【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微波功率放大器，尤其涉及一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。
技术介绍
1、功率放大器作为基站的主要耗能部件，提高工作效率能够有效降低基站运维成本，助力绿色通信。自从谐波控制技术被引入功率放大器设计中，其在拓展带宽和提升效率等方面发挥了重要作用。随着无线通信系统工作频段跨度的增加，功率放大器难以同时满足系统对于频段覆盖范围与能量转换效率的需求。同时，宽带设计中低频谐波和高频基波阻抗冲突的问题逐渐加剧，大大增加了功率放大器的设计复杂度。另外，晶体管内部的非线性电容会导致晶体管栅极出现谐波分量，从而使栅极的理想正弦波输入信号发生变化，最终影响所设计功率放大器的实际效率。
2、因此，在对功率放大器电路进行更加全面和底层的分析时，需要考虑由非理想因素导致的非线性部分对于整体电路的影响，从而使得整个分析过程更加贴合实际。而输入输出联合谐波注入方法为进一步提升功率放大器效率提供了理论基础，具有很高的价值。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器及设计方法。
2、本专利技术是这样实现的，一方面在晶体管栅极设置谐波电压监控模块，当晶体管输入出现谐波分量时，通过电压控制模块调控有源输入调值模块对输入匹配网络进行有源调制，从而改善栅极输入非线性的情况；另一方面，在晶体管漏极设置谐波电流监测模块，实时监测输出电流的基波与各次谐波成分，并通过电流控制模块和有源负载调制模块，对功率放大器的输
3、一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络。
4、进一步，所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接栅极供电电压。
5、进一步，所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接漏极供电电压。
6、进一步，所述功率放大器还包括：第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。
7、进一步，所述第一耦合器设置于输入匹配网络与晶体管之间，第一耦合器将进入晶体管栅极的待放大信号分为两路，一路输出给晶体管栅极，另一路输出给谐波电压监测模块。
8、进一步，所述谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块串联连接。
9、进一步，所述谐波电压监测模块检测由第一耦合器输入信号的谐波电压变化；所述谐波电压变化映射到电压控制模块并通过有源输入调制模块输出相应电压进行调谐，采用该输出电压来控制输入信号的谐波分量。
10、进一步，所述第二耦合器设置于晶体管与输出匹配网络之间，第二耦合器将晶体管漏极输出的放大信号分为两路，一路输出给输出匹配网络，另一路谐波电流监测模块。
11、进一步，所述谐波电流检测模块、电流控制模块、有源负载调制模块串联连接。
12、进一步，所述谐波电流监测模块检测由第二耦合器输入信号的谐波电流变化；所述谐波电流变化映射到电流控制模块并通过有源负载调制模块输出相应电流进行调谐，采用该输出电流来控制输出信号的电流谐波分量。
13、一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法，该方法包括：
14、步骤1：在仿真软件中使用源牵引和负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；
15、步骤2：将谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块引入电路，对电路输入信号的电压谐波分量进行调控，改善放大信号的电压特性；
16、步骤3：将谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块引入电路，对输出信号的电流谐波分量进行调控，进一步优化输出匹配网络，提升功率放大器性能，并得到最终的功率放大器。
17、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
18、第一，本专利技术提供了一种提高微波功率放大器效率的方法，通过在晶体管栅极调谐输入信号的电压谐波分量改善晶体管的输入信号特性；通过在晶体管漏极调谐输出信号的电流谐波分量，通过谐波注入的有源负载调制方式，提高宽带功放输出阻抗匹配的灵活度。输入输出联合谐波注入方法使功放设计的整个分析过程更加贴合实际，为进一步提升功率放大器效率提供了理论基础。
19、第二，本专利技术所提供的微波功率放大器设计方法，在设计过程中考虑了晶体管模型内部的实际非线性成分，并进一步的找到了这种非线性成分所带来的影响与输入、输出端的电压、电流的非线性成分的映射关系，通过阐述输入和输出的谐波电压、电流与功率放大器性能的关系，将这种实际中的非线性因素在理论分析、仿真设计中得以表达与观测，使功放设计的整个分析过程更加贴合实际。
20、另外，对于功率放大器输入、输出同时进行谐波注入，增加了功率放大器的可调因素，使得输入阻抗和输出阻抗的设计灵活度大大提升，为超宽带功率放大器设计过程中低频基波与高频谐波的阻抗冲突提供了一种解决方案。
21、第三，本专利技术的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
