一种宽带三阶脉冲负载调制功率放大器

本发明涉及一种宽带三阶脉冲负载调制(plm)功率放大器，属于无线通信发射。

背景技术：

1、随着无线通信的发展，射频发射机核心部件功率放大器的效率与线性度之间的矛盾日趋尖锐。同时，现有的无线通信系统为提高数据传输率，还对功率放大器的带宽提出了需求。因此为了满足高速实时通信，功率放大器需要具有宽带、高效率、高线性度等特点。然而，现有功率放大器的性能已经接近极限。目前广泛应用于通信基站的doherty功率放大器虽然通过线性预失真技术结合负载调制技术提高了功率回退区的效率并保持了一定的线性度。但是随着射频输出信号的峰值平均比(par)的提高，doherty功率放大器需要更大的功率回退范围来保证效率。并且数字预失真技术需要大规模的非线性计算，消耗了大量计算资源，也限制了工作带宽，目前的发展也遭遇瓶颈。

2、为解决功率放大器功率效率与线性度之间的矛盾，脉冲负载调制(plm)功率放大器的概念被提出。脉冲负载调制(plm)功率放大器以调制脉冲信号驱动主、辅两条放大支路同时开关，通过有源负载调制原理，使辅助支路始终保持最优负载阻抗，并在输出端添加带通滤波器回收调制脉冲信号产生的量化噪声，使整个功放在功率回退区内保持最高效率。但是传统的脉冲负载调制(plm)功率放大器放大阶数只有两阶，且两条支路最优负载阻抗相同，因此功率回退范围只有6db。并且脉冲负载调制(plm)功率放大器受限于四分之一波长传输线构成的阻抗变换器，带宽较窄。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种宽带三阶脉冲负载调制功率放大器，采用三阶结构的脉冲负载调制(plm)功率放大器基于多阶功放输出阻抗网络合成技术及后匹配频带展宽技术扩展了功率放大器的功率回退范围和工作带宽，使其在较宽的频率范围和较大的功率回退范围内能够保持较高的工作效率。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种宽带三阶脉冲负载调制功率放大器，该功率放大器包括功分器powerdivider、主功率放大晶体管mainpa、主路输入阻抗匹配网络imnmain、主路输出阻抗匹配网络omnmain、第一辅助功率放大晶体管auxpa1、第一辅路输入阻抗匹配网络imnaux1、第一辅路输出阻抗匹配网络omnaux1、第二辅助功率放大晶体管auxpa2、第二辅路输入阻抗匹配网络imnaux2、第二辅路输出阻抗匹配网络omnaux2、四分之一波长微带线tl1、四分之一波长微带线tl2和后端用于过滤回收量化噪声的高品质因数带通滤波器bpf以及负载阻抗rl；

4、调制脉冲信号由功分器一分为三，分别为第一分路信号、第二分路信号和第三分路信号；

5、第一分路信号输入到主路，即第一分路信号通过主路输入阻抗匹配网络imnmain输入到主功率放大晶体管mainpa中，第一分路信号在功率放大晶体管mainpa中进行功率放大后，由主功率放大晶体管mainpa中的漏极输出最优负载阻抗ropt1，然后通过主路阻抗匹配网络omnmain匹配到主路合路点阻抗；

6、第二分路信号输入到第一辅助支路，即第二分路信号通过第一辅路输入阻抗匹配网络imnaux1输入到第一辅助功率放大晶体管auxpa1中，第二分路信号在第一辅助功率放大晶体管auxpa1中进行功率放大后，由第一辅助功率放大晶体管auxpa1中的漏极输出最优负载阻抗ropt2，然后通过第一辅路输出阻抗匹配网络omnaux1匹配到第一辅路合路点阻抗；

7、第三分路信号输入到第二辅助支路，即第三分路信号通过第二辅路输入阻抗匹配网络imnaux2输入到第二辅助功率放大晶体管auxpa2中，第三分路信号在第二辅助功率放大晶体管auxpa2中进行功率放大后，由第二辅助功率放大晶体管auxpa2中的漏极输出最优负载阻抗ropt3，然后通过第二辅路输出阻抗匹配网络omnaux2匹配到第二辅路合路点阻抗；

