适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论制造技术

本发明专利技术公开适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，包括：计算与描述晶体管非线性特性的幂级数以及输入栅极电压有关的参数，根据该参数计算出三次谐波注入时的漏极效率，计算出三次谐波注入时的输出功率，建立三次谐波注入时计算出的漏极效率输出功率与获得的对输入端栅极电压波形，输出端漏极电压波形和电流波形的关系，根据上述关系对晶体管输入端栅极电压波形控制，以实现控制晶体管漏极效率以及输出功率。本发明专利技术可以探索出逆F类高效功放的最佳注入波形，进而达到从输入端进行谐波注入来提升逆F类高效功放功率和效率的目的。

Harmonic Injection Theory for Inverse F High Efficiency Power Amplifier

The invention discloses a harmonic injection theory suitable for class F high efficiency power amplifier, which includes: calculating parameters related to power series describing transistor non-linearity and input gate voltage, calculating drain efficiency at third harmonic injection, calculating output power at third harmonic injection, and establishing drain efficiency output power calculated at third harmonic injection. The relationship between the rate and the voltage waveform of the input gate, the drain voltage waveform of the output terminal and the current waveform is obtained. According to the above relationship, the input gate voltage waveform of the transistor is controlled to realize the control of the drain efficiency and the output power of the transistor. The invention can explore the best injection waveform of the inverse F class high efficiency power amplifier, thereby achieving the purpose of improving the power and efficiency of the inverse F class high efficiency power amplifier by harmonic injection from the input end.

