增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法技术

本发明专利技术涉及一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法。本发明专利技术包括两个正交耦合器、两个功率放大电路，第一正交耦合器用于将输入信号转化成两路正交信号输出。隔离电阻接在正交耦合器的隔离端使输入输出信号达到良好的隔离。经第一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正交耦合器的输入端，随后输出给负载。在第二正交耦合器的控制端接入所需的控制信号进行可重构负载调制。本发明专利技术通过使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。

Reconfigurable Load Modulation Power Amplifier with Enhanced Bandwidth and Its Implementation

The invention relates to a method for realizing a reconfigurable load modulation power amplifier with enhanced bandwidth. The invention comprises two orthogonal couplers and two power amplifier circuits. The first orthogonal coupler is used to convert the input signal into two orthogonal signal outputs. Isolation resistance is connected to the isolation end of the orthogonal coupler to achieve good isolation of input and output signals. The signal output by the first orthogonal coupler is amplified by two power amplifier circuits. The output signals of the two power amplifier circuits are then connected to the input of the second orthogonal coupler and then output to the load. The control signal of the second orthogonal coupler is connected to the control terminal for reconfigurable load modulation. The invention realizes a reconfigurable load modulation power amplifier by using an orthogonal coupler and an additional control signal, enlarges the working bandwidth of the load modulation power amplifier, and enhances the high efficiency power regression range of the load modulation power amplifier.

【技术实现步骤摘要】
增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法
本专利技术属于射频通讯
，涉及一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法。
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，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。从高频发射器的角度来看，这种选择导致对线性度的严格要求，同时伴随着功率放大器(PA)的信号非常高的峰均功率比(PAPR)。虽然常规功率放大器，作为组合AB类，在功率回退时显示出非常低的效率，但是广泛采用的效率增强技术如Doherty和Chireix代表的负载调制技术使其功率回退处也保持较高的效率。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调制类功率放大器的窄带特性越来越不能满足当今无线通信系统的要求，因此，急需研制出新型宽带高功率回退范围的射频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。针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中负载调制类功率放大器的结构进行了深入的研究，申请人发现传统负载调制类功率放大器带宽受到巨大限制，这表明传统负载调制类功率放大器在保持高效率时输出功率回退宽带的范围下效果变差，已经难以满足当今第五代移动通信系统宽带的要求。为了克服现有技术的缺陷，本申请使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提出一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器及其实现方法。本专利技术所述的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，通过如下步骤实现：步骤一：根据选用的晶体管的直流特性扫描曲线，选取晶体管漏极偏置电压，晶体管栅极偏置电压，使得晶体管位于线性放大状态；此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求；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；为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗，根据功率放大电路的拓扑图；选取合适的直流偏置点，设计两个标准的AB类功率放大器，并将输入输出匹配到标准的50欧姆，完成第一功率放大电路和第二功率放大电路的设计；步骤二：采用具有宽带特性的正交耦合器作为功率放大器的一部分，实现带宽增强的功率放大器；正交耦合器为3dB定向耦合器，具有高度的对称性；输入端的功率平等地分配给两个输出端，两个输出端有90度的相位差；完成第一正交耦合器和第二正交耦合器的设计；步骤三：将步骤二中第一正交耦合器的一个输入端接输入信号，另一输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器的两个输出端口分别与步骤一中的第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与步骤二所述的第二正交耦合器的两个输入端连接；为了完成可重构负载调制的效果，分析第二正交耦合器的等效Z矩阵得到:第一功率放大器和第二功率放大器在第二正交耦合器处的等效负载阻抗分别为ZA、ZB：其中，Ic，ejφ分别代表控制信号的幅度和相位；Ib表示功率放大电路的电流；通过以上公式发现，通过改变控制信号的幅度Ic和相位ejφ从而调制两路功率放大器的负载阻抗ZA，ZB，进而达到功率回退处的高效率；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；完成功率放大器的设计；步骤四：根据所需要的负载调制值来确定控制信号与输入信号的功率比；其具体过程如下：两路功率放大电路产生的功率2*PBAL为：输出给负载的功率P1为：控制信号的功率Pcon为：所以，P1＝2PBAL+Pcon，即是输出给负载的总功率为两路功率放大电路的功率和控制信号功率之和；控制信号与功率放大电路传输功率的比为α：其中Zb为功率放大器的负载阻抗ZA或者ZB；相应的反射系数ρb表示为：通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。根据上述方式设计的一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器，包括两个正交耦合器、两个功率放大电路，其特征在于：第一正交耦合器用于将输入信号转化成两路正交信号输出，第一正交耦合器的一个输入端接输入信号；另一输入端作为隔离端通过隔离电阻接地，使输入输出信号达到良好的隔离；第一正交耦合器的两个输出端口分别与第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与第二正交耦合器的两个输入端连接；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；第一正交耦合器输出的信号通过第一功率放大电路和第二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在第二正交耦合器的控制端接入所需的控制信号进行可重构负载调制，随后信号经第二正交耦合器的输出端输出给负载；所述的第一功率放大电路和第二功率放大电路结构相同，包括串接的输入匹配电路、功率晶体管、输出匹配电路和直流偏置电路；所述的第一正交耦合器和第二正交耦合器结构相同，包括8段微带线，TL1、TL3、TL4、TL5、TL6和TL8微带线的阻抗分别为Z0，电长度为四分之一波长；TL2和TL7微带线的阻抗分别为电长度为四分之一波长；TL1的一端、TL2的一端与TL4的一端连接；TL3的一端、TL2的另一端与TL5的一端连接；TL6的一端、TL4的另一端与TL7的一端连接；TL8的一端、TL7的另一端与TL5的另一端连接；TL3的另一端、TL8的另一端作为正交耦合器的两个输入端，TL1的另一端、TL6的另一端作为正交耦合器的两个输出端。所述的控制信号为矢量控制信号。作为优选，所述的矢量控制信号比功率放大电路传输功率小6dB。作为优选，所述的功率放大器采用晶体管实现。作为优选，所述的隔离电阻为50欧。通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的功率比α来实现功率放大电路的负载调制。本专利技术通过在传统的平衡类功率放大器的基础上引入矢量控制信号，通过控制信号的幅度和相位特性使构成的功率放大器具有可重构特性，并且实现宽频带的高效率功率回退。通过使用正交耦合器外加控制信号来实现可重构的负载调制类功率放大器，增大了负载调制类功率放大器的工作带宽，提高了负载调制类功放的高效率功率回退范围。附图说明图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为功率放大电路的拓扑图；图3为图1中正交耦合器具体原理图；图4晶体管的直流特性扫描曲线；图5为实施例中利用ADS软件模拟的仿真数据图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例，并结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，通过如下步骤实现：步骤一：根据选用的晶体管(如CGH40010FGaNHEMT)利用如图4所示的直流特性扫描曲线，选取漏极偏置电压28V，栅极偏置电压-2.7V使得晶体管位于线性放大状态。此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求。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。为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计。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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，其特征在于：通过如下步骤实现：步骤一：根据选用的晶体管的直流特性扫描曲线，选取晶体管漏极偏置电压，晶体管栅极偏置电压，使得晶体管位于线性放大状态；此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求；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；为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗，根据功率放大电路的拓扑图；选取合适的直流偏置点，设计两个标准的AB类功率放大器，并将输入输出匹配到标准的50欧姆，完成第一功率放大电路和第二功率放大电路的设计；步骤二：采用具有宽带特性的正交耦合器作为功率放大器的一部分，实现带宽增强的功率放大器；正交耦合器为3dB定向耦合器，具有高度的对称性；输入端的功率平等地分配给两个输出端，两个输出端有90度的相位差；完成第一正交耦合器和第二正交耦合器的设计；步骤三：将步骤二中第一正交耦合器的一个输入端接输入信号，另一输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器的两个输出端口分别与步骤一中的第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与步骤二所述的第二正交耦合器的两个输入端连接；为了完成可重构负载调制的效果，分析第二正交耦合器的等效Z矩阵得到:第一功率放大器和第二功率放大器在第二正交耦合器处的等效负载阻抗分别为ZA、ZB：...

