一種連續(xù)ef類高效率寬帶功率放大器及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器及其實現(xiàn)方法，包括基波輸入匹配網絡、E類功率放大器、連續(xù)型諧波控制網絡以及基波輸出匹配網絡，其中，基波輸入匹配網絡的輸入端與功率輸入端相連接，其輸出端接E類功率放大器的輸入端；E類功率放大器的輸出端與連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連接，連續(xù)型諧波控制網絡的輸出端與基波輸出匹配網絡的輸入端相連接，基波輸出匹配網絡的輸出端作為功率輸出。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明在對“連續(xù)類思想”進行深入研究的基礎上，提出新型基波輸出匹配網絡和連續(xù)型諧波控制網絡，能夠極大抑制負載阻抗隨工作頻率的漂移，在保持功放高效率的情況下拓展帶寬，極大提升了放大器的整體帶寬。
【專利說明】
一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器及其實現(xiàn)方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及射頻通訊技術領域，尤其涉及一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器及 其實現(xiàn)方法。
【背景技術】
[0002] 射頻功率放大器，作為整個發(fā)射系統(tǒng)中的末級模塊，是整個射頻系統(tǒng)中功耗最大 的部件，它的主要作用是對前級輸出的信號進行功率放大，并且將放大后的信號送給天線 進行發(fā)射。由于功率放大器工作會消耗很大的直流功率，因此效率是功率放大器設計時首 先要考慮的重要指標，同時輸出功率、線性度、帶寬也是功率放大器的關鍵指標。這主要體 現(xiàn)在這樣以下幾個方面：（1)功率放大器的帶寬。由于現(xiàn)在多種通信標準相互兼容，各自工 作頻段又不同，出于成本與體積的考慮，要求一個射頻功率放大器能夠應用于多個通信系 統(tǒng)如GSM、CMDA、LTE等，這就對整個射頻收發(fā)系統(tǒng)的帶寬提出了更高的要求，特別是對于處 于整個射頻發(fā)射系統(tǒng)末級的功率放大器提出了更高的要求。（2)功率放大器的效率。射頻功 率放大器是整個射頻發(fā)射單元的最后一級，必然會消耗最多的能量，所以就要求功率放大 器的效率盡可能的高。目前我國正處在倡導能源環(huán)?；?jié)約化的重要時期。為了保證通信 兼容性和運營成本，對更寬頻帶、高效率功率放大器需求越來越大，尤其是對正在推廣的第 4代移動通信技術，要求射頻功率放大器具有高效率性能指標。同時為了覆蓋移動、電信、聯(lián) 通三家運營商的工作頻段還需要功率放大器具有更寬帶寬的性能?；谏鲜鲆蛩氐目紤]， 國外首先提出了 EF類功率放大器的思想。其中，E類功放由開關晶體管和輸出端的電容電感 構成，通過強驅動使得功放的晶體管以開關狀態(tài)工作，其波形的特點是:有電流流過時，電 壓為零;有電壓時，流過電流為零，晶體管導通瞬間電壓的斜率為零。F類的原理就是通過調 整高次諧波的阻抗，調整對應諧波的電壓和電流，從而對總的電壓電流波形進行重塑，使 得在時域上不出現(xiàn)電壓電流的重疊，在頻域上高次諧波功率消耗為零。理論上可以達到 100 %的效率?，F(xiàn)有技術的EF類功率放大器結合了 E類和F類的設計方法，通過在E類功率放 大器中利用諧波控制電路控制高次諧波，并利用負載牽引來回迭代得到最佳基波負載和源 阻抗，雖然能獲得比E類和F類更高的效率，但其匹配時只是對中心頻率進行最優(yōu)匹配，基于 經典的傳輸線理論，當工作頻率偏移中心頻率時，相應的輸出阻抗亦會偏移最優(yōu)值，造成放 大器性能的衰減，這必將會對功率放大器的效率產生極大的影響，因此，現(xiàn)有技術EF類功率 放大器不適宜做寬帶，而只能進行窄帶設計。
