一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法技术

本发明专利技术公开了一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法，从晶体管的等效模型入手，通过在P1dB处load_pull仿真所得的Z

【技术实现步骤摘要】
一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法


[0001]本专利技术涉及宽带射频放大器设计的
，尤其涉及到一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法。

技术介绍

[0002]有效、灵活且成本可控的频谱覆盖解决方案是业界主要的演化方向之一，出于移动和无线通信系统的快速扩容和网络部署的考虑，当前的通信网络正处于并将长期处于多制式、多种标准并存的组网状态。另外，为实现高容量、高速率、低时延的目标，新一代5G系统必将从Sub
‑
6GHz逐步延伸至能提供更大带宽资源的毫米波频段。因此，研发和推广可支持多模多频的宽带射频前端模组已成为必然，其中涉及的核心部件为用于实现发射与接收通道信号放大的功率放大器(power amplifier，PA)和低噪声放大器(low
‑
noise amplifier，LNA)。
[0003]宽带射频放大器设计的本质在于构建宽带的阻抗匹配网络，以达成在指定的连续宽频带内调控出晶体管所需的一系列最优基波负载阻抗Z
opt
，进而使晶体管在不同频点处都能工作在期望的状态。一般，离散频率下的Z
opt
是通过对晶体管进行负载牵引(load
‑
pull)仿真确定，将获取的各Z
opt
按频率递增顺序依次连接而形成的最优阻抗轨迹就是匹配网络应尽量实现的阻抗匹配效果。
[0004]主流的匹配设计思路是首先在一系列的Z
opt
中折中选取其一或根据Z
opt
的分布重新拟定一个中心阻抗Z
ctr
以近似代表宽带内的性能平衡匹配点。设选定阻抗表示为R+jX，那么其品质因数Q＝X/R，若该Q小于由计算式Q
max
＝f0/BW求出待定匹配网络的上限Q值，即Q
max
，其中f0为设计频带BW的中心频率，则完全能通过多阶级联匹配电路来覆盖整个设计频带BW。接着到具体实施层面，可借助史密斯圆图在小于Q
max
线的区域内以图解的直观方式确定好网络拓扑，完成自终端Z
load
(如标准系统负载50Ω)到R+jX的准确阻抗变换，示例参见图1。
[0005]现有技术方案对于带宽需求不大的射频放大器应用场景，即Z
opt
离散性较低的情形具有良好的适用性。但针对日渐普及的兼容多频段、多制式的大带宽通信系统，放大器设计将面临低、高边频点处的Z
opt
会相距较远的问题，此时折中阻抗匹配策略的局限性凸显，因为这不可避免地牺牲带内某一频域的性能；虽然该不足可借助CAD软件对初步搭成的匹配结构进行反复调谐、优化或增添更多的匹配元件而得到一定程度的缓解，但此举有赖于过往实操经验而不具有普适性，也无法快速且低成本地实现符合预期的宽带平坦响应。
[0006]事实上，Z
opt
随频率而变化的离散性，其主要成因是由于晶体管的输出寄生电容C
out
作用。现有公开文献已指出晶体管的等效输出阻抗模型可建立成并联R
opt
C
out
网络形式，但该等效模型中有源器件的最优本征负载电阻R
opt
往往根据经典的负载线理论，其基于很多理想假设且忽略考虑偏置水平因而所得R
opt
会比较大。器件寄生参数C
out
则通过小信号仿真或实测的手段进行提取，然而C
out
属于非线性量，在不同的激励条件下具有不同的数值；反观现实运行的基站等设备常处在大信号输出状态，因此采用传统的小信号提参法于放大
器设计而言会产生一定的误差。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：
[0009]一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法，包括：
[0010]将基于load
‑
pull仿真得到宽带内一系列最优基波负载阻抗Z
