一种基于统一设计理论的宽带异相射频功率放大器制造技术

本发明专利技术公开一种基于统一设计理论的宽带异相功率放大器及其设计方法。该功率放大器包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成谐波匹配的漏极供电电路、带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路。通过输入不同频率的等幅异相信号，来使得基于统一设计理论的宽带异相射频功率放大器进行工作。本发明专利技术在宽带异相功率放大器研究内容近乎空白的背景下，提出了基于0

【技术实现步骤摘要】
一种基于统一设计理论的宽带异相射频功率放大器


[0001]本专利技术涉及射频微波通信领域，提出了一种基于统一设计理论的高效宽带射频异相功率放大器。

技术介绍

[0002]通信信号由于受到调制技术的迭代升级，其带宽与信号的峰值均值比分别呈现出更宽以及更高的变化趋势。上述变化显然也对射频收发系统提出了更高的要求，功率放大器作为射频发射部分核心组件，其性能直接决定信号传输质量。其中主要的性能指标为带宽和线性度。同时功率放大器作为射频发射端主要耗能组件，其传输效率对于发射系统的节能以及散热都有重要作用。
[0003]常见的射频功率放大器大体按照导通角和线性度两个方面进行分类。按照导通角的区别可以分为A、B、C类。按照线性度可以分为线性功放和非线性功放。其中A类线性度最高，B类次之，C类线性度最差。与此同时功放的效率与线性度呈现相反的关系即线性度越高，效率越低。针对高效高线性度功率放大器研究人员通常采用偏置AB类的饱和功放以期望得到高效率，线性度则通过预失真等方法来提高。但是以上采用单路形式的功率放大器仅仅只能保证饱和状态下的高效率。为了携带更多信息，调制方式往往采用高阶正交调制方式从而使得信号的峰值均值比很高，这就要求功率放大器能够在较宽的幅度变化范围内维持高效率，此时采用单路形式的功率放大器已经不能满足需求。因此基于多路形式的放大器架构逐渐被提出。负载调制类功率放大器采用多路形式，通过幅度、相位等控制使得功率放大器能够在较宽的幅度变化范围内保持高效率。
[0004]常见的负载调制类功率放大器分为Doherty和异相两种。异相功率放大器由于高功率和高线性度近些年逐渐受到研究人员的关注。异相功率放大器工作原理是：首先将原始信号通过矢量分解为恒幅异相的输入信号。输入信号同相时，代表幅度最大的原始信号，输入信号反相时，代表幅度最小的原始信号，此时幅度为0。输入信号经过放大电路放大之后输出端经过合成还原得到放大后的原始信号。由于输入信号是恒幅异相的，所以其对于放大器的线性度不敏感，因此分支放大器可以采用一些高效率非线性功率放大器来实现，从而保证高效率。
[0005]经典的异相功率放大器由组合电路和补偿电路组成。组合电路采用电长度为λ/4或λ/2微带线来实现，补偿电路采用串联或并联电抗元件来实现。组合电路为λ/4微带线称为电压型异相射频功率放大器，组合电路为λ/2微带线称为电流型异相射频功率放大器。此外对于组合电路采用电长度为λ/4微带线，补偿电路采用并联电抗元件的类型称为Chireix异相射频功率放大器，补偿电路采用串联电抗元件的类型称为非等长异相射频功率放大器。
[0006]同时，5G通信在我国基本已经部署完成，5G通信相比较于前代通信系统其通信容量更高，通信带宽更宽。当前我国的5G通信频段主要集中于Sub6G(3.3GHz～3.6GHz 4.8GHz～5.0GHz)，信号带宽达到300MHz，且该频段信号穿透性强，因此信号覆盖面积更大，能够快
速的完成部署。同时也对功率放大器提出了更大的挑战。需要功率放大器在能够处理高峰均比信号的同时能够满足宽带通信的需求。
[0007]目前传统异相射频功率放大器存在设计理论多样，标准不统一。并且由于组合网络限制于λ/4或λ/2微带线，微带线的色散效应使得微带线电长度随频率变化剧烈，使得异相射频功率放大器难以实现宽带。针对目前现有技术中存在的不足，实有必要进行研究，以提供一种统一的设计理论，并提供基于此理论进行宽带异相功率放大器的完整解决方案。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种可以在宽频带内工作的异相射频功率放大器设计方案。首先将标准不一的理论整合为统一的设计理论，并基于此设计理论进行宽带高效率输出电路设计，最终实现宽频带范围内的异相功率放大。
[0009]该异相射频功率放大器由两路构成。其中每路包括完全相同的宽带输入匹配电路、稳定电路、栅极偏置电路、集成谐波匹配的漏极供电电路以及两路不同的带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路分别称为第一匹配网络和第二匹配网络。其中，宽带输入匹配电路采用低Q值宽带匹配的设计方法来实现。稳定电路由并联电阻和电容组成，其作用是使得放大器电路处于稳定状态，避免出现信号自激现象。栅极偏置电路为晶体管提供偏置，使得放大器工作于AB类状态。集成谐波匹配的漏极供电电路，一方面为晶体管漏极提供供电电压，另一方面为晶体管提供谐波匹配。带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路利用传统的宽带拓扑结构可以同时实现虚部补偿和宽带阻抗匹配。阻抗匹配电路合路后接标准接口阻抗50欧姆。
[0010]具体如下：