[0003] 故，針對目前現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，實有必要進行研究，以提供一種方案， 解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器及其實現(xiàn) 方法，在現(xiàn)有技術EF類功率放大器的研究基礎上拓展了"連續(xù)類"思想，并創(chuàng)新性地提出了 新型基波輸出匹配網絡和連續(xù)諧波控制網絡，這兩種結構是基于"連續(xù)類"思想而來。以解 決上述問題。
[0005] 為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明采用以下技術方案：
[0006] -種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器，包括基波輸入匹配網絡、E類功率放大器、 連續(xù)型諧波控制網絡以及基波輸出匹配網絡，其中，
[0007] 所述基波輸入匹配網絡的輸入端與功率輸入端相連接，其輸出端接所述E類功率 放大器的輸入端；
[0008] 所述E類功率放大器的輸出端與所述連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連接，所述 連續(xù)型諧波控制網絡的輸出端與所述基波輸出匹配網絡的輸入端相連接，，所述基波輸出 匹配網絡的輸出端作為功率輸出；
[0009] 所述連續(xù)型諧波控制網絡包括第一微帶線Z1、第二微帶線Z2、第三微帶線Z3和第 四微帶線Z4,所述第一微帶線Z1的一端與E類功率放大器的輸入端相連接，所述第一微帶線 Z1的另一端與所述第二微帶線Z2的一端、第三微帶線Z3的一端和第四微帶線Z4的一端相連 接，所述第四微帶線Z4的另一端與所述基波輸出匹配網絡相連接;所述第二微帶線Z2的另 一端和所述第三微帶線Z3的另一端接地形成兩個短路枝節(jié)，使其偶次諧波牽引至短路點， 奇次諧波牽引至開路點；
[0010] 所述基波輸出匹配網絡采用阻抗階躍式拓撲結構，包括所述第五微帶線Z5、第六 微帶線Z6和第七微帶線Z7,所述第五微帶線Z5的一端與所述連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端 相連接，所述第五微帶線Z5的另一端與所述第六微帶線Z6的一端相連接，所述第六微帶線 Z6的另一端與所述第七微帶線Z7的一端相連接，所述第七微帶線Z7的另一端與功率輸出相 連接;其中，所述第五微帶線Z5、第六微帶線Z6和第七微帶線Z7的阻抗呈階躍式變化，使其 基波頻率下的最佳阻抗值構成一條最佳阻抗線，繼而在整個帶寬內最佳基波阻抗成為一個 平滑連續(xù)的曲面。
[0011]優(yōu)選地，所述第二微帶線Z2和所述第三微帶線Z3的參數(shù)根據(jù)功率放大器的頻率相 應調節(jié)。
[0012] 為了克服現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明還提出一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器的 實現(xiàn)方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟1:調試一個標準的E類功率放大器；
[0014] 步驟2:在所述E類功率放大器的輸出端架構一寬帶匹配網絡，所述寬帶匹配網絡 的拓撲結構由各種微帶線綜合級聯(lián)而成，調節(jié)各種微帶線的參數(shù)得到一條逼近最佳阻抗曲 面的曲線，從而在保持EF類高效率的同時拓寬功率放大器的工作帶寬。
[0015] 優(yōu)選地，所述寬帶匹配網絡包括連續(xù)型諧波控制網絡和基波輸出匹配網絡，其中， 所述連續(xù)型諧波控制網絡包括第一微帶線Z1、第二微帶線Z2、第三微帶線Z3和第四微帶線 Z4,所述第一微帶線Z1的一端與E類功率放大器的輸入端相連接，所述第一微帶線Z1的另一 端與所述第二微帶線Z2的一端、第三微帶線Z3的一端和第四微帶線Z4的一端相連接，所述 第四微帶線Z4的另一端與所述基波輸出匹配網絡相連接;所述第二微帶線Z2的另一端和所 述第三微帶線Z3的另一端接地形成兩個短路枝節(jié)，使其偶次諧波牽引至短路點，奇次諧波 牽引至開路點；
