一种多频段可重构射频功率放大器及方法

本发明属于无线通信，尤其涉及一种多频段可重构射频功率放大器及方法。

背景技术：

1、近年来，现代无线通信技术一直处于高速发展阶段。移动通信经历了从模拟蜂窝网到数字蜂窝移动通信系统；第一代移动通信网络(1g)技术到第五代移动通信网络(5g)技术的发展，对无线通信终端的性能及兼容性要求也越来越高。为满足现代军事领域及民用领域对于多功能、多模式、多频带电子设备发展的需求，多个单频段电子电路模块集成在整体电子系统中，这将造成损耗增加及成本提升。功率放大器作为无线电子系统中收发机的关键组成部分，其效率、输出功率、线性度将对整体收发机链路产生很大的影响，同时功率放大器的带宽、效率、增益等性能指标会相互制约。面对对于多模式、多频段、宽带功率放大器日益增长的需求，现有的射频功率放大器具有带宽窄、效率低、复杂度高的问题，无法满足当代电子系统的高速发展，因此对于多频段、多模式可重构功率放大器架构的研究对我国未来军用及民用电子设备发展起到极高的战略意义。

2、然而，当前的可重构多频段射频功率放大器传统架构受工艺以及频段的影响，存在相对工作带宽较窄的问题。同时为实现最优阻抗匹配，多数设计利用晶体管作为开关对输出匹配网络进行可重构，而电流经过功率单元后放大，导致流经输出匹配网络开关的电流较大，产生较大的损耗，继而会影响整体功放效率。此外，部分可重构射频功率放大器采用二极管作为开关进行模式的切换，同样会引入额外的插损，影响整体性能。

3、因此，在多频段可重构射频功率放大器设计中引入插损小、实现相对带宽宽的可重构电路结构，对于实现集成化、多模式、高效率可重构射频收发机系统有着至关重要的作用。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、现有的可重构多频段射频功率放大器存在插损大、相对工作带宽较窄、整体功放效率较低等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多频段可重构射频功率放大器。

2、本发明是这样实现的，一方面采用耦合器-电容功率分配模块和耦合器-电容功率合成模块实现功率放大器随频率变化自适应选择对应端口进行功率分配与合成；另一方面采用感值可变电感进行高频段输出匹配电路的重构，实现不同频段的最优阻抗匹配，拓展可实现带宽及提升射频功率放大器的效率。所述多频段可重构射频功率放大器包括耦合器-电容功率分配模块、高频驱动输入匹配电路模块、射频驱动级功率单元模块、高频级间匹配模块、射频功率级功率单元模块、高频可重构输出匹配电路模块、低频输入匹配电路模块、低频输出匹配电路模块、耦合器-电容功率合成模块。

3、所述耦合器-电容功率分配模块，用于将射频信号随频率自动分配到对应高频、低频两支路，其中，进入低频支路的射频信号依次经过低频输入匹配电路模块、射频功率级功率单元模块、低频输出匹配电路模块，得到经过低频支路放大的射频信号，最后输出至耦合器-电容功率合成模块；进入高频支路的射频信号依次经过高频输入匹配电路模块、射频驱动级功率单元模块、高频级间匹配模块、射频功率级功率单元模块、高频可重构输出匹配电路模块，得到经过高频支路放大的射频信号，最后输出至耦合器-电容功率合成模块。

4、进一步，所述射频驱动级功率单元模块，由m个nmos射频管并联构成，采用共源级连接方式，进行高频输入信号放大，并输出高频射频信号至高频级间匹配模块。

5、进一步，所述射频功率级功率单元模块，由n个nmos射频管构成，通过共源共栅结构形式连接，用于高频支路与低频支路射频信号的放大，分别经过高频可重构输出匹配电路模块与低频输出匹配电路模块，至耦合器-电容功率合成模块。

6、进一步，所述低频输入匹配电路模块与低频输出匹配电路模块，由电容及电感构成，用于实现低频支路的阻抗匹配，以及射频信号的传输。

7、进一步，所述高频可重构输出匹配模块，由电容及感值可变电感模块构成，用于实现高频支路不同频段最优阻抗点的匹配，并输出经过放大的高频射频信号，至耦合器-电容功率合成模块。

8、进一步，所述高频可重构输出匹配电路模块利用电路可重构技术，构建可变电感模块，通过开关控制电路连接电感值大小，改变高频输出匹配电路，完成不同频率最优阻抗匹配。当可变电感开关为断开状态时，电感值较大，实现低频率阻抗匹配，当可变电感开关为闭合状态时，电感值较小，实现高频率阻抗匹配。