22、超宽带应用，对于高效率功放设计，谐波阻抗需要精确的进行控制，故高效率功放的各种结构都难以工作在跨倍频程场景应用中，则高效率功放设计中一般将超宽带定义为跨倍频程带宽。现有方法是在连续类模式的基础上添加了阻性因子，使得连续类模式的二次谐波阻抗由纯虚数转变为复数，从而使得低频谐波阻抗与高频基波阻抗交叉部分能同时进行匹配。但是，引入阻性因子方法的本质是牺牲了输出功率和效率性能，相当于带宽与输出性能之间的权衡，并不是真正意义上的超宽带高效功放。
23、输入输出联合谐波注入方法的概念以及理论分析，包含谐波负阻条件下的搜索方法以及最小谐波注入功率的计算方法，增加了功率放大器设计中的可调因素，实现了高低频段都能达到最优阻抗的条件，从而实现系统整体效率的提升。
24、本专利技术的技术方案克服了技术偏见：随着对晶体管大信号模型认识的不断加深，其内部非线性电容所带来的非线性失真引起了学者们的广泛关注。在大多数功率放大器的理论分析中，输入信号常常被默认为理想的正弦波信号。这对于分析来说，是十分方便且有效的。然而，由于晶体管内部非线性电容的存在，栅极会出现谐波分量，从而使栅极的理想正弦波输入信号发生变化，拥有了非线性成分。而场效应晶体管一般是压控元器件，当栅极电压的波形发生变化时，其漏极的输出电流也会发生相应的改变，当这个变化不可忽略时，会影响整个功率放大器电路的输本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，一方面在晶体管栅极设置谐波电压监控模块，当晶体管输入出现谐波分量时，通过电压控制模块调控有源输入调值模块对输入匹配网络进行有源调制，从而改善栅极输入非线性的情况；另一方面，在晶体管漏极设置谐波电流监测模块，实时监测输出电流的基波与各次谐波成分，并通过电流控制模块和有源负载调制模块，对功率放大器的输出匹配网络进行有源调制，使输出匹配网络能保持在高效率匹配状态。
2.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络；所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接栅极供电电压。
3.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体
4.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。
5.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述第一耦合器设置于输入匹配网络与晶体管之间，第一耦合器将进入晶体管栅极的待放大信号分为两路，一路输出给晶体管栅极，另一路输出给谐波电压监测模块；所述谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块串联连接。
6.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述谐波电压监测模块检测由第一耦合器输入信号的谐波电压变化；所述谐波电压变化映射到电压控制模块并通过有源输入调制模块输出相应电压进行调谐，采用该输出电压来控制输入信号的谐波分量。
7.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述第二耦合器设置于晶体管与输出匹配网络之间，第二耦合器将晶体管漏极输出的放大信号分为两路，一路输出给输出匹配网络，另一路谐波电流监测模块。
8.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述谐波电流检测模块、电流控制模块、有源负载调制模块串联连接。
9.如权利要求4所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述谐波电流监测模块检测由第二耦合器输入信号的谐波电流变化；所述谐波电流变化映射到电流控制模块并通过有源负载调制模块输出相应电流进行调谐，采用该输出电流来控制输出信号的电流谐波分量。
10.一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器的设计方法，其特征在于，其特征在于，该方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，一方面在晶体管栅极设置谐波电压监控模块，当晶体管输入出现谐波分量时，通过电压控制模块调控有源输入调值模块对输入匹配网络进行有源调制，从而改善栅极输入非线性的情况；另一方面，在晶体管漏极设置谐波电流监测模块，实时监测输出电流的基波与各次谐波成分，并通过电流控制模块和有源负载调制模块，对功率放大器的输出匹配网络进行有源调制，使输出匹配网络能保持在高效率匹配状态。
2.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络；所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接栅极供电电压。
3.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接漏极供电电压。
4.如权利要求1所述的输入输出联合谐波注入的高效率功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括：第一耦合器、谐波电压监测模块、电压控制模块、有源输入调制模块、第二耦合器、谐波电流监测模块、电流控制模块、有源负载调制模块。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：沈策，王朋，郝鹏，游飞，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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