本實(shí)用新型涉及無(wú)線(xiàn)通信功放
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種高效率并聯(lián)型E逆F類(lèi)功率放大器。
背景技術(shù)：
：目前，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，功率放大器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，在當(dāng)今通信領(lǐng)域，隨著便攜式蜂窩終端、基站等尺寸的減小與重量的降低以及第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的使用，通信系統(tǒng)對(duì)功率放大器效率和線(xiàn)性度要求越來(lái)越高。因此高效率功率放大器會(huì)成為未來(lái)通信終端的關(guān)鍵構(gòu)成部分，而高效率功率放大器的設(shè)計(jì)也必將成為功放研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在效率功率放大器中，開(kāi)關(guān)型E類(lèi)功率放大器是其中最基本的一類(lèi)。E類(lèi)功率放大器因晶體管輪流經(jīng)歷導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)減小晶體管電流與電壓重疊的程度來(lái)降低晶體管本身的消耗功率，從而在理論上可以達(dá)到100%的效率。經(jīng)典的E類(lèi)功率放大器由晶體管、并聯(lián)電容、基波的串聯(lián)LC諧振電路、串聯(lián)的剩余電感及偏置電路幾個(gè)模塊構(gòu)成。具體電路如圖1所示。經(jīng)典的E類(lèi)功率放大器通過(guò)滿(mǎn)足在關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的邊界條件，即：零電壓開(kāi)關(guān)和零電壓導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換，使得晶體管電流與電壓交疊程度為零，來(lái)達(dá)到理論效率100%。由Grebennikov提出的新型并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器，沿襲了開(kāi)關(guān)類(lèi)功率放大器的高效率特點(diǎn)。其電路結(jié)構(gòu)由晶體管、并聯(lián)LC電路、基波的串聯(lián)LC諧振電路及偏置電路幾個(gè)模塊構(gòu)成。具體電路如圖2所示。其原理與經(jīng)典的E類(lèi)功率放大器一致，同樣要滿(mǎn)足在關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的邊界條件。但相比于經(jīng)典的E類(lèi)功率放大器，并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器對(duì)于晶體管的擊穿電流要求更低，最大載波頻率更高，因而并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)成為一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域。對(duì)于經(jīng)典的E類(lèi)功率放大器，文獻(xiàn)[1]對(duì)其進(jìn)行了推導(dǎo)和合理的解釋?zhuān)晒Φ膶類(lèi)功率放大器帶入人們的視野中。而近年來(lái)，并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器的研究也悄然起步。文獻(xiàn)[2]提出了并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器的基本結(jié)構(gòu)。而文獻(xiàn)[3]提出了并聯(lián)E類(lèi)功率放大器新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為并聯(lián)E類(lèi)功率放大器的研究提供了新思路。文獻(xiàn)[4]提出了E逆F類(lèi)功率放大器的結(jié)構(gòu)，為本實(shí)用新型提供了理論基礎(chǔ)。【參考文獻(xiàn)】[1]F.H.Raab，“IdealizedOperationoftheClassETunedPowerAmplifier，”IEEETrans.CircuitsandSystems，Vol.CAS-24，pp.725-735，Dec.1977。[2]A.GrebennikovandH.Jaeger，“ClassEwithparallelcircuit—Anewchallengeforhigh-efficiencyRFandmicrowavepoweramplifiers，”inIEEEMTT-SInt.Microw.Symp.Dig.，2002，vol.3，pp.1627–1630。[3]JesusCumanaandAndreiGrebennikov，“AnExtendedTopologyofParallel-CircuitClass-EPowerAmplifiertoAccountforLargerOutputCapacitances”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，vol.59，no.12，Dec.2011。