9、进一步，所述耦合器-电容功率分配模块与耦合器-电容功率合成模块，其包含的的耦合器采用侧边耦合原理，耦合度高；在耦合器对应端口添加接地电容，结合耦合器耦合度参数以及电容的频率特性，构成频率选择模块，实现射频信号随频率自适应选择端口输出以及合成。

10、进一步，所述高频输出匹配电路模块采用高通滤波器结构，低频输入匹配电路模块与低频输出匹配电路模块也采用高通滤波器结构。高频级间匹配模块采用电容阵列实现匹配同时隔绝直流。

11、进一步，所述射频功率放大器结构m的取值为2，n的取值为8。

12、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述多频段可重构射频功率放大器设计方法的步骤。

13、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述多频段可重构射频功率放大器设计方法的步骤。

14、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述多频段可重构射频功率放大器。

15、本发明的另一目的在于提供一种多频段可重构射频功率放大器的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

16、通过耦合器-电容功率分配模块接收射频信号，并根据射频信号的频率自动将射频信号分配到对应的高频支路和低频支路；

17、在低频支路中，射频信号依次经过低频输入匹配电路模块、射频功率级功率单元模块、低频输出匹配电路模块进行放大处理，并将放大后的射频信号输出至耦合器-电容功率合成模块；

18、在高频支路中，射频信号依次经过高频输入匹配电路模块、射频驱动级功率单元模块、高频级间匹配模块、射频功率级功率单元模块、高频可重构输出匹配电路模块进行放大处理，并将放大后的射频信号输出至耦合器-电容功率合成模块；

19、耦合器-电容功率合成模块将来自高频支路和低频支路的放大后的射频信号进行合成，并输出最终放大的射频信号。

20、本发明的另一目的在于提供一种射频驱动级功率单元模块的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

21、将多个nmos射频管以共源级连接方式并联构成射频驱动级功率单元模块；

22、接收来自高频输入匹配电路模块的高频输入信号；

23、使用并联的nmos射频管对高频输入信号进行放大处理；

24、将放大后的高频射频信号输出至高频级间匹配模块。

25、本发明的另一目的在于提供一种射频功率级功率单元模块的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

26、根据工作频段需求，调整射频功率级功率单元模块中的nmos射频管的数量和连接方式；

27、对于高频支路，通过共源共栅结构连接的nmos射频管对高频射频信号进行放大处理；

28、对于低频支路，同样通过共源共栅结构连接的nmos射频管对低频射频信号进行放大处理；

29、分别将高频支路和低频支路放大后的射频信号输出至对应的高频可重构输出匹配电路模块和低频输出匹配电路模块。

30、本发明的另一目的在于提供一种低频输入/输出匹配电路模块的阻抗匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

31、根据低频支路的阻抗特性和射频信号的传输需求，设计低频输入匹配电路模块和低频输出匹配电路模块的结构；

32、在低频输入匹配电路模块中，使用电容和电感构成匹配网络，实现低频支路的阻抗匹配；

33、在低频输出匹配电路模块中，同样使用电容和电感构成匹配网络，确保射频信号在低频支路中的有效传输；

34、在整个放大器系统中，低频输入匹配电路模块和低频输出匹配电路模块协同工作，实现低频支路的阻抗匹配和射频信号的传输优化。

35、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

36、第一、本发明提出的耦合器-电容功率分配模块与耦合器-电容功率合成模块，通过设计耦合器形状、尺寸、结构，同时采用侧边耦合机制，所设计耦合器尺寸小、耦合系数高、插损小，且工作带宽更宽。在所设计耦合器对应端口连接电容接地，利用电容的频率特性，实现高频输入端口和低频输入端口的功率自适应分配；且结构简单，可实现带宽宽。

37、本发明提出的高频可重构输出匹配电路模块，采用电容结合可重构电感结构，其中可重构电感由变压器及射频管作为开关构成，通过调整开关管的栅级电压控制开关的导通与断开，从而控制变压器次级线圈是否连通，使整体可重构电感模块感值改变的同时，射频电流并不会流经开关管，相较于其他匹配电路重构方案，本发明所提出的采用可变电感重构输出匹配电路方案，损耗小，可变电感感值变比大，可以实现频率相差大的最优阻抗点匹配。

