一种基于源端非线性连续型逆F类功率放大器

一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器
技术领域
1.本发明涉及类功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器。


背景技术：

2.随着第五代(5g)移动通信系统的紧密部署，基站数量明显增加，基站产生的总能耗也逐步攀升，5g通信系统网络的通信带宽资源更高，为满足当前通信系统的需求，功率放大器必须同时满足高效率和宽带，随着5g通信的发展，无线通信系统需要满足长距离、高数据传输速率，这就迫使无线通信系统要向宽带甚至超宽带发展。因此，提高功率放大器的效率以及宽带是当前以及未来射频通信系统的研究热点。
3.传统高效率功率放大器，由于必须保证其谐波的精确控制，所以限制功率放大器的带宽在一个窄带范围内，使其难易应用到宽带通信系统上，特别是现代无线通信技术需要设备覆盖多个频段，连续型功放理论应势而出，通过控制高次谐波对功放的输出电压或电流波形进行合理塑造，解决了宽带高效率功放的难题。
4.高效率功率放大器的实现主要以谐波控制类功放为主，有着谐波控制困难、带宽窄的缺陷，连续型逆f类功率放大器因为在阻抗设计空间有着相对其他连续类型更宽的阻抗，使其设计相对便利，但连续型逆f类功放仍存在基波阻抗区域过窄，设计灵活度低，匹配网络设计繁琐的缺点，因此，传统连续逆f类功放不能满足现带社会需求，亟需一种新的原理来进一步拓展连续型逆f类功放阻抗设计空间，以实现在满足高效率的同时进一步拓展带宽以及简化功放设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，旨在解决传统连续逆f类功放不能满足现代社会需求的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，包括输入基波匹配模块、源非线性因子控制模块、栅极偏置模块、稳定网络、输出匹配网络模块和漏级偏置模块，所述输入基波匹配模块、所述源非线性因子控制模块和所述稳定网络依次连接，所述稳定网络与所述输出匹配网络模块通过功放管漏端连接，所述栅极偏置模块与所述源非线性因子控制模块连接，所述漏级偏置模块与所述输出匹配网络模块连接。
7.其中，所述栅极偏置模块和所述漏级偏置模块分别为晶体管的栅极和漏级提供电流与电压，并通过λ/4微带线实现从射频端看阻抗无穷大，以防止射频信号泄漏，同时采用高频电容c滤除电源中交流成分。
8.其中，所述稳定网络采用rc并联结构，在工作频段内实现功率放大器的稳定。
9.其中，所述输出匹配网络模块所用输出匹配网络，所述源非线性因子控制模块所用源非线性控制匹配网络，所述输入基波匹配模块所用输入基波匹配网络，所述输出匹配网络、所述源非线性控制匹配网络和所述输入基波匹配网络构成输出或者输入匹配网络，
所述匹配网络是使最佳阻抗匹配到输入输出端口阻抗，使功放在高效的同时保持最大功率输出。
10.其中，所述源非线性因子控制模块所用源非线性控制匹配网络采用十字控制网络结构，实现对源端非线性因子的控制。
11.其中，所述匹配网络采用切比雪夫低通滤波网络结构进行拓扑，实现对工作频带的匹配。
12.本发明的一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，通过源端非线性因子控制模块控制栅源电容cgs非线性强度，丰富了漏极对谐波需求，该放大器的所述输出匹配网络模块、所述源非线性因子控制模块和所述输入基波匹配模块所用的匹配网络由有基波与非线性两部分网络组成，不仅实现源端基波阻抗匹配，还通过十字控制网络，精准控制源端非线性，充分的挖掘了功放管自身潜力，拓展了阻抗设计空间，简化了输出匹配网络设计，设计灵活，减弱了匹配网络设计复杂度，并利用切比雪夫低通滤波网络拓扑，实现超宽带、高效率特性，解决传统连续逆f类功放不能满足现代社会需求的问题。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为发明中基于源端非线性连续型逆f类功率放大器电路图。
15.图2为是由负载牵引所得最佳基波和二次谐波阻抗区域示意图。
16.图3为本设计实例中输出匹配电路在封装面阻抗随频率变化示意图。
17.图4为本设计实例中输入匹配电路在封装面阻抗随频率变化示意图。
18.图5本设计实例中仿真结果示意图。
19.图6为发明中基于源端非线性连续型逆f类功率放大器结构示意图。
20.图中：1-输入基波匹配模块、2-源非线性因子控制模块、3-栅极偏置模块、4-稳定网络、5-输出匹配网络模块、6-漏级偏置模块。
