本發(fā)明涉及射頻通訊技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)及其諧波控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，無線通信技術(shù)得到了很大的發(fā)展，調(diào)制方式也日趨復(fù)雜。功率放大器，作為發(fā)射機(jī)中的末級(jí)模塊，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中功耗最大的部件，它的主要作用是對(duì)前級(jí)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后將放大后的信號(hào)送給天線進(jìn)行發(fā)射。由于功率放大器會(huì)消耗很大的直流功率，同時(shí)通信設(shè)備工作的頻帶資源很緊缺，因此效率和帶寬是功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的重要指標(biāo)，但現(xiàn)有技術(shù)的功率放大器效率高但是頻帶很窄，頻帶寬效率又很低。

現(xiàn)有技術(shù)的功率放大器可分為甲類功放(又稱A類)、乙類功放(又稱B類)、甲乙類功放(又稱AB類)，C類功放和F類功放。甲類放大器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高熱，效率很低，但固有的優(yōu)點(diǎn)是不存在交越失真。單端放大器都是甲類工作方式，推挽放大器可以是甲類，也可以是乙類或甲乙類。乙類放大器的優(yōu)點(diǎn)是效率高，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生交越失真。甲乙類放大有效解決了乙類放大器的交越失真問題，效率又比甲類放大器高，但是無法擴(kuò)寬帶寬。F類理論效率100％，但是需要控制所有的高次諧波難度很高帶寬又很窄，因此無法得到廣泛應(yīng)用，如何在保證F類功率放大器高效率的同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)寬帶寬是一個(gè)亟待解決的問題。

現(xiàn)有技術(shù)F類功率放大器匹配時(shí)只是對(duì)中心頻率進(jìn)行最優(yōu)匹配，也即通常只是在史密斯原圖上進(jìn)行單頻點(diǎn)匹配，然后在調(diào)節(jié)整個(gè)匹配電路以達(dá)到寬帶高效的作用，這個(gè)調(diào)節(jié)過程沒有理論支撐，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，然后仿真或?qū)崪y進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)難度比較大。而根據(jù)經(jīng)典的傳輸線理論可知，當(dāng)工作頻率偏移中心頻率時(shí)，相應(yīng)的輸出阻抗亦會(huì)偏移最優(yōu)值，造成放大器性能的衰減，這必將會(huì)對(duì)功率放大器的效率產(chǎn)生極大的影響，從而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常認(rèn)為現(xiàn)有技術(shù)EF類功率放大器不適宜做寬帶，而只能進(jìn)行窄帶設(shè)計(jì)。

故，針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研究，以提供一種方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)及其諧波控制方法，通過采用有序的十字形匹配結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻率(f0、f1、f2...fn)處的諧波進(jìn)行控制，從而保持高效率的同時(shí)能夠通過匹配不同中心頻率處的高次諧波來擴(kuò)寬功放的帶寬，以解決上述問題。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)，包括諧波控制電路和基波匹配電路，功率放大器的輸出信號(hào)經(jīng)所述諧波控制電路和基波匹配電路加載到負(fù)載端，所述諧波控制電路包括N個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)，每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)形成λ/4微帶線并有序串行連接，其中，第一十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端與功率放大器的輸出端相連接，所述第一十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與第二十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端相連接，第二十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與第三十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端，依次有序串行連接，直至第N十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與所述基波匹配電路的輸入端相連接，所述基波匹配電路的輸出端與負(fù)載端相連接；

任一個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)用于匹配與其相對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)的諧波控制，包括第N1微帶線TLN1、第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3，其中，N為任何大于0的自然數(shù)，所述第N1微帶線TLN1用于二次諧波控制，所述第N2微帶線TLN2用于三次諧波控制，所述第N3微帶線TLN3用于級(jí)間調(diào)諧；所述第N1微帶線TLN1的一端與所述第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3的一端相連接，所述第N1微帶線TLN1的另一端與地端短接，所述第N2微帶線TLN2的另一端開路，任一個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)中各微帶線的電長度關(guān)系為：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12，調(diào)節(jié)第N1微帶線TLN1、第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3的阻抗值使其匹配到電抗線，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的諧波匹配；