[0016] 所述基波輸出匹配網絡采用阻抗階躍式拓撲結構，包括所述第五微帶線Z5、第六 微帶線Z6和第七微帶線Z7,所述第五微帶線Z5的一端與所述連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端 相連接，所述第五微帶線Z5的另一端與所述第六微帶線Z6的一端相連接，所述第六微帶線 Z6的另一端與所述第七微帶線Z7的一端相連接，所述第七微帶線Z7的另一端與功率輸出相 連接;其中，所述第五微帶線Z5、第六微帶線Z6和第七微帶線Z7的阻抗呈階躍式變化，使其 基波頻率下的最佳阻抗值構成一條最佳阻抗線，繼而在整個帶寬內最佳基波阻抗成為一個 平滑連續(xù)的曲面。
[0017]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供的連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器及其實現(xiàn)方法， 在對"連續(xù)類思想"進行深入研究的基礎上，提出新型基波輸出匹配網絡和連續(xù)型諧波控制 網絡，能夠極大抑制負載阻抗隨工作頻率的漂移，在保持功放高效率的情況下拓展帶寬，極 大提升了放大器的整體帶寬。
【附圖說明】
[0018]圖1是"連續(xù)類"思想中電流面最佳阻抗值的示意圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器的架構圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器中連續(xù)型諧波控制網絡和基波輸出 匹配網絡的拓撲結構圖。
【具體實施方式】
[0021] 以下是本發(fā)明的具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步的描述， 但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0022] 針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，
【申請人】對現(xiàn)有技術中EF類功率放大器的結構進行了深 入的研究，
【申請人】發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術中EF類功率放大器是基于經典的傳輸線理論對中心頻率進 行最優(yōu)匹配。我們知道:一般情況下為了進行簡化分析，傳統(tǒng)EF類功率放大器的電流波形采 用半余弦整流波形，對其進行傅里葉分解及歸一化后的漏極電流波形公式為：
[0023]
[0024]同理，控制到三次諧波后的電壓波形公式為：
[0025]
[0026] 電流面的各次諧波最佳阻抗可表示為公式：
[0027]
[0028] 其中η代表η次諧波分量。這樣的結果就要求在每個諧波頻點都對應一個最佳阻抗 要求值，這對于寬頻帶設計提出了很高的難度。當工作頻率偏移中心頻率時，相應的輸出阻 抗亦會偏移最優(yōu)值，從而造成放大器性能的衰減，使現(xiàn)有技術EF類功率放大器不適宜做寬 帶，而只能進行窄帶設計。
[0029] 基于此種情況，
【申請人】對"連續(xù)類"思想進行深入的研究，并引入"連續(xù)類"思想對 上述的電壓公式進一步修正并歸一化后得到的電壓公式為：
[0030]
[0031]考慮其中的修正因子γ(-?〈γ〈?)，得到在基波頻率下的最佳阻抗值已經由先前 的一個點（γ =〇)變成一條連續(xù)的線，發(fā)散到整個帶寬內，最佳基波阻抗就成為一個平滑連 續(xù)的曲面，具體參見圖1所示，是"連續(xù)類"思想中電流面最佳阻抗值的示意圖。因此只要設 計出寬帶匹配網絡就能提高功率放大器的帶寬。至于寬帶匹配網絡的設計，其拓撲結構都 是由各種微帶線綜合級聯(lián)而成，而微帶線可以分析和圖解成參數(shù)形式在史密斯圓圖上表示 出來，因此其拓撲結構的阻抗曲線實質是一個由多參數(shù)組成的參數(shù)方程，只要求出這些參 數(shù)就可以得到最終的匹配網絡。通過分析各種微帶線在史密斯圓圖的走勢規(guī)律，再經過插 值、擬合、回歸等數(shù)學方式，就可以得到一條逼近最佳阻抗曲面的曲線，即得出定量的解，進 一步就可以得出一個拓撲結構雛形。
[0032]
【申請人】根據(jù)上述理論，設計出本發(fā)明的寬帶匹配網絡包括連續(xù)型諧波控制網絡和 基波輸出匹配網絡，均是基于"連續(xù)類"思想而來，他們的結合能夠保證在盡量寬的帶寬內 抑制負載阻抗的漂移從而達到擴展帶寬的目的。
