一种负载调制平衡功率放大器及自匹配实现方法技术

本发明专利技术公开一种负载调制平衡功率放大器及自匹配实现方法，其包括功分器、相位补偿网络、输入3

【技术实现步骤摘要】
一种负载调制平衡功率放大器及自匹配实现方法


[0001]本专利技术属于射频微波通信领域，涉及一种负载调制平衡功率放大器及自匹配实现方法，具体是一种依靠动态偏置电压控制实现阻抗自动匹配的负载调制平衡放大器设计。

技术介绍

[0002]在移动通信领域，为了提高有限频带的频谱利用率以尽可能多地传输数据，射频收发系统通常需要对数据进行复杂的调制，这使得现代通信系统的信号通常具有很高的峰值
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平均功率比(PAPR)。传统的线性放大器针对恒包络信号有不失真的放大效果，但是对于包络剧烈变化的高峰均比的信号放大效率很低。因此，为保证发射机整体效率，一般要求功率放大器可以在较大的功率动态范围内进行操作，即在饱和及回退区间内同时保持高效率。近些年，针对高峰均比信号应用的负载调制型放大器的研究非常火热，以Doherty(多尔蒂)和Outphasing(异相)结构为代表的负载调制类放大器逐渐成为业界应用的主流。但是，上述放大器通常只能窄带工作。
[0003]近期，业界提出了一种全新的负载调制放大器，即负载调制平衡放大器(Load Modulated Balanced Amplifier,LMBA)。与上述两种放大器类似，负载调制平衡放大器可以在功率回退时实现高效率放大调制信号，且具有一定的宽带效果，因而得到射频微波功率放大器研究人员的强烈关注。这种负载调制类型的放大器的工作原理是通过输入一个3
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dB正交耦合器将调制信号分解为两个幅度相等的正交信号(相位相差90度)，并将额外添加的控制信号注入到输出3
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dB正交耦合器的隔离端口，以实现对输出3
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dB正交耦合器直通端和耦合端的负载阻抗调制，调制信号在通过一个3
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dB正交耦合器后在输出端口的相位一致，与控制信号的功率共同叠加在输出端口。
[0004]传统的负载调制平衡放大器需要单独的控制信号连接输出3
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dB正交耦合器的隔离端口，同时通过改变控制信号的幅度和相位实现阻抗的调制，这在一定程度上增加了操作的复杂性。基于上述背景，本专利技术提出了一种新型负载调制平衡放大器架构，使得原本双输入的信号变为了单输入信号，且控制放大器依然可以发挥负载调制作用，尽可能拟合最优阻抗轨迹曲线。通过对电路偏置的调整，实现电路饱和和回退状态的阻抗的自动匹配，从而不需要复杂的输出匹配结构。该设计方案同时提高了电路的线性度和增益稳定性，操作灵活，结构简单。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是针对传统负载调制平衡放大器中控制信号操作复杂的问题，提出一种负载调制平衡功率放大器。该理论革新了传统负载调制平衡放大器双输入的结构，基于阻抗轨迹曲线的变化规律，通过设置功分器功率分配比和偏置电压来实现控制信号在负载调制中发挥的幅度和相位调制作用。通过偏置的灵活调整实现了阻抗在不同状态下的匹配，具有操作简单，易于推广的优点。
[0006]一种负载调制平衡功率放大器，包括功分器、相位补偿网络、输入3
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dB正交耦合
器、平衡放大器、控制放大器和输出3
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dB正交耦合器；所述平衡放大器包括上下两路平衡子放大器；
[0007]所述功分器用于将单输入信号源功率分配至平衡放大器和控制放大器；提供给控制放大器的输入功率应大于流入上下两路平衡子放大器输入端的功率，使得控制放大器提早饱和；
[0008]所述相位补偿网络用于通过随频率变化的相位值，调节控制放大器和平衡放大器输出电流相位差，使得调制阻抗轨迹始终落在负载牵引的最优值区域，在不同频率下，提供变化的相位补偿值，来拟合最优阻抗轨迹曲线。
[0009]作为优选，所述的相位补偿网络特征阻抗为50欧姆，在工作频段内的相位变化范围高于单个串联传输线所能提供的，可以满足在不同频率下的电流相对相位需求。对端接阻抗为50欧姆时不会产生反射，在不同频率下只会对接输入耦合器的信号产生不同的相位补偿效果。
[0010]所述输入3
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dB正交耦合器的输入端接相位补偿网络的输出端，直通端和耦合端分别接上路平衡放大器的输入端、下路平衡放大器的输入端；隔离端接50欧姆电阻R3；