所述基波匹配電路采用階躍微帶匹配結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述第N1微帶線TLN1和第N2微帶線TLN2關(guān)于基波匹配電路平面對(duì)稱。

優(yōu)選地，所述諧波控制電路根據(jù)實(shí)際信號(hào)頻率帶寬添加多個(gè)不同頻率點(diǎn)的十字形匹配結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，十字形匹配結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)為3至10之間。

優(yōu)選地，所述功率放大器采用晶體管實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)選地，所述負(fù)載阻抗為50歐。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明還提出了一種高效寬帶有序的諧波控制方法，包括以下步驟：

步驟1：調(diào)試一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功率放大器；

步驟2：根據(jù)實(shí)際信號(hào)帶寬需求，選取N個(gè)合適的頻率點(diǎn)；

步驟3：在所述功率放大器的輸出端加載諧波匹配結(jié)構(gòu)，所述諧波匹配結(jié)構(gòu)至少包括N個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)并有序串行連接，使每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)形成λ/4微帶線，用于將其對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)處二次諧波和三次諧波抑制；

步驟4：調(diào)節(jié)每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)的參數(shù)從而匹配到電抗線使其匹配到電抗線，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的諧波匹配。

優(yōu)選地，所述諧波匹配結(jié)構(gòu)包括諧波控制電路和基波匹配電路，功率放大器的輸出信號(hào)經(jīng)所述諧波控制電路和基波匹配電路加載到負(fù)載端，所述諧波控制電路包括N個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)，每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)形成λ/4微帶線并有序串行連接，其中，第一十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端與功率放大器的輸出端相連接，所述第一十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與第二十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端相連接，第二十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與第三十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端，依次有序串行連接，直至第N十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與所述基波匹配電路的輸入端相連接，所述基波匹配電路的輸出端與負(fù)載端相連接；

任一個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)用于匹配不同頻率點(diǎn)的諧波控制，包括第N1微帶線TLN1、第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3，其中，N為任何大于0的自然數(shù)，所述第N1微帶線TLN1用于二次諧波控制，所述第N2微帶線TLN2用于三次諧波控制，所述第N3微帶線TLN3用于級(jí)間調(diào)諧；所述第N1微帶線TLN1的一端與所述第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3的一端相連接，所述第N1微帶線TLN1的另一端與地端短接，所述第N2微帶線TLN2的另一端開路，任一個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)中各微帶線的電長度關(guān)系為：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12，調(diào)節(jié)第N1微帶線TLN1、第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3的阻抗值使其匹配到電抗線，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的諧波匹配；

所述基波匹配電路采用階躍微帶匹配結(jié)構(gòu)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)及其諧波控制方法，將現(xiàn)有以中心頻率的諧波控制結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為對(duì)不同頻率點(diǎn)諧波進(jìn)行控制，可以應(yīng)用于各種功率放大器；本發(fā)明在保持高效率的情況下，利用多級(jí)諧波匹配來抑制二次和三次諧波為功放提供足夠高的效率和寬帶；同時(shí)具有有序匹配特性，使諧波匹配變得更加容易。

附圖說明

圖1是本發(fā)明高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)的框圖。

圖2是史密斯圓圖上理論計(jì)算得出的最佳阻抗線。

圖3是本發(fā)明高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)中基波匹配結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施方式的實(shí)測效果圖。