[0011]一种基于统一设计理论的宽带异相射频功率放大器，包括两路功率放大器电路；其中每一路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成谐波匹配的漏极供电电路、带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路；每路宽带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稳定电路的输入端；集成谐波匹配的漏极供电电路的第一输入端接晶体管的漏极，第二输入端接直流电源，输出端接带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路的输入端；两路带虚部补偿的宽带匹配电路输出端合并后接标准负载 50欧姆。
[0012]所述的，宽带输入匹配电路采用低Q值阶跃式宽带匹配方法构建，具体为采用串联电感和并联电容交替的低通结构来设计。为了克服集总元件高频损耗较大，所以将集总元件转换为微带线，串联电感利用串联低阻抗微带线来替换，电容由于体积小，并且便于后期电路的调整所以不做替换。因此所述宽带输入匹配电路包括串联传输线TL1、隔直电容C1、并联电容C2、串联传输线TL2、并联电容C3、串联传输线TL3；串联传输线TL1一端接信号输入端，串联传输线TL1的另一端接隔直电容C1；隔直电容 C1的另一端与并联电容C2的一端、串联传输线TL2的一端连接；并联电容C2的另一端接地；串联传输线TL2的另一端与并联电容C3的一端、串联传输线TL3的一端相连；串联传输线的另一端接稳定电路的输入端；最终形成高低阻抗交替的电容
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微带线结构。该结构损耗低，并且尺寸较小，简化了电路结构，实现了设计目的。
[0013]优选的，放大器处于宽频带范围内易出现因不稳定而放大器自激的现象，此时需要加入稳定电路来提高放大器的稳定性。RC稳定电路是在晶体管的输入端增加并联电容和
电阻有耗器件，从而保证放大器在整个频带内保证稳定性。
[0014]所述的，稳定电路由电阻R与电容C的一端相连并共同连接到串联传输线TL3的另一端，电阻R与电容C另一端相连并共同连接晶体管的输入端、栅极偏置电路的一端。
[0015]优选的，栅极偏置电路包括一条一端通过电容接地的并联微带线，用来提供栅极偏置电压。具体为：并联微带线TL4一端连接稳定电路的另一端、晶体管的输入端；并联微带线TL4另一端连接栅极偏置电压Vgs。
[0016]作为优选，集成谐波匹配的漏极供电电路包括串联传输线TL5、并联传输线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于统一设计理论的宽带异相射频功率放大器，包括两路功率放大电路、带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路；其中每一路均包括宽带输入匹配电路、RC稳定电路、栅极偏置电路、晶体管、集成谐波匹配的漏极供电电路、基于0
°
组合电路；每路宽带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稳定电路的输入端；集成谐波匹配的漏极供电电路的第一输入端接晶体管的漏极，第二输入端接直流电源，输出端接带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路的输入端；两路带虚部补偿的宽带匹配电路输出端合并后接标准负载50欧姆。所述的宽带输入匹配电路用于将输入信号在宽频段范围内保证输入信号到晶体管的损耗较小。所述的集成谐波匹配的漏极供电电路用于为晶体管提供漏极供电的同时，同时也可以实现对二次谐波的匹配。所述的带虚部补偿的宽带阻抗匹配电路在实现虚部补偿的同时，同时进行宽带阻抗匹配，保证晶体管尽可能损耗低的输出到负载。所述的基于0
°
组合电路用来承担功率组合的功能。2.如权利要求1所述的宽带异相射频功率放大器，其特征在于所述的宽带输入匹配电路采用低Q值阶跃式宽带匹配方法构建，具体为采用串联电感和并联电容交替的低通结构来设计。为了克服集总元件高频损耗较大，所以将集总元件转换为微带线，串联电感利用串联低阻抗微带线来替换，电容由于体积小，并且便于后期电路的调整所以不做替换。因此所述宽带输入匹配电路包括串联传输线TL1、隔直电容C1、并联电容C2、串联传输线TL2、并联电容C3、串联传输线TL3；串联传输线TL1一端接信号输入端，串联传输线TL1的另一端接隔直电容C1；隔直电容C1的另一端与并联电容C2的一端、串联传输线TL2的一端连接；并联电容C2的另一端接地；串联传输线TL2的另一端与并联电容C3的一端、串联传输线TL3的一端相连；串联传输线的另一端接稳定电路的输入端；最终形成高低阻抗交替的电容
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微带线结构。该结构损耗低，并且尺寸较小，简化了电路结构，实现了设计目的。3.如权利要求1所述的宽带异相射频功率放大器，其特征在于所述的RC稳定电路,是因为部分放大器容易在频带内出现稳定参数小于1，功率管容易发生自激现象，此时需要采取稳定性措施。RC稳定电路是在晶体管输入端增加有耗元器件，从而提高其稳定性。电阻R与电容C的一端相连并共同连接到串联传输线TL3的另一端，电阻R与电容C另一端相连并共同连接晶体管的输入端、栅极偏置电路的一端。4.如权利要求1所述的宽带异相射频功率放大器，其特征在于所述的栅极偏置电路包括一条一端通过电容接地的并联微带线，用来提供栅极偏置电压。具体为：并联微带线TL4一端连接稳定电路的另一端、晶体管的输入端；并联微带线TL4另一端连接栅极偏置电压Vgs。5.如权利要求1所述的宽带异相射频功率放大器，其特征在于所述的集成...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世昌，王伟伟，
申请(专利权)人：绍兴益飞芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：