[0033]參見圖2,所示為本發(fā)明連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器的架構圖，包括基波輸入 匹配網絡、Ε類功率放大器、連續(xù)型諧波控制網絡以及基波輸出匹配網絡，其中，基波輸入匹 配網絡的輸入端與功率輸入端相連接，其輸出端接Ε類功率放大器的輸入端;Ε類功率放大 器的輸出端與連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連接，連續(xù)型諧波控制網絡的輸出端與基波 輸出匹配網絡的輸入端相連接，，基波輸出匹配網絡的輸出端作為功率輸出。
[0034]參見圖3，所示為本發(fā)明連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器中連續(xù)型諧波控制網絡 和基波輸出匹配網絡的拓撲結構圖，連續(xù)型諧波控制網絡包括第一微帶線Ζ1、第二微帶線 Ζ2、第三微帶線Ζ3和第四微帶線Ζ4,第一微帶線Ζ1的一端與Ε類功率放大器的輸入端相連 接，第一微帶線Ζ1的另一端與第二微帶線Ζ2的一端、第三微帶線Ζ3的一端和第四微帶線Ζ4 的一端相連接，第四微帶線Ζ4的另一端與基波輸出匹配網絡相連接;第二微帶線Ζ2的另一 端和第三微帶線Ζ3的另一端接地形成兩個短路枝節(jié)，使其偶次諧波牽引至短路點，奇次諧 波牽引至開路點；
[0035]基波輸出匹配網絡采用阻抗階躍式拓撲結構，包括第五微帶線Ζ5、第六微帶線Ζ6 和第七微帶線Ζ7,第五微帶線Ζ5的一端與連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連接，第五微帶 線Ζ5的另一端與第六微帶線Ζ6的一端相連接，第六微帶線Ζ6的另一端與第七微帶線Ζ7的一 端相連接，第七微帶線Ζ7的另一端與功率輸出相連接;其中，第五微帶線Ζ5、第六微帶線Ζ6 和第七微帶線Ζ7的阻抗呈階躍式變化，使其基波頻率下的最佳阻抗值構成一條最佳阻抗 線，繼而在整個帶寬內最佳基波阻抗成為一個平滑連續(xù)的曲面。
[0036]其中，諧波控制網絡中的兩個短路枝節(jié)微帶線的阻抗Ζ2和Ζ3由所設計的功率放大 器的頻段而定。
[0037]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明還提出了一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器的實 現(xiàn)方法，具體包括如下步驟：
[0038] 步驟一:調試一個標準的Ε類功率放大器；
[0039] 步驟二:設計一個新型的基波輸出匹配網絡，采用阻抗階躍式拓撲結構，拓撲結構 中三段微帶線的阻抗Ζ5，Ζ6，Ζ7呈階躍式變化。使其基波頻率下的最佳阻抗值構成一條最佳 阻抗線，繼而在整個帶寬內最佳基波阻抗就成為一個平滑連續(xù)的曲面；
[0040]步驟三:根據(jù)"連續(xù)類"思想，引入改進的短路并聯(lián)枝節(jié)的連續(xù)諧波控制網絡，諧波 控制網絡中的兩個短路枝節(jié)微帶線的阻抗Z2和Z3由所設計的功率放大器的頻段而定，使其 偶次諧波牽引至短路點，奇次諧波牽引至開路點；
[0041 ]步驟四：對整體電路進行優(yōu)化調諧，在保持EF類高效率的同時拓寬功率放大器的 工作帶寬。
[0042]其中，所述的連續(xù)EF類功放的負載阻抗為50歐。
[0043]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對 于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行 若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內。對這些實施例的 多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說是顯而易見的，本申請中所定義的一般原理可以在 不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于 本申請所示的這些實施例，而是要符合與本申請所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的 范圍。
【主權項】