具體實(shí)施方式

以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。

隨著功率放大器技術(shù)的不斷進(jìn)步，其效率和帶寬也不斷提高和擴(kuò)寬，比如，F(xiàn)類延續(xù)出來的連續(xù)F類，已經(jīng)得到越來越多的青睞。在對(duì)諧波進(jìn)行控制時(shí)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)其改進(jìn)時(shí)，也試圖采用連續(xù)F類的思想對(duì)現(xiàn)有的單頻點(diǎn)諧波控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，但是連續(xù)F類思想結(jié)構(gòu)需要通過擬合算法進(jìn)行計(jì)算，過程特別復(fù)雜，使效率和帶寬無法達(dá)到理想的效果。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，申請(qǐng)人對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中諧波匹配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的諧波控制結(jié)構(gòu)都是進(jìn)行單頻點(diǎn)的諧波控制，并未考慮多頻點(diǎn)控制對(duì)效率和帶寬的影響，從而造成現(xiàn)有技術(shù)功率放大器只能進(jìn)行窄帶設(shè)計(jì)。

同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)在對(duì)諧波控制時(shí)，試圖抑制所有高次諧波，從而導(dǎo)致諧波控制電路復(fù)雜，各次諧波控制相互影響在實(shí)際中調(diào)節(jié)參數(shù)非常困難。申請(qǐng)人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二次諧波和三次諧波對(duì)功率放大器的效率影響較大，而更高次(三次以上)的諧波控制對(duì)整個(gè)電路的性能影響不大從而還會(huì)加大電路的復(fù)雜程度。在不斷的試驗(yàn)測試過程中，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，將單頻點(diǎn)的諧波控制網(wǎng)絡(luò)有序的進(jìn)行逐一控制就能達(dá)到擴(kuò)寬帶寬的作用，同時(shí)基波匹配采用階躍微帶匹配能減小匹配電路的復(fù)雜程度。

參見圖1，所示為本發(fā)明高效寬帶有序的諧波匹配結(jié)構(gòu)的框圖，包括諧波控制電路和基波匹配電路，功率放大器的輸出信號(hào)經(jīng)諧波控制電路和基波匹配電路加載到負(fù)載端，諧波控制電路包括N個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)，每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)形成λ/4微帶線并有序串行連接，其中，第一十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端與功率放大器的輸出端相連接，第一十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與第二十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端相連接，第二十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與第三十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸入端，依次有序串行連接，直至第N十字形匹配結(jié)構(gòu)的輸出端與基波匹配電路的輸入端相連接，基波匹配電路的輸出端與負(fù)載端相連接。

根據(jù)λ/4微帶線理論，理論上只需要將需要頻段內(nèi)的所有頻點(diǎn)處的二次諧波匹配到短路、三次諧波匹配到開路即可使漏極電壓電流不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，從而使漏極消耗的效率變?yōu)?，從而增大整個(gè)功率放大器的效率。因此，任一個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)用于匹配與其相對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)的諧波控制，進(jìn)一步包括第N1微帶線TLN1、第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3，其中，N為任何大于0的自然數(shù)，第N1微帶線TLN1用于二次諧波控制，第N2微帶線TLN2用于三次諧波控制，第N3微帶線TLN3作為調(diào)優(yōu)微帶線，用于級(jí)間調(diào)諧，具有調(diào)優(yōu)上一級(jí)匹配結(jié)構(gòu)與下一級(jí)匹配結(jié)構(gòu)之間的影響，充分發(fā)揮各級(jí)本身對(duì)高次諧波控制的作用；第N1微帶線TLN1的一端與第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3的一端相連接，第N1微帶線TLN1的另一端與地端短接，第N2微帶線TLN2的另一端開路，任一個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)中各微帶線的電長度關(guān)系為：EN1+EN3＝λ/8、EN2+EN3＝λ/12。

