多通带功率放大器设计方法技术

多通带功率放大器设计方法，具体为：获取放大器放大效率与基波、二次谐波和三次谐波匹配之间的关系；在低通匹配网络条件下，获取放大器效率随二次谐波相位和三次谐波相位变化关系；获取放大器高效率设计空间；低通匹配网络条件下，调整输出匹配电路，使得N个工作频带输出匹配时二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间内，且相邻两条工作频带的中间频带输出匹配时二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间外。本发明专利技术中的方法大大简化了功率放大器输出匹配的难度，具有极大的工程实现性，不需要用极多的枝节匹配来实现，减少了寄生效应，简化了设计网络，能实现优良的性能，可替代传统复杂多频带功率放大器设计方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波器件设计领域，具体涉及一种多通带功率放大器设计方法，特别是一种利用低通匹配网络进行多通带功率放大器设计方法。
技术介绍
现代无线通信系统的功率消耗主要取决于功率放大器级的效率。传统的高于70％效率的功率放大器模式主要取决于输出端精准的高次谐波匹配终端。在窄带系统中，F类功率放大器是极具代表性的一种。时至今日，现代无线通信终端需要应用一个单一硬件来覆盖到多个频段，宽带接收机和多通带发射机的需求变的日益迫切。如上节所述，双频带或者多频带的高效放大器电路往往意味着更大的挑战性。因为不仅仅需要在各个频带上实现合适的基波负载转换，也需要合适的高阶谐波阻抗终端。这往往导致匹配极其复杂，甚至于根本无法实现。以三频带高效F类功率放大器为例，传统的设计方法需要实现9个频点的准确匹配，如果同时考虑幅度和相位，则需要考虑的变量多达18个。这样复杂的输出匹配在现实设计中几乎是不可控的。这不仅仅因为需要匹配的频点多，也因为各个频点的匹配相互影响，导致最终的结果总是不尽人意。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多通带功率放大器设计方法，首先获取放大器放大效率与基波、二次谐波和三次谐波匹配之间的关系，并通过工程上最易实现的低通网络对放大器进行匹配，将影响效率的因素简化为二次谐波反射系数的相位和三次谐波反射系数的相位。从而可以应该用简单的低通网络，来使得放大器的工作频带的相应参数落在高效率空间，而相邻工作频带之间的频带处于低效率空间。本专利技术中的多通带功率放大
器设计方法大大简化了功率放大器输出匹配的难度，具有极大的工程实现性，不需要用极多的枝节匹配来实现，减少了寄生效应，简化了设计网络，能实现优良的性能，可替代传统复杂多频带功率放大器设计方法。本专利技术的技术解决方案是：多通带功率放大器设计方法，所述放大器包括N条工作频带，包括：对功率放大器进行仿真，获取放大器放大效率与基波、二次谐波和三次谐波匹配之间的关系的步骤；低通匹配网络条件下，获取放大器效率随二次谐波相位和三次谐波相位变化关系的步骤；获取放大器高效率设计空间的步骤，所述高效率设计空间为放大器效率大于预设阈值时二次谐波相位和三次谐波相位取值范围；低通匹配网络条件下，调整输出匹配电路，使得N条工作频带输出匹配时工作频带内的二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间内，且相邻两个工作频带的中间频带输出匹配时二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间外的步骤。所述功率放大器以F类功率放大器模式为基础模式。所述效率预设阈值根据所选用晶体管、工作频段不同设定，取值范围为：30％-80％。所述相邻两条工作频带的中间频带具体为：相邻两条工作频带对应频率的中间值。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术中的方法利用简单的低通匹配网络代替以往逐频带的匹配，大大简化了功率放大器输出匹配的难度，具有极大的工程实现性，不需要用极多的枝节匹配来实现，减少了寄生效应，简化了设计网络，能实现优良的性能，可替代传统复杂多频带功率放大器设计方法。附图说明图1是本专利技术所述基波阻抗设计空间；图2是本专利技术所述二次谐波阻抗设计空间；图3是本专利技术所述三次谐波阻抗终端设计空间；图4为本专利技术方法流程图；图5本专利技术所述二次和三次谐波阻抗设计空间(基于低通匹配拓扑)；图6是具体实施例中本专利技术设计思路的负载匹配网络结构；图7是具体实施例中本专利技术设计思路的三频带内匹配阻抗特性的Smith圆图示意图；图8是具体实施例中本专利技术设计思路的三频带内匹配阻抗特性的放大效率示意图；图9是具体实施例中本专利技术设计思路的三频带之间的区域匹配阻抗特性的Smith圆图示意图；图10是具体实施例中本专利技术设计思路的三频带之间的区域匹配阻抗特性的效率示意图。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。以三频带F类功率放大器为例对输出匹配进行说明：理想的F类模式，基波最佳匹配阻抗选择为Ropt，将Ropt作为基波阻抗的实部，二次和三次谐波阻抗终端分别为短路和开路。下面对其基波、二次谐波和三次谐波分别进行分析。首先，基波阻抗考虑其有一个电抗性成分，如式(1)所示：Zf0＝Ropt-Xf0 (1)其中：-45Ohm<Xf0<45Ohm。其中，Zf0为基波阻抗，Xf0为基波阻抗的虚部。此时，二次谐波终端保持为短路，三次谐波终端保持为开路。图1给出了放大器效率随电抗成分变化的特性。由图1可知，当-30Ohm<Xf0<30Ohm时，效率能够保持在70％以上，这在本实施例的频段内被认为是最低能够接受的仿真效率。应用同样的方式，也可得到二次谐波阻抗的高效率设计空间。对二次谐波阻抗，不仅分析了其沿着Smith圆图边缘变化，从短路到开路，再从另一边回到短路的情况，也考虑了二次匹配阻抗在Smith圆图内部的特性，即包含一些电阻性成分的情况。二次谐波阻抗在Smith圆图上的变化可由式(2)表示：S11(2f0)＝δ2f0·(cosθ2f0+jsinθ2f0) (2)其中S11(2f0)为二次谐波阻抗的反射系数，δ2f0为二次谐波阻抗匹配反射系数的幅值，θ2f0为二次谐波反射系数的相位，其中0.5<δ2f0<1。式(2)意味着二次谐波终端阻抗Z2f0为：Z2f0=50×1+S11(2f0)1-S11(2f0)---(3)]]>在-180°<θ<180°和0.5<δ2f0<1的范围内分析功率放大器的效率特性，如图2所示。当δ2f0＝1时，如果二次谐波阻抗能够保持在100°<θ<260°度的范围内，其效率高于70％。但是，当考虑到二次谐波阻抗中的电阻性成分时，这个范围会变的相当小，例如当δ2f0＝0.5时，最大效率只有71.8％，并且高于70％的效率区间由δ2f0＝1时的100°<θ<260°减小到130°<θ<210°。所以对于三频带功率放大器(或者多频带功率放大器)而言，二次谐波中的电阻性成分应该尽量避免，从而确保在Smith圆图上能够获得更多的设计空间。和二次谐波阻抗终端分析相同，三次谐波阻抗终端对效率的影响也能提取出来，结果如图3所示。三次谐波阻抗变化定义为：S11(3f0)＝δ3f0·(cosθ3f0+jsinθ3f0) (4)其中S11(3f0)为三次谐波阻抗反射系数，δ3f0为三次谐波阻抗匹配反射系数的幅值，θ3f0为三次谐波反射系数的相位，-180°<θ<180°，0.5<δ3f0<1。图3中所示的三次谐波高效率设计空间大于二次谐波终端的范围，在绝大多数的范围，其仿真效率能够保持高于70％。这意味着对于基于F类的多频带功率放大器匹配，二次谐波阻抗终端应尽量限制到接近短路的区域，而三次谐波阻抗终端的范围则相较而言可以更为灵活。基于以上分析，本专利技术提出了一种多通带功率放大器设计方法，所述放大器包括N条工作频带，流程图如图4所示，具体包括：对功率放大器进行仿真，获取放大器放大效率与基波、二次谐波和三次谐波匹配之间的关系本文档来自技高网...