具体实施方式
21.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.请参阅图1至图6，本发明提供一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，包括输入基波匹配模块1、源非线性因子控制模块2、栅极偏置模块3、稳定网络4、输出匹配网络模块5和漏级偏置模块6，所述输入基波匹配模块1、所述源非线性因子控制模块2和所述稳定网络4依次连接，所述稳定网络4与所述输出匹配网络模块5通过功放管漏端连接，所述栅极偏置模块3与所述源非线性因子控制模块2连接，所述漏级偏置模块6与所述输出匹配网络模块5连接。
23.在本实施方案中，通过源端非线性因子控制模块控制栅源电容cgs非线性强度，丰
富了漏极对谐波需求，该放大器的所述输出匹配网络模块5、所述源非线性因子控制模块2和所述输入基波匹配模块1所用网络由有基波与非线性两部分网络组成，不仅实现源端基波阻抗匹配，还通过十字控制网络，精准控制源端非线性，充分的挖掘了功放管自身潜力，拓展了阻抗设计空间，简化了输出匹配网络设计，设计灵活，减弱了匹配网络设计复杂度，并利用切比雪夫低通滤波原型，实现超宽带、高效率特性，解决传统连续型逆f类功放不能满足现代社会需求的问题。
24.进一步的，所述栅极偏置模块3和所述漏级偏置模块6分别为晶体管的栅极和漏级提供电流与电压，并通过λ/4微带线实现从射频端看阻抗无穷大，以防止射频信号泄漏，同时采用高频电容c滤除电源中交流成分。
25.在本实施方案中，将栅源电容cgs的非线性效应用源端非线性因子量化，利用“波形工程”，简要的分析了端非线性因子对阻抗空间和功放性能的影响，设计了一种基于源端非线性的宽带连续型逆f类功率放大器，该功率放大器包括栅极偏置电路、漏极偏置电路、稳定网络4、源端匹配电路、输出匹配电路、晶体管小信号模型；
26.源端非线性连续型逆f类功率放大器的电流波形表达式为：
27.[im(cosθ+γcos2θ)-i
r2
cos2θ](1-εsinθ),-β＜θ＜β
[0028]
0,-π＜θ＜-β,β＜θ＜π
[0029]
其中，γ为源非线性因子，ε为经验因子，im为峰值电流，ir2为二次谐波系数，β为导通角。
[0030]
利用泰勒级数分解，基波、谐波导纳的实部y
nr
和虚部y
ni
可以表示为：
[0031][0032][0033][0034][0035]
y3＝∞
[0036]
为了使晶体管电流与电压不超过所允许的最大电流电压，需要合理选择非线性因子，综合各方面考虑，选择非线性因子为-0.5《γ《0.5，经验因子-1《β《1所决定的区域为阻抗设计空间。
[0037]
输入基波匹配模块1和源非线性控制模块2连接作为源端匹配电路；栅极偏置电路
与源端匹配电路连接作为整体功放输入匹配网络电路；漏极偏置电路与输出匹配电路连接作为整体功放输出匹配网络电路；
[0038]
基于源端非线性原理进行设计，基于栅极偏置电路、源端匹配电路与源非线性控制网络对晶体管源端二次谐波进行控制，使栅极非线性通过晶体管特性，改变漏极电流，产生非线性电流成分，并结合连续型逆f类功放输出匹配网络，使得整体功放在保持高效率的同时，具有宽带特性。
[0039]
栅极偏置电路、漏极偏置电路实现在整个工作带宽内射频向直流馈入段看区阻抗无穷大，防止射频信号泄露，保证功放高效率。
[0040]
进一步的，所述稳定网络4采用rc并联，在工作频段内实现功率放大器的稳定。
[0041]
在本实施方案中，所述稳定网络4采用微带线tl1、tl2与rc并联网络，tl1一端接入输入匹配网络输出端，tl2一端接晶体管源端，rc并联网络包括电容c0和r0，避免了将rc并联网络加入输入匹配电路而引起匹配困难的情况，同时还能提高了电路稳定性
[0042]
进一步的，所述输出匹配网络模块5所用输出匹配网络，所述源非线性因子控制模块2所用源非线性控制匹配网络，所述输入基波匹配模块1所用输入基波匹配网络，所述输出匹配网络、所述源非线性控制匹配网络和所述输入基波匹配网络构成输出或者输入匹配网络，所述匹配网络是使最佳阻抗匹配到输入输出端口阻抗，使功放在高效的同时保持最大功率输出。
[0043]