上述諧波控制匹配結(jié)構(gòu)的原理為，利用四分之一波長阻抗變換原理，以上有敘述，這里主要進(jìn)行諧波匹配有序性的原理進(jìn)行解釋：第一頻率處(f1)微帶線的電長度E11+E13＝λ/8、E12+E13＝λ/12，E11為控制二次諧波微帶線的電長度，E12為控制三次諧波微帶線的電長度，E,13為連接下級(jí)諧波匹配的調(diào)優(yōu)微帶線，這樣經(jīng)過調(diào)優(yōu)微帶線的作用可以使不同頻率處的二次和三次諧波得到更好的控制，從而能同時(shí)保證高效率和寬帶的效果，所以下一頻率處的諧波控制結(jié)構(gòu)也需要滿足控制二次諧波的微帶和三次諧波的微帶與下一級(jí)連接的調(diào)優(yōu)微帶需要同時(shí)組合成λ/8、λ/12，從而能夠滿足四分之一波長阻抗變換理論，進(jìn)一步拓展為可根據(jù)需要頻帶選擇多個(gè)頻率處進(jìn)行諧波控制，已達(dá)到高效寬帶的目的。

在實(shí)際操作過程中，為了進(jìn)一步擴(kuò)寬頻帶，經(jīng)過大量的實(shí)踐驗(yàn)證，只需要將二次諧波和三次諧波匹配到電抗線即可，電抗線即為史密斯圓圖上最佳阻抗曲線，具體參見圖2所示，最佳阻抗曲線可以通過理論計(jì)算獲得。

進(jìn)一步的，通過調(diào)節(jié)第N1微帶線TLN1、第N2微帶線TLN2和第N3微帶線TLN3的阻抗值使其匹配到電抗線，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的諧波匹配，從而進(jìn)一步擴(kuò)寬頻帶。

本發(fā)明采用多頻點(diǎn)匹配方式，由于通過多級(jí)十字形匹配結(jié)構(gòu)，在一定程度上，加大匹配電路的復(fù)雜程度。本申請(qǐng)人充分考慮到這點(diǎn)，首先，放棄匹配所有高次諧波的技術(shù)方案，只進(jìn)行二次諧波和三次諧波的控制，從而大大降低諧波控制的復(fù)雜度；其次，讓諧波網(wǎng)絡(luò)遵循規(guī)律，具有有序匹配特性，使匹配變得更加容易；同時(shí)基波匹配電路采用了階躍微帶基波匹配電路，從而減少了因加入不同頻點(diǎn)的諧波控制電路對(duì)整個(gè)電路帶來的影響，因而極大縮減了電路的的復(fù)雜程度。參見圖3所示，本發(fā)明基波匹配電路的原理框圖，階躍式微帶匹配是微帶線一段段串聯(lián)而成，沒有任何并聯(lián)枝節(jié)，進(jìn)一步彌補(bǔ)了諧波控制結(jié)構(gòu)給整個(gè)電路帶了的影響。

本發(fā)明還提出了一種高效寬帶有序的諧波控制方法，包括以下步驟：

步驟1：調(diào)試一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功率放大器；

步驟2：根據(jù)實(shí)際信號(hào)帶寬需求，選取N個(gè)合適的頻率點(diǎn)；通常等間隔選取多個(gè)頻率點(diǎn)；

步驟3：在所述功率放大器的輸出端加載諧波匹配結(jié)構(gòu)，所述諧波匹配結(jié)構(gòu)至少包括N個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)并有序串行連接，使每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)形成λ/4微帶線，用于將其對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)處二次諧波和三次諧波抑制；

步驟4：調(diào)節(jié)每個(gè)十字形匹配結(jié)構(gòu)的參數(shù)從而匹配到電抗線使其匹配到電抗線，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率點(diǎn)的諧波匹配。

參見圖4，所示為采用本發(fā)明進(jìn)行諧波控制功率放大器的實(shí)測效果圖，正方形表示為N＝1時(shí)的實(shí)測效果，圓形表示為N＝2時(shí)的實(shí)測效果，三角形表示為N＝3時(shí)的實(shí)測效果，從圖4可以看出，通過添加不同頻率處諧波控制匹配結(jié)構(gòu)，采用本發(fā)明進(jìn)行諧波控制的功率放大器的效率得到顯著提高。

以上實(shí)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(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說是顯而易見的，本申請(qǐng)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(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本申請(qǐng)所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本申請(qǐng)所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。