8、主路合路点阻抗、第一辅路合路点阻抗、第一辅路合路点阻抗并联后得到合路点阻抗rc；

9、合路点阻抗rc依次通过四分之一波长微带线tl1、四分之一波长微带线tl2后再经带通滤波器bpf进行滤波后匹配到负载阻抗rl，其中四分之一波长微带线tl1、四分之一波长微带线tl2为宽带匹配网络；

10、所述主路的栅极偏置电压大于第一辅助支路的栅极偏置电压，第一辅助支路的栅极偏置电压大于第二辅助支路的栅极偏置电压；

11、三条放大支路(主路、第一辅助支路和第二辅助支路)随着输入脉冲信号占空比增加依次饱和；

12、主路开启后，主路的漏极端的等效负载阻抗不小于主功率放大晶体管mainpa中的最优负载阻抗ropt1；

13、第一辅助支路开启后，第一辅助支路的漏极端的等效负载阻抗不小于第一辅助功率放大晶体管auxpa1的最优负载阻抗ropt2；

14、第二辅助支路开启后，第二辅助支路的漏极端的等效负载阻抗不小于第二辅助功率放大晶体管auxpa2的最优负载阻抗ropt3；

15、随着输入脉冲信号的占空比增加，主路开启并逐渐达到饱和，此时第一辅助支路和第二辅助支路并未开启；

16、随着输入脉冲信号的占空比继续增加，第一辅助支路开启，第一辅助支路的漏极端的等效阻抗大于等于第一辅路auxpa1的最优负载阻抗ropt2，使其始终输出最大效率；

17、随着输入脉冲信号的占空比继续增加，第二辅助支路开启，通过有源负载调制原理，第二辅助支路漏极端的等效阻抗同样大于等于第二辅助支路auxpa2的最优负载阻抗ropt3，使其始终输出最大效率；

18、所述主路阻抗匹配网络omnmain、第一辅路输出阻抗匹配网络omnaux1、第二辅路输出阻抗匹配网络omnaux2为宽带匹配网络；

19、三阶脉冲负载调制(plm)功率放大器采用不同占空比的脉冲信号作为输入，通过输出端的主路阻抗匹配网络omnmain、第一辅路输出阻抗匹配网络omnaux1、第二辅路输出阻抗匹配网络omnaux2实现了有源脉冲负载调制，并通过外接高q值带通滤波器bpf回收输入脉冲信号的量化噪声，保证了功率回退区效率不下降。同时，三阶结构将三个放大器支路通过输出端阻抗变换网络合成，提供了更加复杂的有源负载变换，使各个功放在不同输入功率情况下的等效阻抗始终大于等于最优负载阻抗，进而保持最优效率。

20、当输入脉冲信号占空比较小时，只有主路开启，第一辅助支路和第二辅助支路均处于关闭状态，随着输入脉冲信号占空比逐渐增大，此时合路点等效阻抗从正无穷逐渐减小至主路最优负载阻抗ropt1，使得主路达到功率饱和，输出最大电流imax，等效为一个电流源，之后随着输入脉冲信号占空比继续增大，第一辅助支路开启，根据合路点阻抗并联效应，此时第一辅助支路的等效阻抗要始终大于其最优负载阻抗ropt2，这使得第一辅助支路输出最大电压摆幅vmax，同时输出最大效率，等效为一个恒定电压源，直至第一辅助支路电流完全饱和输出最大电流imax，同理，当输入脉冲信号占空比继续增大，第二辅助支路开启，此时第二辅助支路的等效阻抗始终大于其最优负载阻抗ropt3，直至三阶脉冲负载调制功率放大器完全饱和；

21、三阶脉冲负载调制功率放大器由于主路饱和后各条放大支路的等效负载阻抗始终大于等于其最优负载阻抗，因此回退区效率始终保持最优。此外，由于三阶脉冲负载调制功率放大器的级数较多，因此输出功率大于传统二阶脉冲负载调制功率放大器。此效应提高了放大器的整体功率回退范围。

