本發(fā)明屬于無(wú)線通信，尤其涉及一種匹配網(wǎng)絡(luò)和功放整體優(yōu)化相結(jié)合的濾波功放設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、功率放大器(簡(jiǎn)稱功放)是射頻無(wú)線收發(fā)器常用的關(guān)鍵部件之一，它對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的帶寬和效率有很大的影響。然而，當(dāng)功放與接收機(jī)或發(fā)射機(jī)中的濾波器級(jí)聯(lián)時(shí)，由于兩個(gè)模塊之間的損耗和失配，無(wú)線通信系統(tǒng)的整體效率會(huì)下降。因此，功放與濾波器的協(xié)同設(shè)計(jì)逐漸成為功放研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題。與傳統(tǒng)的功放級(jí)聯(lián)帶通濾波器不同，在設(shè)計(jì)濾波功放時(shí)，濾波器將被集成到輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中，如圖1所示。相對(duì)應(yīng)的，濾波結(jié)構(gòu)直接匹配到晶體管所需的復(fù)阻抗，而不是常規(guī)的系統(tǒng)阻抗50歐姆。因此，濾波輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)顯得尤為必要，可以降低功放與濾波器之間的互聯(lián)失配和插入損耗，提高整體效率。

2、現(xiàn)有的濾波功放研究中，大多通過(guò)將濾波器集成到輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波特性。現(xiàn)有ieee?transactions?on?microwave?theory?and?techniques文章poweramplifiers?with?frequency-selective?matching?networks，采用一種新型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)并制造了一款單級(jí)4.7ghz，4w混合gan濾波功率放大器。但是，上述方法設(shè)計(jì)復(fù)雜，功放的阻帶抑制特性僅為10db。此外，其設(shè)計(jì)濾波功放時(shí)單獨(dú)設(shè)計(jì)了濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，然后與輸入匹配網(wǎng)絡(luò)組合成濾波功放進(jìn)行整體仿真分析。由于單獨(dú)設(shè)計(jì)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)無(wú)法兼顧濾波功放的整體性能，這可能會(huì)導(dǎo)致濾波功放在工作頻段內(nèi)某些頻點(diǎn)出現(xiàn)效率嚴(yán)重下降的問(wèn)題?，F(xiàn)有ieee?transactions?on?microwave?theory?and?techniques文章simulated?annealing?particle?swarm?optimization?for?high-efficiency?poweramplifier?design，使用模擬退火粒子群算法優(yōu)化設(shè)計(jì)寬帶高效率功率放大器和三頻高效率功率放大器。該方法將功放當(dāng)作“黑盒子”，通過(guò)選取大量設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行功放整體仿真來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。這些仿真結(jié)果中存在很多與預(yù)期目標(biāo)相差較大的“無(wú)效”仿真，不可避免地會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

3、針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種匹配網(wǎng)絡(luò)和功放整體優(yōu)化相結(jié)合的濾波功放設(shè)計(jì)方法。首先，對(duì)濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用優(yōu)化算法對(duì)濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行更新，選取滿足設(shè)計(jì)要求的濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；其次，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的公知常識(shí)，按照覆蓋頻段對(duì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)；再次，使用設(shè)計(jì)的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與滿足設(shè)計(jì)要求的濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功放整體優(yōu)化；最后，得到滿足設(shè)計(jì)要求的濾波功率放大器。本發(fā)明對(duì)于提升濾波功放優(yōu)化設(shè)計(jì)效率和節(jié)約計(jì)算資源方面具有十分重要的研究?jī)r(jià)值和意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種匹配網(wǎng)絡(luò)和功放整體優(yōu)化相結(jié)合的濾波功放設(shè)計(jì)方法，通過(guò)選取滿足設(shè)計(jì)要求的濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)濾波功放進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提升濾波功放優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種匹配網(wǎng)絡(luò)和功放整體優(yōu)化相結(jié)合的濾波功放設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

3、s1確定濾波功放的通帶與阻帶頻段，選取設(shè)計(jì)頻點(diǎn)，分析和確定濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在通帶內(nèi)的s21目標(biāo)值，確定需要的阻帶抑制，并將其作為匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)值；

4、s2根據(jù)所選取功放管的參數(shù)，確定濾波功放的功率pout、效率de、增益gain和阻帶抑制等參數(shù)，并將其作為濾波功放整體優(yōu)化的目標(biāo)值；

5、s3設(shè)計(jì)濾波功放所需要的濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)；

6、s4設(shè)計(jì)濾波功放輸入匹配網(wǎng)絡(luò)；

7、s5對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，得到輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的s21參數(shù)，并將通帶與阻帶的s21參數(shù)作為約束條件，由約束條件計(jì)算濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的s21參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

8、s6判斷濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的s21參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是否滿足要求，若否，跳轉(zhuǎn)至步驟s7；若是，執(zhí)行步驟s8；

9、s7利用優(yōu)化算法更新濾波功放輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)，跳轉(zhuǎn)至步驟s5；

10、s8根據(jù)所設(shè)計(jì)的濾波功放輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)濾波功放進(jìn)行整體仿真，得到輸出功率pout、效率de、增益gain，由功率、效率、增益和阻帶抑制等約束條件分別計(jì)算濾波功放的輸出功率、效率、增益和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

11、s9判斷濾波功放輸出功率、效率、增益和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是否滿足要求，若否，跳轉(zhuǎn)至步驟s10；若是，則執(zhí)行步驟s11；