【技术实现步骤摘要】
适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论
本专利技术涉及无线通信功率放大器
，特别是涉及一种适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论。
技术介绍
随着无线通信系统的迅速发展，对信息传输的要求也越来越高。而在无线通信领域，射频功率放大器一直是无线收发系统中最为重要的部件之一。为了满足现代通信信号的复杂性和多变性，高效率、高功率、高增益、高线性度的指标已越来越成为功放设计者所关注的焦点。目前，高效率、高功率功放的研究已趋于成熟，主要包括：开关类功率放大器和谐波调谐类功率放大器。由于谐波调谐类功放相比于开关类功放在漏极峰值电压、适用频率等方面有着诸多的优势，因此成为了一个热门的研究领域。谐波调谐类功放的原理是通过控制输出端基波和谐波的阻抗，使得漏极电压和漏极电流波形在时域上的重叠部分减小，从而降低晶体管功耗提升整体效率，。其中最为典型的就是F类高效功率放大器和逆F类高效功率放大器。逆F类高效功放相比于F类高效功放的优势在于：实际设计中漏极效率高，基波阻抗值小，高输出功率时输出匹配电路设计简单等等，。因此，近年来越来越的学者将研究的重点投入到逆F类高效功放中。如上所述，传统的谐波调谐类功放都是从晶体管的输出端进行谐波(阻抗)控制进而达到高效率高功率的目的。而新型的研究结果表明，在晶体管的输入端进行谐波注入，也可以使得功放的性能提升。2017年，Amirreza等人首次基于理论和仿真对J类功放进行了谐波注入理论的研究，得出半正弦的波形注入可以使J类功放的功率和效率大幅度提升。基于上述逆F类高效功放的优势和谐波注入理论的研究基础，本文创新性地提出了一种适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，从而计算出其最佳注入波形。这种新型理论不仅说明了逆F类功放功率和效率的提升可以通过输入端谐波注入实现，而且其最佳的注入波形也为多级逆F类功放相互级联奠定了良好的基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，可以探索出逆F类高效功放的最佳注入波形，进而达到从输入端进行谐波注入来提升逆F类高效功放功率和效率的目的。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，包括：计算与描述晶体管非线性特性的幂级数a0-a3以及输入栅极电压有关的一个参数k1，根据该参数k1，计算出三次谐波注入时的漏极效率η’，根据三次谐波注入时的功率P’out与未进行谐波注入时的功率Pout的比值，即注入功率比Pnor关系式，计算出三次谐波注入时的输出功率P’out，其中，m表示输入电压三次谐波幅值与基波幅值的比，表示栅极输入电压三次谐波相对于基波的初相位，Vdc表示晶体管的供电电压和Vk表示晶体管的膝点电压，Vgs3，Vgs1分别表示栅极输入电压的三次谐波幅值与栅极输入电压的基波幅值；建立三次谐波注入时计算出的漏极效率η，输出功率P’out，与获得的对输入端栅极电压波形，输出端漏极电压波形和电流波形的关系；根据上述的关系对晶体管输入端栅极电压波形控制，以实现控制晶体管漏极效率以及输出功率。所述的参数k1表示如下：其中，Vgs0表示栅极输入电压的直流项。本专利技术采用以上方法，可以探索出逆F类高效功放的最佳注入波形，进而达到从输入端进行谐波注入来提升逆F类高效功放功率和效率的目的。这种最佳注入波形不仅有益于提升逆F类高效功放的效率和输出功率，扩大了逆F类功放的应用场景和应用前景，也为多级逆F类高效功放相互级联奠定了理论基础。附图说明图1是基于场效应管模型的逆F类高效功率放大器原理图；图2是逆F类高效功率放大器在正弦波注入时的ADS仿真示意图；图3是逆F类高效功率放大器在正弦波注入时的栅极电压波形；图4是逆F类高效功率放大器在正弦波注入时的漏极电压波形和电流波形；图5是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的注入功率比等高线图；图6是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的漏极效率等高线图；图7是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的ADS仿真示意图；图8是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的栅极电压波形；图9是逆F类高效功率放大器在三次谐波注入时的漏极电压波形和电流波形。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。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。本专利技术的适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入方法，通过以下实现：在逆F类高效功率放大器中(假设所采用的晶体管是FET管)，当晶体管输入端的栅极电压是正弦波注入时，其输入电压Vgs(θ)的表达式为：Vgs(θ)＝Vgs0+Vgs1sin(θ)(1)其中Vgs0表示栅极输入电压的直流项，Vgs1表示栅极输入电压的基波幅值。由于晶体管的非线性效应，其输入电压与输出电流的关系可以表示为幂级数的形式，即：其中a0-a3表示幂级数的系数，iD(θ)表示漏极的输出电流。因此，把(1)式带入(2)式可以得到正弦电压波形注入的情况下，漏极电流的表达式，即：从上式可以看出，在正弦电压波形注入的情况下，漏极电流产生了直流项，基波项，二次谐波项和三次谐波项。而对于逆F类高效功放而言，其二次谐波的阻抗条件为开路，因此漏极电流的二次谐波项i2(θ)在阻抗端面处应该为零。所产生的二次谐波漏极电流i2(θ)将从晶体管向地端泄露出去，如图1所示。若设泄露的漏极二次谐波电流为i2(θ),其表达式为：i2(θ)＝r2cos(2θ)+q2sin(2θ)(4)其中r2和q2为其傅里叶展开式的系数。则在阻抗端面处的漏极电流id(θ)应该为：id(θ)＝iD(θ)-i2(θ)(5)此时的漏极电流id(θ)是不包含二次谐波电流的，因此其傅里叶展开式中没有二次项，即：从上式可以得出r2和q2的值：q2＝0(9)同时，逆F类的漏极电流标准形式为：其中Imax表示晶体管漏极的最大电流。因此，在未进行谐波注入时，由幂级数得到的漏极电流id(θ)应该与逆F类标准的漏极电流相等，从而满足逆F类的条件：逆F类漏极电压的标准形式为：其中Vdc表示漏极的供电电压，Vk表示晶体管的膝点电压。根据式(11)和式(12)可以算出逆F类功放在未进行谐波注入时的输出功率Pout为：根据式(11)和式(12)还可以算出逆F类功放在未进行谐波注入时的漏极效率η：当晶体管输入端的栅极电压有三次谐波注入时，其输入电压V’gs(θ)的表达式为：其中Vgs0和Vgs1依旧表示栅极输入电压的直流项和基波幅值。Vgs3表示栅极输入电压的三次谐波幅值。表示栅极输入电压三次谐波相对于基波的初相位。此时，将式(15)带入式(2)可以得到三次谐波注入时的漏极电流表达式i’d(θ)，即：由于表示式较为复杂，上式仅显示出漏极电流i’d(θ)的直流项和基波项。根据三次谐波注入后的漏极电流表达式(16)、逆F类的漏极电压表达式(12)和未注入谐波时的漏极电流恒等式(11)，可以计算出在三次谐波注入时的输出功率P’out，进而计算出三次谐波注入时的功率P’out与未进行谐波注入时的功率Pout的比值，即注入功率比Pnor：其中m表示输入电压三次谐波幅值与基波幅值的比。根据三次谐波注入时的漏极电流表达式(16)、逆F类的漏极电压表达式(12)和未注入时的漏极电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，其特征在于，包括：计算与描述晶体管非线性特性的幂级数a0‑a3以及输入栅极电压有关的一个参数k1，根据该参数k1，计算出三次谐波注入时的漏极效率η’，

【技术特征摘要】
1.适用于逆F类高效功率放大器的谐波注入理论，其特征在于，包括：计算与描述晶体管非线性特性的幂级数a0-a3以及输入栅极电压有关的一个参数k1，根据该参数k1，计算出三次谐波注入时的漏极效率η’，根据三次谐波注入时的功率P’out与未进行谐波注入时的功率Pout的比值，即注入功率比Pnor关系式，计算出三次谐波注入时的输出功率P’out，其中，m表示输入电压三次谐波幅值与基波幅值的比，表示栅极输入电压三次谐波相对于基波的初相位，Vdc表示晶体管的供电...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建国，刘畅，傅海鹏，周绍华，张新，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12