1. 一種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器，其特征在于，包括基波輸入匹配網絡、E類功 率放大器、連續(xù)型諧波控制網絡以及基波輸出匹配網絡，其中， 所述基波輸入匹配網絡的輸入端與功率輸入端相連接，其輸出端接所述E類功率放大 器的輸入端； 所述E類功率放大器的輸出端與所述連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連接，所述連續(xù) 型諧波控制網絡的輸出端與所述基波輸出匹配網絡的輸入端相連接，，所述基波輸出匹配 網絡的輸出端作為功率輸出； 所述連續(xù)型諧波控制網絡包括第一微帶線Z1、第二微帶線Z2、第三微帶線Z3和第四微 帶線Z4,所述第一微帶線Zl的一端與E類功率放大器的輸入端相連接，所述第一微帶線Zl的 另一端與所述第二微帶線Z2的一端、第三微帶線Z3的一端和第四微帶線Z4的一端相連接， 所述第四微帶線Z4的另一端與所述基波輸出匹配網絡相連接;所述第二微帶線Z2的另一端 和所述第三微帶線Z3的另一端接地形成兩個短路枝節(jié)，使其偶次諧波牽引至短路點，奇次 諧波牽引至開路點； 所述基波輸出匹配網絡采用阻抗階躍式拓撲結構，包括所述第五微帶線Z5、第六微帶 線Z6和第七微帶線Z7,所述第五微帶線Z5的一端與所述連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連 接，所述第五微帶線Z5的另一端與所述第六微帶線Z6的一端相連接，所述第六微帶線Z6的 另一端與所述第七微帶線Z7的一端相連接，所述第七微帶線Z7的另一端與功率輸出相連 接;其中，所述第五微帶線Z5、第六微帶線Z6和第七微帶線Z7的阻抗呈階躍式變化，使其基 波頻率下的最佳阻抗值構成一條最佳阻抗線，繼而在整個帶寬內最佳基波阻抗成為一個平 滑連續(xù)的曲面。2. 根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器，其特征在于，所述第二微帶 線Z2和所述第三微帶線Z3的參數(shù)根據(jù)功率放大器的頻率相應調節(jié)。3. -種連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器的實現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:調試一個標準的E類功率放大器； 步驟2:在所述E類功率放大器的輸出端架構一寬帶匹配網絡，所述寬帶匹配網絡的拓 撲結構由各種微帶線綜合級聯(lián)而成，調節(jié)各種微帶線的參數(shù)得到一條逼近最佳阻抗曲面的 曲線，從而在保持EF類高效率的同時拓寬功率放大器的工作帶寬。4. 根據(jù)權利要求3所述的連續(xù)EF類高效率寬帶功率放大器的實現(xiàn)方法，其特征在于，所 述寬帶匹配網絡包括連續(xù)型諧波控制網絡和基波輸出匹配網絡，其中，所述連續(xù)型諧波控 制網絡包括第一微帶線Z1、第二微帶線Z2、第三微帶線Z3和第四微帶線Z4,所述第一微帶線 Zl的一端與E類功率放大器的輸入端相連接，所述第一微帶線Zl的另一端與所述第二微帶 線Z2的一端、第三微帶線Z3的一端和第四微帶線Z4的一端相連接，所述第四微帶線Z4的另 一端與所述基波輸出匹配網絡相連接;所述第二微帶線Z2的另一端和所述第三微帶線Z3的 另一端接地形成兩個短路枝節(jié)，使其偶次諧波牽引至短路點，奇次諧波牽引至開路點； 所述基波輸出匹配網絡采用阻抗階躍式拓撲結構，包括所述第五微帶線Z5、第六微帶 線Z6和第七微帶線Z7,所述第五微帶線Z5的一端與所述連續(xù)型諧波控制網絡的輸入端相連 接，所述第五微帶線Z5的另一端與所述第六微帶線Z6的一端相連接，所述第六微帶線Z6的 另一端與所述第七微帶線Z7的一端相連接，所述第七微帶線Z7的另一端與功率輸出相連 接;其中，所述第五微帶線Z5、第六微帶線Z6和第七微帶線Z7的阻抗呈階躍式變化，使其基 波頻率下的最佳阻抗值構成一條最佳阻抗線，繼而在整個帶寬內最佳基波阻抗成為一個平 滑連續(xù)的曲面。
【文檔編號】H03F3/24GK105897194SQ201610309332
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】程知群, 李江舟, 張明, 董志華, 劉國華, 周濤, 柯華杰
【申請人】杭州電子科技大學