12、s10利用步驟s7中相同的優(yōu)化算法更新濾波功放輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)，跳轉(zhuǎn)至步驟s5；

13、s11得到符合設(shè)計(jì)要求的濾波功放。

14、進(jìn)一步地，上述步驟s5包括以下步驟：

15、s5.1選取濾波功放阻帶內(nèi)的10個(gè)頻點(diǎn)fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、fs6、fs7、fs8、fs9、fs10和濾波功放通帶內(nèi)的5個(gè)頻點(diǎn)fp1、fp2、fp3、fp4、fp5；

16、s5.2根據(jù)濾波功放輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，仿真得到設(shè)計(jì)頻點(diǎn)的s21參數(shù)，根據(jù)以下公式計(jì)算濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的s21參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

17、

18、fomn＝max(fs21,frejection)

19、其中，通帶s21參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為fs21，阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為frejection，fomn為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)值中的最大值，s21(fpi)為通帶頻率fpi時(shí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)s21參數(shù)，s21(fsi)為阻帶頻率fsi時(shí)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)s21參數(shù)，o_s21與o_rejection分別為通帶s21參數(shù)的目標(biāo)值與阻帶抑制的目標(biāo)值。

20、進(jìn)一步地，對(duì)于步驟s6中濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的s21參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)不滿足要求的情況，則對(duì)濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行更新，所述更新方法s7包括：

21、s7.1根據(jù)s21參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)fs21和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)frejection可以得到所有設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的fomn最大值max(fomn)、平均值mean(fomn)和最小值min(fomn)，根據(jù)fomn與平均值mean(fomn)和最小值min(fomn)的關(guān)系來(lái)確定權(quán)重λ；

22、

23、其中，λmin、λmax是預(yù)先設(shè)置的權(quán)重的最小值和最大值；

24、s7.2根據(jù)如下公式對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行更新；

25、v(k+1)＝λ{(lán)v(k)+c1r1[(xpb(k)-x(k))]+c2r2[((xgb(k)-x(k)))]}

26、x(k+1)＝x(k)+v(k+1)

27、其中，x表示微粒的位置，即設(shè)計(jì)參數(shù)，v表示微粒的速度，由xgb和xpb決定，xgb為整個(gè)粒子群的最佳位置，xpb為某個(gè)粒子的最佳位置，λ表示權(quán)重，c1和c2為學(xué)習(xí)因子。

28、進(jìn)一步地，上述步驟s8包括以下步驟：

29、s8.1選取濾波功放阻帶內(nèi)的10個(gè)頻點(diǎn)fs1、fs2、fs3、fs4、fs5、fs6、fs7、fs8、fs9、fs10和濾波功放通帶內(nèi)的5個(gè)頻點(diǎn)fp1、fp2、fp3、fp4、fp5；

30、s8.2根據(jù)步驟s3設(shè)計(jì)的濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)與步驟s4設(shè)計(jì)的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，仿真得到設(shè)計(jì)頻點(diǎn)的功放性能指標(biāo)，根據(jù)以下公式計(jì)算濾波功放的輸出功率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)fspectrum、效率優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)fde、增益優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)fgain和阻帶抑制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)frejection；

31、

32、其中，o_spectrum是輸出功率的目標(biāo)值，o_de是效率的目標(biāo)值，o_gain是增益的目標(biāo)值，o_rejection是濾波功放的阻帶抑制目標(biāo)值，spectrum(fpi)是通帶內(nèi)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)fpi的輸出功率，de(fpi)是通帶內(nèi)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)fpi的效率，gain(fpi)是通帶內(nèi)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)fpi的增益，gain(fsi)是阻帶內(nèi)設(shè)計(jì)頻點(diǎn)fsi的增益，可由仿真得到。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

34、(1)本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)高效率寬帶濾波功放的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的濾波功放輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟繁瑣，且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常先設(shè)計(jì)濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，在其達(dá)到設(shè)計(jì)要求后直接與輸入匹配網(wǎng)絡(luò)組合成濾波功放進(jìn)行整體仿真分析。由于單獨(dú)設(shè)計(jì)和優(yōu)化濾波匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)無(wú)法兼顧濾波功放的整體性能，這可能會(huì)導(dǎo)致濾波功放在工作頻段內(nèi)某些頻點(diǎn)出現(xiàn)效率嚴(yán)重下降的問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)使用濾波輸出匹配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與濾波功放整體優(yōu)化相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，可避免上述情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了高效率寬帶濾波功率放大器的設(shè)計(jì)。

35、(2)本發(fā)明能減少使用優(yōu)化算法對(duì)功放進(jìn)行整體優(yōu)化的時(shí)間，提高功放優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。傳統(tǒng)功放整體優(yōu)化方法通常將功放當(dāng)作“黑盒子”，通過(guò)選取大量設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行功放整體仿真來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。這些仿真結(jié)果中存在很多與預(yù)期目標(biāo)相差較大的“無(wú)效”仿真，不可避免地會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。本發(fā)明提出的匹配網(wǎng)絡(luò)和功放整體優(yōu)化相結(jié)合的濾波功放設(shè)計(jì)方法，首先對(duì)濾波匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取滿足設(shè)計(jì)要求的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)；接著使用所選取的濾波匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功放整體優(yōu)化，這樣可以避免直接進(jìn)行功放整體優(yōu)化時(shí)存在過(guò)多“無(wú)效”仿真的問(wèn)題，從而達(dá)到節(jié)約計(jì)算資源、提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率的目的。