一种双频高效率异相功率放大器的设计方法技术

本发明专利技术公开一种双频高效率异相功率放大器的设计方法。本发明专利技术基于组合器二端口电压电流模型分析构造传输矩阵，通过对网络的拆分综合，基于LM优化技术算法，实现对双频组合器网络的综合。本发明专利技术能更好地增强异相功率放大器的效率特性，提高设计灵活性，能够适用于任意结构的输出组合器中并联网络结构。本发明专利技术在高效率功率放大器应用背景下，针对多频带高效率高回退的需求，具有结构灵活、设计步骤流程化、适用性更加广泛的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种双频高效率异相功率放大器的设计方法
本专利技术涉及射频微波通信领域，尤其涉及一种双频高效率异相功率放大器的设计方法。
技术介绍
随着无线通信技术的快速发展，各种电子设备之间的联系也变得更加密切。功率放大器是射频发射机中的至关重要的组成部分。作为发射机基站中最耗能并且非线性失真最高的器件，其工作效率会影响基站整体的功耗及稳定性，因此对于功率放大器的线性化技术和效率增强技术的研究和设计已经成为无线基站的关键。为了满足日益增加的高速宽带数据业务需求，同时也为了降低通信基站的运营成本，多模多制式的通信系统已经被广泛应用。Outphasing(异相)放大器由于其在深度饱和状态下突出的效率、对幅度信息的不敏感以及与数字兼容性好等优势，近几年来逐渐成为研究热点，非常具有研究价值和发展前景。目前，对于双频异相放大器的研究大多是利用最优负载阻抗来正向推导虚部补偿线和阻抗变换线的阻抗值和电长度，再利用固定拓扑结构，如T型、π型结构来依次替代电路中每一条微带线，形式较为单一、步骤繁琐、结构复杂并且由于受限于基础拓扑结构，实际工程中常出现微带线参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双频高效率异相功率放大器设计方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤(1)、将两个子放大器的输出端看作为一个有损、互易的二端口网络的两个端口；/n步骤(2)、对于输出组合器二端口网络，通过两个频率下在饱和、回退两种状态下的输入电压、输入电流分析，得到两个频率下的组合器目标阻抗矩阵Z

【技术特征摘要】
1.一种双频高效率异相功率放大器设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、将两个子放大器的输出端看作为一个有损、互易的二端口网络的两个端口；
步骤(2)、对于输出组合器二端口网络，通过两个频率下在饱和、回退两种状态下的输入电压、输入电流分析，得到两个频率下的组合器目标阻抗矩阵Z2P(f1)和Z2P(f2)；
步骤(3)、利用微波中阻抗矩阵到传输矩阵的转化关系，将步骤(2)中得到的两个频率下的目标阻抗矩阵Z2P(f1)和Z2P(f2)转换成相应的目标传输矩阵T2P(f1)和T2P(f2)；利用目标传输矩阵将二端口网络拆分成包含负载端的三端口网络，分别为上路网络、负载网络和下路网络；
步骤(4)、对三端口网络的上下两路网络分别利用类似π型的拓扑网络来表示，将复杂网络进行拆分；
4-1上路网络拆分过程具体如下：
1)将上路网络的目标传输矩阵T2P-A拆分成类似π型的结构，其中包含两个并联支路网络和中间串联微带线，表示为式(17)：



其中jBS1为第一个并联支路网络的输入导纳，jBS3为第二个并联支路网络的输入导纳，为中间串联微带线的传输矩阵，其传输矩阵可以进一步表示为式(18)：



其中ZC、θC分别表示中间串联微带线的特征阻抗值和电长度；
2)借助经典π型结构中的π型传输矩阵函数，将式(17)矩阵展开，得到式(19)：



将式(19)两边矩阵对应相等，可得式(20)：



由式(20)可知目标传输矩阵T2P-A中的jBa仅由π型结构中的中间串联微带线传输矩阵中的BC部分所决定，即：jBa＝BC；因此利用式(18)-式(21)求解出满足要求的ZC和就可以完成关于两个频率下目标传输矩阵中jBa的综合；