在本实施方案中，所述输出匹配网络特别采用基于切比雪夫低通滤波结构原型进行拓扑。通过切比雪夫低通滤波原型设计了6阶lc网络，实现了对中心频点2.1ghz的基波实阻抗的匹配，其中网络中的l1、c1分别控制该频点的实部与虚部，为了实现整个带宽内阻抗轨迹的匹配，通过对lc网络进行调谐，使每个频点的基波都保留在高效区内，高次谐波靠近smith圆边缘，最后在通过集总原件向分布元件转化，实现匹配网络的设计，由微带线tl2、tl4、tl6、tl8、tl9与隔直电容c2组成，其中隔直电容c2输出端与微带线tl9连接作为匹配网络的输出端，tl2与tl4间并联开路微带线tl3以及偏置电路输输出端tl10，tl4与tl6间并联开路微带线tl5，tl6与tl8间并联微带线tl7；
[0044]
输出匹配网络除了将工作带宽内的各频点的基波匹配到高效区，减少失配带来的效率衰减，还使高次谐波轨迹靠近smith边缘，满足连续型设计思想，从而实现宽带高效率以及更好的输出功率的能力。
[0045]
所述源端匹配网络采用基波匹配加非线性因子控制部分。基波控制部分包括tl11-tl17与隔直电容c3串联组成，其中隔直电容c3输入端与微带线-tl17连接作为匹配网络的输入端，实现对工作带宽内源端基波轨迹匹配，源端非线性因子控制部分由tl18-tl21组成的十字控制网络控制。
[0046]
为了更换的理解技术方案，本发明通过设计实例进一步详述上述技术方案的设计过程。
[0047]
选取目标频段为1.5ghz-2.6ghz，实际带宽为1.1ghz，为保证工作频带内阻抗匹配，将频段划分为1.5ghz、2.1ghz、2.6ghz共3个频点。与之相对应的二次谐波频点分别为3.0ghz、4.2ghz、5.2ghz。
[0048]
参见图1，所示为一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器的结构图，包括输入匹配电路、栅极偏置电路、稳定网络4、输出匹配网络以及漏极偏置电路，其中，
[0049]
栅极、漏极偏置电路分别用于防止源端射频信号流入时与漏端射频信号流出时通过直流馈电通道泄露。同时偏置电路还参与输入输出匹配以及vdd接入，有利于功率放大器的小型化。
[0050]
所述稳定网络4采用两端微带线tl1、tl2与rc并联网络，tl1一端接入输入匹配网络输出端，tl2一端接晶体管源端，rc并联网络包括电容c0和r0。
[0051]
为了获得封装面的基波和二次谐波阻抗最优阻抗值，本设计实例使用了ads仿真系统中负载牵引模板。参见图2，所示为3个频点基波、二次谐波阻抗的等漏级效率和输出功率圆，其中功率附加效率大于70％，输出功率大于40dbm。
[0052]
为了更好观察晶体管本征面电流电压变化，以判断原理的正确，需要对晶体管进行小信号建模，以获取准确的本征、寄生参数。
[0053]
所述输出匹配网络特别采用基于切比雪夫低通滤波结构原型进行拓扑。通过切比雪夫低通滤波原型设计了6阶lc网络，实现了对频点2.1ghz的基波实阻抗的匹配，其中网络中的l1、c1分别控制该频点的实部与虚部，为了实现整个带宽内阻抗轨迹的匹配，通过对lc网络进行调谐，使每个频点的基波都保留在高效区内，高次谐波靠近smith圆边缘，最后在通过集总原件向分布元件转化，实现匹配网络的设计，由微带线tl2、tl4、tl6、tl8、tl9与隔直电容c2组成，其中隔直电容c2输出端与微带线tl9连接作为匹配网络的输出端，tl2与tl4间并联开路微带线tl3以及偏置电路输输出端tl10，tl4与tl6间并联开路微带线tl5，tl6与tl8间并联微带线tl7。
[0054]
参见图3，所示为本设计实例中输出匹配在封装参考面上基波和二次谐波阻抗轨迹，从中可以看出，3个频点的基波和二次谐波阻抗，全部位于设计空间的高效区域。
[0055]
所述源端匹配网络由基波匹配加非线性因子控制部分组成。基波控制部分包括tl11-tl17与隔直电容c3串联组成，其中隔直电容c3输入端与微带线-tl17连接作为匹配网络的输入端，实现对工作带宽内源端基波轨迹匹配，源端非线性因子控制部分由tl18-tl21组成的十字控制网络。
[0056]
参见图4，所示为本设计实例中输入匹配在封装参考面上基波和二次谐波阻抗轨迹，从中可以看出，通过对十字控制网络对源端非线性的控制，可以使二次谐波不在保留在传统连续型逆f类的短路点，而是在根据漏端谐波的需求进行变化，证明了源端非线性具有保留高效率特性，又有拓展了设计空间、增加带宽的作用。但是，需要指出的是，本设计实例的各频点最佳阻抗值原则是基于负载牵引所得出的，所以此方法所应用的宽带连续型逆f功放类型并不局限于此种阻抗。
[0057]
参见图5，所示为本设计实例中基于源端非线性宽带连续型逆f类功率放大器的仿真结果，可以看出在1.5-2.6ghz范围内，功率附加附加效率大于65％，最高可达到73％，输出功率大于40dbm，与传统的宽带连续型逆f类功率放大器相比具有明显的优势，验证了本发明的有效性。