22、为了提高功率放大器的工作带宽，三条放大支路输出部分采用后匹配的设计方式。后匹配的结构采用低q值阻抗变换网络omn取代了传统结构的四分之波长阻抗变换器，减小了主路输出网络对频率变换的敏感度。

23、三阶脉冲负载调制(plm)功率放大器的输入信号需要进行包络调制，这会引入量化噪声。因此，需要在输出部分添加高q值带通滤波器回收量化噪声，提高功率放大器整体效率，则四分之一波长微带线tl1、四分之一波长微带线tl2需要满足如下两个条件：

24、条件一：当三条支路都关闭时，合路点看向功率放大晶体管时的输入阻抗应该近似为零，以吸收滤波器的电流。当功率放大晶体管关闭时，其输出阻抗为正无穷，此阻抗通过输出匹配网络的阻抗变换到合路点时近似短路，可以满足条件。

25、条件二：合路点需满足带外全反射条件。滤波器通过相位延时线匹配，使得输入回波损耗阻带处相位为零，阻抗值为无穷大。之后再通过半波长相位延时线，将全反射效应传递至合路点最大限度回收量化噪声。

26、有益效果

27、(1)本发明采用三阶脉冲负载调制(plm)功率放大器结构设计，使功率放大器在更大输出功率回退范围内保持最优效率，扩展了功率回退范围。本发明提出了多阶脉冲负载调制功率放大器输出阻抗网络合成方法及其相应的匹配网络设计。本发明的三条支路输出部分采用后匹配的设计方式，通过低q值宽带阻抗变换网络匹配到合路点，再由合路点匹配至负载，提高了放大器的工作带宽。

28、(2)本发明的三阶脉冲负载调制(plm)功率放大器采用不同占空比的脉冲信号作为输入，通过输出端的主路阻抗匹配网络omnmain、第一辅路输出阻抗匹配网络omnaux1、第二辅路输出阻抗匹配网络omnaux2实现了有源脉冲负载调制，并通过外接高q值带通滤波器bpf回收输入脉冲信号的量化噪声，保证了功率回退区效率不下降。同时，三阶结构将三个放大器支路通过输出端阻抗变换网络合成，提供了更加复杂的有源负载变换，使各个功放在不同输入功率情况下的等效阻抗始终大于等于最优负载阻抗，进而保持最优效率。

29、(3)本发明中，当输入脉冲信号占空比较小时，只有主路开启，第一辅助支路和第二辅助支路均处于关闭状态，随着输入脉冲信号占空比逐渐增大，此时合路点等效阻抗从正无穷逐渐减小至主路最优负载阻抗ropt1，使得主路达到功率饱和，输出最大电流imax，等效为一个电流源，之后随着输入脉冲信号占空比继续增大，第一辅助支路开启，根据合路点阻抗并联效应，此时第一辅助支路的等效阻抗要始终大于其最优负载阻抗ropt2，这使得第一辅助支路输出最大电压摆幅vmax，同时输出最大效率，等效为一个恒定电压源，直至第一辅助支路电流完全饱和输出最大电流imax，当输入脉冲信号占空比继续增大，第二辅助支路开启，此时第二辅助支路的等效阻抗始终大于其最优负载阻抗ropt3，直至三阶脉冲负载调制功率放大器完全饱和。

30、(4)本发明中，三阶脉冲负载调制功率放大器由于主路饱和后各条放大支路的等效负载阻抗始终大于等于其最优负载阻抗，因此回退区效率始终保持最优。此外，由于三阶脉冲负载调制功率放大器的级数较多，因此输出功率大于传统二阶脉冲负载调制功率放大器。此效应提高了放大器的整体功率回退范围。为了提高功率放大器的工作带宽，三条放大支路输出部分采用后匹配的设计方式。后匹配的结构采用低q值阻抗变换网络omn取代了传统结构的四分之波长阻抗变换器，减小了主路输出网络对频率变换的敏感度。