[4]A.Grebennikov，“High-EfficiencyClassE/FLumpedandTransmission-LinePowerAmplifiers”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，vol.59，no.6，Dec.2011。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型結(jié)合了并聯(lián)型E類(lèi)功放和經(jīng)典的逆F類(lèi)功率放大器的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性的提出了一種同時(shí)具有并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器和逆F類(lèi)功率放大器阻抗條件的E逆F功率放大器，在滿(mǎn)足經(jīng)典E類(lèi)功率放大器在關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的邊界條件的前提下，引入了逆F類(lèi)的高次諧波控制電路，從而在有效實(shí)現(xiàn)高效率功率放大器的同時(shí)，降低了晶體管對(duì)于擊穿電壓的要求，達(dá)到了在更廣范圍利用E類(lèi)功率放大器的效果；并且其功率輸出能力相比E類(lèi)其他功放都要大。一種高效率并聯(lián)型E逆F類(lèi)功率放大器匹配電路，其原理框圖如圖3所示。晶體管輸出端包括：并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器電路、逆F類(lèi)高次諧波控制電路及晶體管偏置電路。所述并聯(lián)型E逆F類(lèi)電路位于晶體管輸出端和負(fù)載阻抗之間，所述的并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器由并聯(lián)的LC和串聯(lián)的L0、C0組成。所述的逆F類(lèi)高次諧波控制電路由串聯(lián)的Ln、Cn組成。所述的偏置電路由電源Vbb到晶體管基極的電路和電源Vcc到晶體管集電極的電路組成。所述功率放大結(jié)構(gòu)為共射極的功放管，所述功放管的輸入端為基極，輸出端為集電極。經(jīng)典的并聯(lián)型E逆F功率放大器電路如圖3所示。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)由并聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C、對(duì)于n次諧波諧振的串聯(lián)LnCn電路、基波的串聯(lián)L0C0諧振電路、負(fù)載R構(gòu)成。這里，晶體管被看做一個(gè)在關(guān)斷到導(dǎo)通狀態(tài)下切換的理想開(kāi)關(guān)。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，晶體管集電極電壓波形由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的短暫響應(yīng)所決定。這里，為了分析方便，我們有如下幾個(gè)假設(shè)：．晶體管的膝點(diǎn)電壓為零，飽和時(shí)的電阻為零，關(guān)斷時(shí)的電阻為無(wú)窮大。并且晶體管被視為無(wú)損且瞬時(shí)變化的開(kāi)關(guān)。．并聯(lián)電容C是線(xiàn)性的。．串聯(lián)的諧振電路在n次諧波下，阻抗為零；在其他諧波下，阻抗為無(wú)窮大。．整個(gè)電路除了負(fù)載以外是無(wú)損的。．串聯(lián)L0C0諧振電路被調(diào)諧到基波頻率下，且其品質(zhì)因數(shù)足夠大。經(jīng)典的E類(lèi)功率放大器的晶體管開(kāi)關(guān)條件可以寫(xiě)成：這里的電壓指的是開(kāi)關(guān)兩端的電壓。流過(guò)負(fù)載的電流iR和n次諧波的電流in均是正弦波，因此可以被寫(xiě)成：這里，IR是基波頻率下電流的幅值，In是n次諧波下電流的幅值，是電流的初相位。當(dāng)開(kāi)關(guān)在0≤ωt≤π開(kāi)啟時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓v和流過(guò)并聯(lián)電容的電流iC都等于零。因此，v(ωt)=Vdd–vL(ωt)=0，且iC(ωt)=ωC[dv(ωt)/d(ωt)]=0。所以流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流可以被寫(xiě)成負(fù)載電流iR(ωt)、n次諧波電流in(ωt)和電感上的電流iL(ωt)之和，即：對(duì)于初始的開(kāi)啟狀態(tài)，i(0)=0。在ωt=0時(shí)，流過(guò)直流饋電電感L的電流iL(ωt)可以寫(xiě)成因此：對(duì)于任意的n，其諧波電流In的幅值可以被寫(xiě)成：這里：因此，n次諧波的電流In與基波頻率下的電流IR的比值可以被寫(xiě)成:當(dāng)開(kāi)關(guān)在π≤ωt≤2π處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流i(ωt)等于零。