opt
等效成并联R
opt
C
out
网络模型；
[0011]基于并联R
opt
C
out
网络模型，由1dB增益压缩点处load
‑
pull仿真所得的最优基波负载阻抗Z
opt
提取出切实所需的最优本征负载电阻R
opt
与并联寄生电容C
out
；
[0012]设计补偿网络，降低并联寄生电容C
out
对阻抗匹配造成的影响，使得宽带阻抗匹配的目标从追随频变的最优基波负载阻抗Z
opt
轨迹简化成自终端阻抗Z
load
到恒定的最优本征负载电阻R
opt
的单点间阻抗变换，从而得以通过史密斯圆图轨迹法来求取阻抗匹配网络拓扑。
[0013]进一步地，根据最优基波负载阻抗Z
opt
提取出切实所需的最优本征负载电阻R
opt
与并联寄生电容C
out
，包括：
[0014]从中心频点f0处的Z
opt
反推导出P1dB状态下晶体管所需的最优本征负载电阻R
opt
与其自身的并联寄生电容C
out
，公式如下：
[0015][0016][0017]上式中，Re()为取实部函数，Im()为取虚部函数，为取Z
opt
的共轭。
[0018]进一步地，设计得到补偿网络，包括：
[0019]A1、获取补偿网络的传输矩阵；
[0020]A2、求取信号无损耗地从补偿网络到达匹配网络时传输矩阵的解；
[0021]A3、通过传输矩阵的解求取待设计网络N
s
的设计参数，从而得到补偿网络。
[0022]进一步地，获取补偿网络的传输矩阵包括：
[0023]由共轭匹配原理知补偿网络具有对称属性，再根据原理图的拓扑进而得到补偿网络的传输矩阵：
[0024][0025]其中，为并联寄生电容C
out
的传输矩阵，j代表虚数，ω为角频率，为待设计网络N
s
的传输矩阵，A1、B1、C1均为设计参数，为jb并联元件的传输
矩阵，b为电纳。
[0026]进一步地，信号无损耗地从补偿网络到达匹配网络时，Z
out
＝Z
mn
＝R
opt
，Z
out
为补偿网络所得的阻抗，终端Z
load
为经匹配网络变换后的阻抗，R
opt
为补偿网络双端等效接载的最优本征负载电阻，有如下关系式：
[0027][0028][0029]Γ
out
为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法，其特征在于，包括：将基于load_pull仿真得到宽带内一系列最优基波负载阻抗Z
opt
等效成并联R
opt
C
out
网络模型；基于并联R
opt
C
out
网络模型，由1dB增益压缩点处load_pull仿真所得的最优基波负载阻抗Z
out
提取出切实所需的最优本征负载电阻R
out
与并联寄生电容C
out
；设计补偿网络，降低并联寄生电容C
out
对阻抗匹配造成的影响，使得宽带阻抗匹配的目标从追随频变的最优基波负载阻抗Z
out
轨迹简化成自终端阻抗Z
load
到恒定的最优本征负载电阻R
out
的单点间阻抗变换，从而得以通过史密斯圆图轨迹法来求取阻抗匹配网络拓扑。2.根据权利要求1所述的一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法，其特征在于，根据最优基波负载阻抗Z
opt
提取出切实所需的最优本征负载电阻R
opt
与并联寄生电容C
out
，包括：从中心频点f0处的Z
opt
反推导出P1dB状态下晶体管所需的最优本征负载电阻R
opt
与其自身的并联寄生电容C
out
，公式如下：，公式如下：上式中，Re()为取实部函数，Im()为取虚部函数，为取Z
opt
的共轭。3.根据权利要求1所述的一种宽带射频放大器的阻抗匹配网络拓扑设计方法，其特征在于，设计得到补偿网络，包括：A1、获取补偿网络的传输矩阵；A2、求取信号无损耗地从补偿网络到达匹配网络时传输矩阵的解；A3、通过传输矩阵的解求取待设计网络N
s
的设计参数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭林，徐泽基，张志浩，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：