[0011]所述输出3
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dB正交耦合器的输入端接50欧姆负载R5，直通端和耦合端分别接下路平衡放大器的输出端、上路平衡放大器的输出端，隔离端接控制放大器的输出端；
[0012]所述输入3
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dB正交耦合器、输出3
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dB正交耦合器使得两路平衡子放大器在负载调制平衡功率放大器的输出端口的相位一致；
[0013]作为优选，所述输入3
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dB正交耦合器和输出3
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dB正交耦合器均采用两级电桥结构，便于各路功放的连接，避免跨线，同时增加了耦合器的带宽；
[0014]所述上下两路平衡子放大器结构一致，大小完全相等，均包括平衡放大器输入匹配电路、RC稳定电路、自适应偏压控制电路、晶体管P2、漏极偏置电路、隔直电容C8；平衡放大器输入匹配电路的输入端作为每路平衡子放大器的输入端，输出端接RC稳定电路的输入端，RC稳定电路的输出端与晶体管栅极连接；自适应偏压控制电路的输入端接直流电源，输出端接晶体管栅极；漏极偏置电路的输入端接直流电源，输出端与晶体管的漏极连接后同时与隔直电容C8的一端连接，隔直电容C8的另一端作为每路平衡子放大器的输出端；
[0015]所述控制放大器包括控制放大器输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管P1、漏极偏置电路、控制放大器输出匹配电路、隔直电容C3；控制放大器输入匹配电路的输入端作为控制放大器的输入端，控制放大器输入匹配电路的输出端与RC稳定电路的输入端连接，RC稳定电路的输出端与晶体管P1栅极连接；栅极偏置电路的输入端接直流电源，输出端接RC稳定电路的输出端；控制放大器输出匹配电路的输入端接漏极偏置电路的一端后与晶体管P1漏极连接，漏极偏置电路的另一端接直流电源，控制放大器输出匹配电路的输出端接隔直电容C3的一端，隔直电容C3的另一端作为控制放大器的输出端，接输出3
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dB正交耦合器的隔离端；
[0016]所述平衡放大器输入匹配电路、控制放大器输入匹配电路采用低通滤波器匹配的设计方法进行设计，低Q值的设计提高了电路带宽；
[0017]所述RC稳定电路由并联RC电路组成，用于提高放大器的稳定性，避免在实际测试过程中自激；
[0018]所述自适应偏压控制电路用于随输入功率动态调整栅级偏置电压。
[0019]作为优选，所述自适应偏压控制电路包括电阻R6、接地电容C9、串联微带线L17、二极管、接地电容C10和接地电阻R7；电阻R6的一端接直流电源V
Gs
，另一端与接地电容C9的一端、串联微带线L17的一端连接，串联微带线L17的另一端与二极管的负极相连后RC稳定电路输出端和晶体管栅极相连，二极管的正极与接地电容C10的一端、接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载调制平衡功率放大器，其特征在于包括功分器、相位补偿网络、输入3
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dB正交耦合器、平衡放大器、控制放大器和输出3
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dB正交耦合器；所述平衡放大器包括上下两路平衡子放大器；所述功分器用于将单输入信号源功率分配至平衡放大器和控制放大器；提供给控制放大器的输入功率应大于流入上下两路平衡子放大器输入端的功率，使得控制放大器提早饱和；所述相位补偿网络用于通过随频率变化的相位值，调节控制放大器和平衡放大器输出电流相位差，使得调制阻抗轨迹始终落在负载牵引的最优值区域，在不同频率下，提供变化的相位补偿值，来拟合最优阻抗轨迹曲线；所述输入3
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dB正交耦合器的输入端接相位补偿网络的输出端，直通端和耦合端分别接上路平衡放大器的输入端、下路平衡放大器的输入端；隔离端接50欧姆电阻R3；所述输出3
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dB正交耦合器的输入端接50欧姆负载R5，直通端和耦合端分别接下路平衡放大器的输出端、上路平衡放大器的输出端，隔离端接控制放大器的输出端；所述输入3