而流過(guò)并聯(lián)電容的電流iC(ωt)可以表示成電感上的電流iL(ωt)、n次諧波電路上的電流in(ωt)和負(fù)載上的電流iR(ωt)之和，即：根據(jù)初始條件v(π)=0和。上述方程可以表示成二階非線(xiàn)性微分方程：其通解形式可以寫(xiě)成：這里系數(shù)C1和C2可以通過(guò)ωt=π的邊界條件求得。直流供電電壓Vdd可以表示成（13）的傅里葉展開(kāi)式：由于基波頻率下的漏極電壓被完全加到了負(fù)載上，因此其電抗部分必須為0，即：因此，對(duì)于特定的三次諧波調(diào)諧電路，即n=3。通過(guò)（1），（15）和（16），我們可以解的其中的三個(gè)未知參數(shù)的值：在圖4(a)-(e)中，當(dāng)ωt處于[π，2π]時(shí)，理想并聯(lián)型E逆F3型功率放大器的歸一化漏極電壓、漏極電流、流過(guò)電容的電流、流過(guò)3次諧波的電流和負(fù)載電流均被展現(xiàn)出來(lái)。從漏極電壓和漏極電流的波形可以看出：當(dāng)晶體管開(kāi)啟時(shí)，開(kāi)關(guān)上沒(méi)有任何電壓，并且流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流由直流電流，三次諧波電流，負(fù)載電流構(gòu)成。然而，當(dāng)晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所有電流均流向并聯(lián)電容。在這情況下，漏極電壓和電流不會(huì)產(chǎn)生重疊，因此理想的漏極效率為100%。流過(guò)開(kāi)關(guān)的基波頻率下的電流i1(ωt)可以有兩個(gè)正交分量組成，iR和iX。其等效電路如圖5所示。他們的幅值可以通過(guò)傅里葉展開(kāi)求得：因此，基波頻率下開(kāi)關(guān)兩端的電壓與電流的夾角?可以表示成另一方面，相位角?可以表示成負(fù)載元件的函數(shù)，即：因此，并聯(lián)電感和并聯(lián)電容可以得到：同時(shí)，負(fù)載R也可以直流供電電壓Vdd和輸出功率Pout表示出來(lái)：此外，串聯(lián)諧振電路的電路參數(shù)選擇主要依賴(lài)于負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)QL，且他的值越大越好。因此，電路參數(shù)可以得到：峰值漏極電壓和漏極電流可以通過(guò)（5）、（13）、（14）、（17）-（19）求得：從上式可以看出并聯(lián)型E逆F3功率放大器峰值電壓相比于經(jīng)典E類(lèi)功率放大器的峰值電壓，下降了13.4%。另一個(gè)功率放大器的性能指標(biāo)—功率輸出能力cp，可以用（28）和（29）表示出來(lái)最大的操作頻率fmax可以通過(guò)（25）得到，這里的C應(yīng)該是器件的輸出電容Cout他的值是經(jīng)典E類(lèi)功率放大器fmax的1.38倍。具體經(jīng)典E類(lèi)功放、并聯(lián)型E類(lèi)功放、E逆F3型功放和并聯(lián)型E逆F3類(lèi)功放的比較高效功率放大器類(lèi)型Vdd/VmaxImax/I0cpKf經(jīng)典E類(lèi)功率放大器3.562.840.09810.0506并聯(lián)E類(lèi)功率放大器3.6472.6470.10360.0798E逆F3功率放大器3.1423.0560.10410.0506并聯(lián)型E逆F3功率放大器3.2792.9150.10460.0698如上表所示。一種高效率并聯(lián)型E逆F類(lèi)功率放大器匹配電路對(duì)并聯(lián)E類(lèi)功率放大器進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)造性的提出了一種新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)加入逆F類(lèi)的電路結(jié)構(gòu)，在保持開(kāi)關(guān)類(lèi)功率放大器高效率優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，不僅使得晶體管的擊穿電壓要求更低，而且最大載波頻率更高，有效地提高了電路的性能，為在更廣范圍使用功率放大器提供了可能。附圖說(shuō)明圖1是經(jīng)典E類(lèi)功率放大器的電路原理圖；圖2是一種高效率并聯(lián)型E類(lèi)功率放大器的原理框圖；圖3是一種高效率并聯(lián)型E逆F類(lèi)功率放大器的原理框圖；圖4（a）是理想并聯(lián)型E逆F3型功率放大器的歸一化漏極電壓波形圖；圖4（b）是理想并聯(lián)型E逆F3型功率放大器漏極電流波形圖；圖4（c）是理想并聯(lián)型E逆F3型功率放大器流過(guò)電容的電流波形圖；圖4（d）是理想并聯(lián)型E逆F3型功率放大器流過(guò)3次諧波的電流波形圖；圖4（e）是理想并聯(lián)型E逆F3型功率放大器負(fù)載電流波形圖；圖5是一種高效率并聯(lián)型E逆F類(lèi)功率放大器的基波條件下等效電路圖；圖6是通過(guò)微帶線(xiàn)對(duì)并聯(lián)型E逆F3功率放大器具體實(shí)施方式的電路圖；圖7（a）是在三次諧波下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)從漏極看進(jìn)去的電路結(jié)構(gòu)；圖7（b）是在二次諧波下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)從漏極看進(jìn)去的電路結(jié)構(gòu)；圖7（c）是在基波下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)從漏極看進(jìn)去的電路結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式為了更清楚的說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。