38、本发明提供的多频段可重构射频功率放大器设计方法，在设计过程中考虑了宽带设计中单一匹配电路无法实现宽带最优阻抗匹配的问题，同时采用同一尺寸晶体管难以实现相差单倍频以上的高性能功率放大器，进一步采用耦合器-电容功率分配模块和耦合器-电容功率合成模块，实现相差单倍频以上的两路功放的合成，两路功放分别可以实现优异性能的同时，所设计耦合器-电容功率分配模块和耦合器-电容功率合成模块在不引入额外插损前提下，利用其选频特性，自适应实现两路功放对应端口的功率输入及输出。除此之外，本设计通过采用可变电感实现高频路输出匹配电路的可重构，实现不同频段最优阻抗匹配，解决了由于制造工艺及晶体管自身的寄生原因，晶体管在较高频率下难以实现宽带高效率的问题，本设计中的可变电感开关流经电流近似为零，大大降低损耗，同时可变电感值设计自由度高，可实现电感变比大，为宽带射频功率放大器设计过程中阻抗匹配困难提供了一种解决方案。

39、第二，本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

40、宽带射频功率放大器设计，实现全频段内高效率及高输出功率的性能，需要实现宽带范围下的最优阻抗匹配，但是由于匹配电路中器件的随频率变化的色散问题，单一的匹配电路无法实现宽带范围内各频点的最优阻抗点匹配，相当于带宽和性能之间的权衡。利用输出匹配电路可重构技术，通过调整电压控制开关管状态切换功放匹配电路，分别实现对应宽带范围内不同频段的最优阻抗匹配，提升宽带性能。

41、本发明的技术方案克服了技术偏见：传统可重构功放电路结构中使用晶体管作为开关直接进行匹配电路中元器件的切换，由于追求更高的输出功率及效率，通常采用开关对输出匹配电路进行重构，但是射频信号流经开关管会造成很大的损耗，所以此方案对宽带输出性能的提高并不显著。本设计中的可重构电感采用变压器结构，开关位于次级线圈通路中，在切换可变电感感值的同时，射频信号并不会流经开关管，所以在实现匹配电路可重构，不同频率下最优阻抗点匹配的同时，开关管并不会引入过多的损耗，从而实现宽带射频功放的高功率、高效率性能。

42、第四，本发明解决的现有技术问题：

43、本发明的多频段可重构射频功率放大器主要解决了以下几个现有技术中的问题：

44、1)频率适应性不足：传统的射频功率放大器通常针对特定的频段设计，缺乏灵活性，无法适应多频段或变化频段的需求。这在快速发展的通信领域，尤其是在需要处理多种信号和频段的现代通信系统中，显得尤为限制。

45、2)效率低下：现有技术中的射频功率放大器往往因设计不够优化，如阻抗匹配不当、信号放大不均匀等问题，导致能量损失大，效率低下。

46、3)系统集成困难：由于设计和技术的局限性，传统射频功率放大器往往难以与其他系统组件集成，这在需要紧密集成多种功能和模块的现代电子设备中构成了障碍。

47、4)调整和维护复杂：传统放大器的调整和维护工作往往复杂且耗时，尤其是在多变的应用环境中，对设备的适应性调整尤为困难。

48、获得的显著技术进步：

49、本发明的多频段可重构射频功率放大器在以上问题的基础上，取得了以下显著的技术进步：

50、1)多频段和可重构设计：通过引入可重构的射频路径和自动频率分配机制，本发明能够适应多种频段的需求，极大地提高了设备的适用性和灵活性。用户可以根据实际需求调整放大器的工作频段，满足不同的通信标准和频率需求。

51、2)提高能效和性能：通过优化的输入匹配和输出匹配电路设计，以及使用高效的功率单元模块，本发明显著提高了能量利用率，减少了能量损失，提高了整体的系统效率。

52、3)简化系统集成：本发明通过模块化的设计，使得射频功率放大器易于与其他电子组件和系统集成，为复杂的通信系统设计和制造提供了便利。

53、4)易于调整和维护：借助于可重构的设计和智能控制系统，本发明的射频功率放大器可以快速响应环境变化和用户需求，调整过程自动化、简化，大大减少了维护和调整的复杂性。

54、通过这些技术进步，本发明的多频段可重构射频功率放大器不仅提供了一种高效、灵活的解决方案来应对现代通信技术的挑战，而且也推动了射频功率放大技术的发展，为未来通信设备的创新和应用奠定了坚实的基础。