一种负载调制平衡功率放大器及设计方法

本发明涉及射频功率放大器电路设计领域，具体涉及一种负载调制平衡功率放大器的简化设计方法。

背景技术：

1、现代无线通信系统中，通常采用具有较高峰均功率比的调制信号达到优化频谱效率，充分利用频谱资源的目的，但这要求功率放大器能够在较大的输出功率回退区间内维持较高的工作效率。传统的能量调节技术在高效传输高峰均功率比信号和向更宽频带扩展时面临重重困难，然而负载调制平衡功率放大器作为一种多晶体管参与负载调制的高效率功率放大器架构，能够同时兼顾宽带宽和高回退效率等性能，因此成为了一种较优的选择。负载调制平衡功率放大器的基本原理是将控制路信号经由输出端耦合器的隔离端口注入到平衡功率放大器中。通过调节控制信号电平的幅度大小和相位偏移，可以调制平衡功率放大器所看到的负载阻抗，拟合最佳负载阻抗轨迹，从而在较大的输出功率回退范围内实现优异的回退效率表现。此外，混合耦合器作为负载调制平衡功率放大器的负载调制网络在维持高回退效率的同时还有助于频带的拓展。

2、宽带高回退效率负载调制平衡功率放大器的设计难点在于设置合理的控制路信号和平衡路信号的功率比和相位差。在传统的负载调制平衡功率放大器设计方法中，控制路信号电平的最佳相位偏移通常通过扫描控制路功率放大器(ca)和平衡路功率放大器(ba1、ba2)之间的相位差来获得，这种依赖参数扫描的方法颇为复杂且计算量庞大。目前有关宽带高回退效率负载调制平衡功率放大器的设计指导和优化方法仍然相对缺乏。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的是提出一种负载调制平衡功率放大器及设计方法，针对现有负载调制平衡功率放大器设计过程中，因缺乏对于控制路信号电平的幅度大小和相位偏移的精准设计指导，从而导致的频带拓宽困难和回退效率低下等问题，本发明提出的方法侧重于控制信号电平的优化，为相位偏移的取值提供直截了当的参考，简化了具有高回退效率的宽带负载调制平衡功率放大器的设计流程。

2、技术方案：为解决以上技术问题，本发明提出的一种负载调制平衡功率放大器的简化设计方法，采用以下技术方案：

3、本发明的负载调制平衡功率放大器包括混合耦合器、控制路功率放大器电路模块、相位偏移模块包括第一相位偏移模块和第二相位偏移模块、平衡路功率放大器电路模块；所述混合耦合器将射频输入信号等分为两路，分别为控制路信号和平衡路信号；所述控制路功率放大器电路模块对来自混合耦合器的控制路信号进行放大，再将该放大后的控制路信号输出到第二相位偏移模块；所述第一相位偏移模块和第二相位偏移模块决定了控制路信号和平衡路信号之间的相位偏移，合理地设置该两路信号的相位差确保负载调制平衡功率放大器的宽带特性以及高回退效率；所述平衡路功率放大器电路模块包括输入端混合耦合器、第一平衡功率放大器、第二平衡功率放大器、输出端混合耦合器，输入端混合耦合器将平衡路信号等分两路，然后分别注入到第一平衡功率放大器和第二平衡功率放大器当中，输出端混合耦合器接收第一平衡功率放大器和第二平衡功率放大器的输出信号进行混合放大，最后将放大后的平衡路信号以及从第二相位偏移模块注入的控制路信号合并为总的输出信号。

4、所述混合耦合器将单输入射频信号均等地分成幅度相同，相位相差90°的两路信号，分别为控制路信号和平衡路信号。

5、所述控制路功率放大器电路模块包括控制路功率放大器输入匹配网络、控制路功率放大器晶体管、控制路功率放大器输出匹配网络；控制路功率放大器晶体管的基极接控制路功率放大器输入匹配网络，控制路功率放大器晶体管的集电极接控制路功率放大器输出匹配网络。

6、所述控制路功率放大器晶体管根据需要选择一个输出功率合适的氮化镓晶体管作为控制路功率放大器晶体管，通过源牵引仿真和负载牵引仿真找出最佳源阻抗值和最佳负载阻抗值，控制路功率放大器电路模块输入输出端口阻抗均为50ω，由此设定控制路功率放大器输入匹配网络和控制路功率放大器输出匹配网络。