[0058]
下面结合图1对具体工作原理及过程进行介绍：
[0059]
射频输入基波信号通过输入端口port1进入源端非线性连续型逆f类功放的输入匹配电路进行源端阻抗匹配，经输入匹配电路后在经过稳定网络4到达晶体管栅极此时由于非线性网络控制，使输入端栅极电压产生非线性因子。其中稳定网络4由微带线tl1、rc并联、tl2串联构成，rc组成并联一直网络能够实现自激激励左右，从而提升功放的稳定性。
[0060]
栅极电压产生的非线性经晶体管跨导作用后，会引起晶体管漏极电流产生谐波成分，从而达到在保持高效率的同时拓展设计空间。放大的信号经过连续型逆f类功放的输出匹配网络进行阻抗匹配后到达输出端port2。输出匹配网络由微带线tl2、tl4、tl6、tl8、tl9与隔直电容c2组成，可以使电路满足连续型逆f原理，使阻抗轨迹保留在设计空间区域，从而实现宽带高效率，同时基于源端非线性连续型逆f类功放相比传统连续型逆f类功放具有更好的带宽、效率以及输出功率。
[0061]
此外，通过栅、漏端的偏置电路对晶体管起到良好的直流馈电使其静态工作点工作在ab类的，同时偏置电路还参与输入输出匹配以及防止在工作频带内射频信号泄露。
[0062]
在本实施案例中，晶体管的选择由晶体管的性能所决定，尺寸由晶体管厂家所提供的数据手册得到。电路中所采用的隔直电容、稳定电容、稳定电阻以及滤波电容的大小是综合考虑整个电路的增益、输出功率、工作频率带宽等性能指标后决定的，同时通过后期的版图设计以及布局，可以更好地实现所要求的性能指标，从而实现宽带高效率。
[0063]
以上所揭露的仅为本发明一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，其特征在于，包括输入基波匹配模块、源非线性因子控制模块、栅极偏置模块、稳定网络、输出匹配网络模块和漏级偏置模块，所述输入基波匹配模块、所述源非线性因子控制模块和所述稳定网络依次连接，所述稳定网络与所述输出匹配网络模块通过功放管漏端连接，所述栅极偏置模块与所述源非线性因子控制模块连接，所述漏级偏置模块与所述输出匹配网络模块连接。2.如权利要求1所述的一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，其特征在于，所述栅极偏置模块和所述漏级偏置模块分别为晶体管的栅极和漏级提供电流与电压，并通过λ/4微带线实现从射频端看阻抗无穷大，以防止射频信号泄漏，同时采用高频电容c滤除电源中交流成分。3.如权利要求1所述的一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，其特征在于，所述稳定网络采用rc并联结构，在工作频段内实现功率放大器的稳定。4.如权利要求1所述的一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络模块所用输出匹配网络，所述源非线性因子控制模块所用源非线性控制匹配网络，所述输入基波匹配模块所用输入基波匹配网络，所述输出匹配网络、所述源非线性控制匹配网络和所述输入基波匹配网络构成输出或者输入匹配网络，所述匹配网络是使最佳阻抗匹配到输入输出端口阻抗，使功放在高效的同时保持最大功率输出。5.如权利要求1所述的一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，其特征在于，所述源非线性因子控制模块所用源非线性控制匹配网络采用十字控制网络结构，实现对源端非线性因子的控制。6.如权利要求1所述的一种基于源端非线性连续型逆f类功率放大器，其特征在于，所述匹配网络采用切比雪夫低通滤波网络结构进行拓扑，实现对工作频带的匹配。

技术总结
本发明涉及功率放大器技术领域，具体涉及一种基于源端非线性连续型逆F类功率放大器，包括输入基波匹配模块、源非线性因子控制模块、栅极偏置模块、稳定网络、输出匹配网络模块和漏级偏置模块，该放大器通过源端非线性因子控制模块控制栅源电容Cgs非线性强度，丰富了漏极对谐波需求，充分的挖掘了功放管自身潜力，拓展了阻抗设计空间，简化了输出匹配网络设计，减弱了匹配网络设计复杂度，并利用切比雪夫低通滤波原型，实现超宽带、高效率特性，解决传统连续逆F类功放不能满足现代社会需求的问题。问题。问题。


技术研发人员：游长江 蒋迪 胡巍 曹亮 范宇欣 何浩 吴涵
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/13