【技术特征摘要】
1.一种增强带宽的可重构负载调制类功率放大器的实现方法，其特征在于：通过如下步骤实现：步骤一：根据选用的晶体管的直流特性扫描曲线，选取晶体管漏极偏置电压，晶体管栅极偏置电压，使得晶体管位于线性放大状态；此时晶体管的导通角在π到2π之间，符合AB类功率放大器的导通角要求；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；为了拓展电路的工作带宽，匹配电路采用阶跃阻抗匹配设计；将晶体管的输入输出阻抗皆匹配到标准的负载阻抗，根据功率放大电路的拓扑图；选取合适的直流偏置点，设计两个标准的AB类功率放大器，并将输入输出匹配到标准的50欧姆，完成第一功率放大电路和第二功率放大电路的设计；步骤二：采用具有宽带特性的正交耦合器作为功率放大器的一部分，实现带宽增强的功率放大器；正交耦合器为3dB定向耦合器，具有高度的对称性；输入端的功率平等地分配给两个输出端，两个输出端有90度的相位差；完成第一正交耦合器和第二正交耦合器的设计；步骤三：将步骤二中第一正交耦合器的一个输入端接输入信号，另一输入端通过隔离电阻接地，第一正交耦合器的两个输出端口分别与步骤一中的第一功率放大电路，第二功率放大电路的输入端相连；将第一功率放大电路，第二功率放大电路的输出端与步骤二所述的第二正交耦合器的两个输入端连接；为了完成可重构负载调制的效果，分析第二正交耦合器的等效Z矩阵得到:第一功率放大器和第二功率放大器在第二正交耦合器处的等效负载阻抗分别为ZA、ZB：其中，Ic，ejφ分别代表控制信号的幅度和相位；Ib表示功率放大电路的电流；通过以上公式发现，通过改变控制信号的幅度Ic和相位ejφ从而调制两路功率放大器的负载阻抗ZA，ZB，进而达到功率回退处的高效率；第二正交耦合器的一个输出端输出信号给负载，另一输出端作为控制端接入控制信号；完成功率放大器的设计；步骤四：根据所需要的负载调制值来确定控制信号与输入信号的功率比；其具体过程如下：两路功率放大电路产生的功率2*PBAL为：输出给负载的功率P1为：控制信号的功率Pcon为：所以，P1＝2PBAL+Pcon，即是输出给负载的总功率为两路功率放大电路的功率和控制信号功率之和；控制信号与功率放大电路传输功率的比为α：其中Zb为功率放大器的负载阻抗ZA或者ZB；相应的反射系数ρb表示为：通过改变控制信号与功率放大电路传输信号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：程知群，张志维，刘国华，柯华杰，李素东，杨仁好，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33