根據(jù)上述理論推導(dǎo)，我們采用微帶線(xiàn)閃現(xiàn)。具體電路圖如6所示。傳輸線(xiàn)TL1-TL4組成了諧波控制電路，傳輸線(xiàn)TL5-TL6組成了基波阻抗匹配電路。為了分析方便，我們假設(shè)所有傳輸線(xiàn)的特征阻抗均為Z0。圖7（a）表示在三次諧波下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)從漏極看進(jìn)去的電路結(jié)構(gòu)。由于開(kāi)路短截線(xiàn)TL2在三次諧波下的阻抗為零，呈現(xiàn)短路狀態(tài)。所以Znet(3ω0)=0，滿(mǎn)足負(fù)載網(wǎng)絡(luò)三次諧波的條件。圖7（b）表示在二次諧波下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)從漏極看進(jìn)去的電路結(jié)構(gòu)。由于短路短截線(xiàn)TL2在二次諧波下的阻抗為零，呈現(xiàn)短路狀態(tài)。同時(shí)，傳輸線(xiàn)TL1、TL2在二次諧波下構(gòu)成諧振，使得其整體表現(xiàn)為開(kāi)路狀態(tài)。所以，等效電路只有傳輸線(xiàn)TL3。因此，傳輸線(xiàn)TL3在二次諧波下的阻抗可表示成：另一方面，根據(jù)原理圖3，在二次諧波下，從漏極看到的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)由LC并聯(lián)電路組成，其阻抗可以表示成：因此，聯(lián)立（24）、（25）、（2），在二次諧波下負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗就等于：這里，。通過(guò)聯(lián)立（1）和（3），傳輸線(xiàn)TL3的電長(zhǎng)度可以表示成：這里k取適當(dāng)?shù)闹凳沟萌∽钚〉恼?。圖7（c）表示在基波下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)從漏極看進(jìn)去的電路結(jié)構(gòu)。由于短路短截線(xiàn)TL2在基波下的阻抗為零，呈現(xiàn)短路狀態(tài)，因此等效電路即如圖7（c）所示。首先，根據(jù)原理圖3所示，基波條件下，從漏極看進(jìn)去的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)由RLC并聯(lián)電路組成。因此負(fù)載網(wǎng)絡(luò)可以表示成：這里，聯(lián)立（24）、（25）和（5），基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)可以表示成:因此：其次，從參考平面V1看到的基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納可以通過(guò)TL1、TL2和得到：這里k等于：因此，從參考平面V1看到的基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗可以表示成：既然從參考平面V1看到的基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗已經(jīng)得到，顯然從參考平面V2看到的基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗可以由和TL3得到：因此，根據(jù)（11）從參考平面V2看到的基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗可以表示成：又根據(jù)（10）和（12），從參考平面V2看到的基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗可以表示成：這里，當(dāng)由（4）決定后，R2和X2的值也可確定。最后，不論X2的值是正還是負(fù)，基波負(fù)載網(wǎng)絡(luò)總是可以通過(guò)L型傳輸線(xiàn)TL5和TL6實(shí)現(xiàn)到50歐姆的阻抗匹配。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，晶體管選用型號(hào)為CreeCGH40010F的10WGaNHEMT晶體管。對(duì)該晶體管由制造商提供的寄生分量的具體數(shù)值如下：晶體管漏極和源極之間的寄生電容Cds=1.2pF，寄生電感Ld=0.55nH，封裝寄生電容Cp=0.2pF。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3