【技术保护点】
多通带功率放大器设计方法，所述放大器包括N条工作频带，其特征在于包括：对功率放大器进行仿真，获取放大器放大效率与基波、二次谐波和三次谐波匹配之间的关系的步骤；低通匹配网络条件下，获取放大器效率随二次谐波相位和三次谐波相位变化关系的步骤；获取放大器高效率设计空间的步骤，所述高效率设计空间为放大器效率大于预设阈值时二次谐波相位和三次谐波相位取值范围；低通匹配网络条件下，调整输出匹配电路，使得N条工作频带输出匹配时工作频带内的二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间内，且相邻两个工作频带的中间频带输出匹配时二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间外的步骤。

【技术特征摘要】
1.多通带功率放大器设计方法，所述放大器包括N条工作频带，其特征在于包括：对功率放大器进行仿真，获取放大器放大效率与基波、二次谐波和三次谐波匹配之间的关系的步骤；低通匹配网络条件下，获取放大器效率随二次谐波相位和三次谐波相位变化关系的步骤；获取放大器高效率设计空间的步骤，所述高效率设计空间为放大器效率大于预设阈值时二次谐波相位和三次谐波相位取值范围；低通匹配网络条件下，调整输出匹配电路，使得N条工作频带输出匹配时工作频带内的二次谐波相位和三次谐波相位处于放大器高效率设计空间内，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，于洪喜，殷康，赵恒飞，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61