一種功率放大器及其實現方法
【專利說明】一種功率放大器及其實現方法發明領域
[0001]本發明涉及一種微波功率放大電路，確切地說是一種功率放大器及其實現方法。技術背景
[0002]功率放大器是射頻前端設備的核心部件，功率放大器的性能特別是線性度和效率對基站、直放站等射頻前端設備有直接的影響。功率放大器的線性度越好，當該功率放大器應用于射頻系統時，系統的輸出功率就越高，反之，系統的輸出功率就越低；與其他射頻模塊一樣，功率放大器效率越高越好。這就是說，一方面希望功率放大器達到很高的輸出功率，同時要有很高的效率。但是由于傳統功率放大器固有的內在矛盾:當輸出高峰均比信號時，功率放大器難以同時滿足高線性度和高效率的要求。比如:對于A類放大器，由于晶體管的工作區域線性度較高，而且輸入信號的整個周期都得到完整的放大，所以有良好的線性度，但是由于負載的耗損與阻抗的失配，其效率一般在30%左右；對于B類放大器，晶體管只在半個周期內處于導通狀態，其線性度較A類放大器要下降，而效率要相應的提高，理論上可達到78.5% ;對于C類放大器，晶體管僅在小半個周期內處于導通狀態，輸出電流的直流成分和基頻成分都很小，所以它的線性度很差，而效率卻很高，理論上可達到100%。
[0003]近年來，隨著人們對放大器效率的大量研宄，不少高效率功放模型浮現出來。主要是開關類放大器:D類放大器的晶體管工作在開關狀態，其電路結構類似于推挽式放大器，由兩個晶體管交替工作在截止與飽和狀態，在整個工作周期內晶體管的漏極電壓與電流都不可能同時出現非零值，所以它在理想情況下效率可達到100% ;E類放大器一般模型由一個串聯LCR (電感-電容-電阻)回路和一個與晶體管并聯的電容構成，由于流過射頻
扼流的電流必然為直流，而負載調諧網絡的電流必然是正弦波，因此兩者的電流之和必然流入并聯電感與開關部分，當晶體管處于導通狀態時，電流將全部流入晶體管，而當晶體管處于截止狀態時，電流將全部流過并聯的電容，晶體管的電流與電壓非零值在整個周期都不會同時出現，這說明100%的直流功率都轉變成交流；F類的思想是通過加大輸入信號幅度使放大器工作在過激勵狀態，在輸出端的電流博形就會有很多諧波分量，同時設計合適的輸出匹配網絡控制輸出電流與電壓的諧波，使其對其次諧波呈開路，對偶次諧波呈短路，得出輸出電壓趨近于方波，輸出電流趨近于半正弦波，到達抑制諧波提高效率，理論上諧波可到100%。但是這些功放都因為其有限的線性度而不能被廣泛應用。因此，設計一個高線性度和高效率性能的功率放大器已成為射頻技術研宄領域的重要課題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是針對現有技術的的空缺，基于高效率功率放大器有較高的二次諧波和三次諧波的輸出而使其線性度下降的缺陷，提出一種分頻正反饋高線性度高效率的新型功率放大器電路，通過回收利用諧波使放大器在擁有很高的效率同時可以擁有極高的線性度。
[0005]本發明一種功率放大器，包括主電路、反饋一路和反饋二路； 所述的主電路包括第一輸入匹配電路、第一輸出匹配電路和偏置在B類功放芯片；反饋一路包括第二輸入匹配電路、第二輸出匹配電路和三分頻器；反饋二路包括第三輸入匹配電路、第三輸出匹配電路和二分頻器；
所述的第一輸入匹配電路的輸入端接輸入信號端，第一輸入匹配電路的輸出端與偏置在B類功放芯片的射頻信號輸入端、第二輸出匹配電路的輸出端、第三輸出匹配電路的輸出端連接，偏置在B類功放芯片的輸出端與第一輸出匹配電路的輸入端、第二輸入匹配電路的輸入端、第三輸入匹配電路的輸入端連接，第三輸入匹配電路的輸出端與二分頻器的輸入端連接，二分頻器的輸出端接第三輸出匹配電路的輸入端連接，第二輸入匹配電路的輸出端與三分頻器的輸入端連接，三分頻器的輸出端接第二輸出匹配電路的輸入端連接；一種功率放大器的實現方法；具體包括以下步驟:
