整合端接信號輸出端。2. 如權(quán)利要求1所述并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器，其信號傳遞過程為： 輸入信號首先經(jīng)過信號輸入端傳至輸入濾波網(wǎng)絡(luò)，輸入濾波網(wǎng)絡(luò)中的各頻段輸入濾波 器模塊把輸入信號按頻段進(jìn)行分離； 接下來，分離后的信號將被并行分配到相應(yīng)頻率單管功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，分別 用于對應(yīng)頻段功率放大器的輸入匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)用于放大器的輸入匹配，以實(shí)現(xiàn)最大能量 傳輸，再經(jīng)對應(yīng)頻段的功率放大器輸出匹配網(wǎng)絡(luò)傳出； 然后，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出信號分別進(jìn)入對應(yīng)頻段的輸出濾波器模塊，以實(shí)現(xiàn)各路之 間信號的輸出隔離、消除串?dāng)_以及信號合成； 最后各路并行信號在信號輸出端實(shí)現(xiàn)合成。3. 如權(quán)利要求1所述并發(fā)結(jié)構(gòu)功率放大器，其設(shè)計方法包括以下步驟： 步驟1、設(shè)計輸入濾波網(wǎng)絡(luò)分離輸入信號中的各頻段，實(shí)現(xiàn)信號的分離并分配到 相應(yīng)頻率功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，Ln為支路N的輸入濾波器模塊； 步驟2、M~AN分別作為相應(yīng)頻段信號的單管放大器模塊； 步驟3、設(shè)計輸出濾波網(wǎng)絡(luò)出~抱用于各路之間不同頻率信號的輸出隔離，消除各路之 間的信號串?dāng)_，Hn為支路N的輸出濾波器模塊； 步驟4、將輸入濾波器模塊、單管放大器模塊和輸出濾波器模塊依次按照Lm-Am-Hm對應(yīng) 級聯(lián)構(gòu)成各個通路，再將各通路并聯(lián)，其中1 <M<N，2SN。 步驟5、將各通路并聯(lián)后，輸入濾波網(wǎng)絡(luò)的整合端接信號輸入端，輸出濾波網(wǎng)絡(luò)的整合 端接信號輸出端。
【文檔編號】H03F3/213GK106026950SQ201610334704
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】何松柏, 代志江, 亓天, 李啟榮
【申請人】電子科技大學(xué)