3)找到中间串联微带线的特征阻抗值ZC和电长度后，就可以得到中间串联微带线在两个频率下的传输矩阵，见式(22)和式(23)；






4)将式(20)目标传输矩阵中的Da作为综合目标值，其满足Da＝jBC·BS1+DC，式中BC、DC为已知数值，因此就可以求解出未知数jBS1，使等式成立；即将对阻抗矩阵中Da的综合转化为对π型网络中的第一并联支路网络的目标输入导纳jBS1的综合；
同理将式(20)目标传输矩阵中的Aa作为综合目标值，其满足Aa＝AC+jBC·BS3，式中参数AC、BC为已知数值，因此就可以求解出未知数jBS3，使等式成立；即将对阻抗矩阵中Aa的综合转化为对π型网络中的第二并联支路网络的目标输入导纳jBS3的综合；
进一步发现Da和Aa之间的综合互不影响，即可以分别通过调节两个并联支路网络的输入导纳jBS1和jBS3来分别综合出Da和Aa；当分别找到jBS1和jBS3的值后，代入式(20)的jCa＝jAC·BS1+CC-BC·BS1·BS3+jDC·BS3中，等式依旧成立，不用单独对jCa部分进行综合；
4-2下路传输矩阵T2P-B采用上路传输矩阵T2P-A一样的拆分分析方法，用π型结构进行构建；
步骤(5)、构建双频谐波抑制电路；
步骤(6)、简化输出组合器三端口网络；
步骤(7)、利用简化实频技术对双频下的目标导纳和最优输入阻抗进行综合，分别得到双频组合器、双频输入匹配网络；
步骤(8)、将双频输入匹配网络与两个晶体管栅极连接；晶体管漏极与双频谐波抑制电路相连接；双频谐波抑制网络和双频输出组合器相连接，得到最终的双频高效率异相功率放大器。


2.根据权利要求1所述的一种双频高效率异相功率放大器设计方法，其特征在于步骤(1)具体是：将两个子放大器的输出端看作为一个有损、互易的二端口网络的两个端口，S作为上路端口，即一端口，X作为下路端口，即二端口；
子放大器根据晶体管的器件模型，通过EDA软件进行负载牵引仿真，根据实际应用需求得到子放大器在两个不同工作频率f1、f2下的最优输入阻抗ZOPT,IN(f1)和ZOPT,IN(f2)；最优饱和输出阻抗ZOPT,SAT(f1)和ZOPT,SAT(f2)；最优回退输出阻抗ZOPT,BO(f1)和ZOPT,BO(f2)，其中f1为较低频率；
ZOPT,IN(f1)和ZOPT,IN(f2)作为双频输入匹配电路中的目标输入阻抗；ZOPT,SAT(f1)和ZOPT,SAT(f2)作为在饱和状态下的双频二端口网络两个端口的目标输入阻抗，ZOPT,BO(f1)和ZOPT,BO(f2)作为在回退状态下的双频二端口网络两个端口的目标输入阻抗。


3.根据权利要求2所述的一种双频高效率异相功率放大器设计方法，其特征在于步骤(1)具体是：
根据现有网络的阻抗矩阵和输入阻抗定义可知输出组合器二端口网络的上路端口(一端口)的输入电压为V1,输入电流为I1，饱和时的输入阻抗为ZOPT,SAT，回退时的输入阻抗为ZOPT,BO；下路端口(二端口)的输入电压为V2，输入电流为I2，饱和时的输入阻抗为ZOPT,SAT，回退时的输入阻抗为ZOPT,BO；
假设ZS(θ1)为一端口饱和时的输入阻抗值,即ZOPT,SAT；ZS(θ2)为一端口回退时的输入阻抗值即ZOPT,BO；ZX(θ1)表示二端口饱和时的输入阻抗值,即ZOPT,SAT；ZX(θ2)表示二端口回退时的输入阻抗值,即ZOPT,BO；利用上下两路子放大器有相同特性，可得式(1)：



其中θ1为饱和时上下两路子放大器之间的相位差；θ2为回退时上下两路子放大器之间的相位差；
以上路放大器相位作为参考0点，式(2)中代入饱和相位差θ1和回退相位差θ2，可以得到两个状态下的上下两路子放大器之间的电流关系，如式(3)和式(4)：









其中Iin表示输入电流，I表示输入电流的幅度，θin表示输入电流的相位，j为复数；将式(1)代入公知阻抗定义式(5)中得到式(6)和式(7)：









其中Vin表示网络端口的输入电压，Iin表示网络端口的输入电流，Zin表示网络端口的输入阻抗；根据公知二端口网络的阻抗矩阵定义式(8)：



其中Z2P表示组合器目标阻抗矩阵，Z11、Z12、Z21、Z22为Z2P中的四个参数；
联立式(1)-(8)，可以得到组合器在某个工作频率下的目标阻抗矩阵关系，见式(9)；



将式(9)整理为矩阵形式，得到式(10)：



依据无损互易网络条件，可以通过选取合适的相位差θ1来设置异相功率放大器的回退区间；分别将步骤(1)中仿真得到的f1、f2下的ZOPT,SAT(f1)、ZOPT,SAT(f2)和ZOPT,BO(f1)和ZOPT,BO(f2)，分别代入式(10)中，求出各自工作频率下的目标阻抗矩阵Z2P(f1)和Z2P(f2)。


4.根据权利要求3所述的一种双频高效率异相功率放大器设计方法，其特征在于回退6dB的异相功率放大器选用47度的饱和相位差，即θ1＝47°。


5.根据权利要求3所述的一种双频高效率异相功率放大器设计方法，其特征在于步骤(3)具体是：
由于异相放大器含最终输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世昌，贺立鹤，赵文生，徐魁文，赵鹏，王高峰，
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