7、所述第一相位偏移模块和第二相位偏移模块通过影响控制路信号和平衡路信号之间的相位偏移，改变第一平衡功率放大器、第二平衡功率放大器的负载阻抗值，通过在频带内提供适合的相位差来达到拟合最优负载阻抗轨迹的目的，从而在较大的输出功率回退范围内实现更高的漏极效率。

8、所述第一平衡功率放大器包括第一平衡路功率放大器输入匹配网络、第一平衡路功率放大器晶体管、第一平衡路功率放大器输出匹配网络；第一平衡路功率放大器晶体管的基极接第一平衡路功率放大器输入匹配网络的输出端，第一平衡路功率放大器晶体管的集电极接第一平衡路功率放大器输出匹配网络。

9、所述第二平衡功率放大器包括第二平衡路功率放大器输入匹配网络、第二平衡路功率放大器晶体管、第二平衡路功率放大器输出匹配网络；第二平衡路功率放大器晶体管的基极接第二平衡路功率放大器输入匹配网络的输出端，第二平衡路功率放大器晶体管的集电极接第二平衡路功率放大器输出匹配网络。

10、所述平衡路功率放大器电路模块中的输入端混合耦合器和输出端混合耦合器均采用分别起到功率分配和功率合成的作用的3-db正交耦合器；第一平衡功率放大器和第二平衡功率放大器都采用相同的输入匹配和输出匹配网络，确保两路信号到达输出端混合耦合器时的相位一致。

11、此外，考虑到效率以及回退区间等各个因素，第一平衡功率放大器晶体管、第二平衡功率放大器晶体管均采输出功率相较于控制路功率放大器晶体管更大的氮化镓晶体管。

12、本发明的一种负载调制平衡功率放大器的设计方法基于负载调制平衡功率放大器，首先推导出输出端混合耦合器端口处的饱和电流比和负载阻抗值，然后计算出所需的参考相位差，最后对控制路功率放大器电路模块的相位偏移值进行优化，以实现拓宽频带以及高回退效率，完成负载调制平衡功率放大器的设计。

13、所述设计方法包括以下步骤：

14、s1：通过负载牵引仿真得到控制路功率放大器电路模块的最佳负载阻抗值zca，opt，输出端混合耦合器端口处控制路功率放大器电路模块的阻抗值近似恒定为50ω，进一步得到输出端耦合器平面处饱和电流ica，max；

15、s2：定义α为控制路功率放大器电路模块和平衡路功率放大器电路模块之间的单管饱和功率比，为实现10-db的输出功率回退范围，计算出期望功率比α的取值为2/9，进而根据公式推导出平衡路功率放大器电路模块在输出端混合耦合器端口处的负载阻抗值zba；

16、s3：通过负载牵引仿真得到平衡路功率放大器电路模块的最佳负载阻抗zba,opt；由于zba,opt和zba的值已知，因此独立地完成平衡路功率放大器电路模块的设计后，求出其在输出端混合耦合器端口处的饱和电流值iba，max；

17、s4：定义z0为混合耦合器的特征阻抗值，θ为控制路信号和平衡路信号的相位差，根据公式计算出相位差的参考值θ参考值为频率的函数；

18、s5：以θ参考值作为优化时的参考，完成负载调制平衡功率放大器的整体电路设计，综合考虑宽带效果和回退效率各项指标，得到仿真模拟的相位偏移实际最优值θ实际值，最终实现宽带高回退效率各项优异性能；

19、s6：通过实物加工和实际测试对所述设计及优化方法进行验证。

20、有益效果：与现有技术相比较，本发明提出了一种负载调制平衡功率放大器及设计方法，针对现有负载调制平衡功率放大器设计过程中，因缺乏对于控制路信号电平的幅度大小和相位偏移的精准设计指导，从而导致的频带拓宽困难和回退效率低下等问题，本发明提出的方法侧重于控制信号电平的优化，为相位偏移的取值提供直截了当的参考，简化了具有高回退效率的宽带负载调制平衡功率放大器的设计流程。