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dB正交耦合器、输出3
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dB正交耦合器使得两路平衡子放大器在负载调制平衡功率放大器的输出端口的相位一致；所述自适应偏压控制电路用于随输入功率动态调整栅级偏置电压；所述自适应偏压控制电路包括电阻R6、接地电容C9、串联微带线L17、二极管、接地电容C10和接地电阻R7；电阻R6的一端接直流电源V
GS
，另一端与接地电容C9的一端、串联微带线L17的一端连接，串联微带线L17的另一端与二极管的负极相连后RC稳定电路输出端和晶体管栅极相连，二极管的正极与接地电容C10的一端、接地电阻R7的一端连接；接地电容C9的另一端的另一端、接地电容C10的另一端和接地电阻R7的另一端接地；所述控制放大器的栅极偏置电路将控制晶体管P1偏置到AB类；所述平衡放大器的栅极偏压随输入功率动态调整，实现负载阻抗在回退和饱和状态的自动匹配。2.如权利要求1所述的一种负载调制平衡功率放大器，其特征在于所述的相位补偿网络特征阻抗为50欧姆。3.如权利要求1所述的一种负载调制平衡功率放大器，其特征在于所述输入3
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dB正交耦合器和输出3
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dB正交耦合器均采用两级电桥结构。4.如权利要求1所述的一种负载调制平衡功率放大器，其特征在于所述上下两路平衡子放大器均包括平衡放大器输入匹配电路、RC稳定电路、自适应偏压控制电路、晶体管P2、漏极偏置电路、隔直电容C8；平衡放大器输入匹配电路的输入端作为每路平衡子放大器的输入端，输出端接RC稳定电路的输入端，RC稳定电路的输出端与晶体管栅极连接；自适应偏压控制电路的输入端接直流电源，输出端接晶体管栅极；漏极偏置电路的输入端接直流电源，输出端与晶体管的漏极连接后同时与隔直电容C8的一端连接，隔直电容C8的另一端作为每路平衡子放大器的输出端。5.如权利要求1所述的一种负载调制平衡功率放大器，其特征在于所述控制放大器包括控制放大器输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管P1、漏极偏置电路、控制放大器输出匹配电路、隔直电容C3；控制放大器输入匹配电路的输入端作为控制放大器的输入端，控制放大器输入匹配电路的输出端与RC稳定电路的输入端连接，RC稳定电路的输出
端与晶体管P1栅极连接；栅极偏置电路的输入端接直流电源，输出端接RC稳定电路的输出端；控制放大器输出匹配电路的输入端接漏极偏置电路的一端后与晶体管P1漏极连接，漏极偏置电路的另一端接直流电源，控制放大器输出匹配电路的输出端接隔直电容C3的一端，隔直电容C3的另一端作为控制放大器的输出端，接输出3
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dB正交耦合器的隔离端。6.如权利要求1所述的一种负载调制平衡功率放大器，其特征在于所述输出3
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dB正交耦合器的直通端和耦合端阻抗也是平衡放大器负载阻抗，其与控制放大器的幅度和相位的关系：关系：其中I
c
是控制放大器输出端流入输出3
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dB正交耦合器隔离端的电流大小，I
b
是平衡放大器输出端流入输出3
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dB正交耦合器直通端或耦合端的电流大小，φ是输出3
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dB正交耦合器隔离端电流与输出3
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dB正交耦合器直通端电流的相对相位，Z
b
表示平衡放大器负载阻抗，θ表示平衡放大器负载阻抗反射系数的相位，Z0表示输出3
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dB正交耦合器的特征阻抗，j表示复数；由上式(1)
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(2)可知，平衡放大器负载阻抗的调制主要受电流比I
c
/I
b
和相对相位φ的影响；在单输入结构下φ认为是不发生改变的，因此通过功分器和偏置电压的调整实现对电流比I
c
/I
b
的控制，从而达到回退点和饱和点...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世昌，王惠婕，连雪海，刘太君，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：