步驟一:射頻信號fo由輸入端輸入，經過第一輸入匹配電路，實現信號的最佳效率傳輸，再由偏置在B類功放芯片放大，在偏置在B類功放芯片輸出端產生放大后的&信號以及二次諧波信號2&和三次諧波信號3f。，
步驟二信號由第一輸出匹配電路輸出，實現最佳效率傳輸。
[0006]步驟三:二次諧波信號由第三輸入匹配電路輸入，經過二分頻器分頻成基波信號&，由第三輸出匹配電路反饋到功放管的輸入端。
[0007]步驟四:三次諧波信號由第二輸入匹配電路輸入，經過三分頻器分頻成基波信號fo，由第二輸出匹配電路反饋到功放管的輸入端。
[0008]步驟五:反饋回來的信號再由偏置在B類功放芯片放大輸出；
步驟六:偏置在B類功放芯片放大輸出信號重復步驟二?步驟五。
[0009]本發明的有益效果:
本發明在偏置在B類功放芯片輸入輸出端分別連接一個二分頻器和三分頻，形成兩個正反饋電路，使功放芯片輸出信號中的二次諧波和三次諧波分別經過分頻器轉化成基波，再反饋到芯片的輸入端，不僅消除了輸出信號中的高次諧波，提了高線性度，而且偏置在B類的功率放大器使電路擁有很高的效率。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示，一種功率放大器，包括主電路、反饋一路和反饋二路；
所述的主電路包括第一輸入匹配電路、第一輸出匹配電路和偏置在B類功放芯片；反饋一路包括第二輸入匹配電路、第二輸出匹配電路和三分頻器；反饋二路包括第三輸入匹配電路、第三輸出匹配電路和二分頻器；
所述的第一輸入匹配電路的輸入端接輸入信號端，第一輸入匹配電路的輸出端與偏置在B類功放芯片的射頻信號輸入端、第二輸出匹配電路的輸出端、第三輸出匹配電路的輸出端連接，偏置在B類功放芯片的輸出端與第一輸出匹配電路的輸入端、第二輸入匹配電路的輸入端、第三輸入匹配電路的輸入端連接，第三輸入匹配電路的輸出端與二分頻器的輸入端連接，二分頻器的輸出端接第三輸出匹配電路的輸入端連接，第二輸入匹配電路的輸出端與三分頻器的輸入端連接，三分頻器的輸出端接第二輸出匹配電路的輸入端連接； 一種功率放大器的實現方法；具體包括以下步驟:
步驟一:射頻信號fo由輸入端輸入，經過第一輸入匹配電路，實現信號的最佳效率傳輸，再由偏置在B類功放芯片放大，在偏置在B類功放芯片輸出端產生放大后的&信號以及二次諧波信號2&和三次諧波信號3f。，
步驟二信號由第一輸出匹配電路輸出，實現最佳效率傳輸。
[0012]步驟三:二次諧波信號由第三輸入匹配電路輸入，經過二分頻器分頻成基波信號&，由第三輸出匹配電路反饋到功放管的輸入端。
[0013]步驟四:三次諧波信號由第二輸入匹配電路輸入，經過三分頻器分頻成基波信號fo，由第二輸出匹配電路反饋到功放管的輸入端。
[0014]步驟五:反饋回來的信號再由偏置在B類功放芯片放大輸出；
步驟六:偏置在B類功放芯片放大輸出信號重復步驟二?步驟五。
[0015]如圖1所示，射頻信號由Portl輸入，Port2輸出，其中B類功放芯片為偏置在B類功率放大器的芯片，第一輸入匹配和第一輸出匹配是芯片最佳傳輸效率阻抗匹配，它們組成電路的主路，第二、第三匹配電路分別是兩個分頻器的輸入輸出匹配網絡，它們與兩個分頻器組成電路的反饋回路。
[0016]例:設計一個傳統B類功率放大器，工作頻率為2GHz，板材選用ROgerS4350B (板厚為lOmil，介電常數為3.48，銅厚10Z，損耗角為0.003)。
[0017]首先對晶體管在2GHz時進行負載牽引，得到最佳效率負載阻抗和最佳效率源阻抗，然后設計好兩個匹配電路，兩個匹配電路是只允許2GHz通過，阻止4GHz和6GHz通過的帶通濾波器。然后設計一個二分頻器，并設計晶體管到它的匹配電路，二分頻器的輸入匹配電路是一種只允許4GHz通過，阻止2GHz和6GHz通過的帶通濾波器，設計好的二分頻器的輸入端接在晶體管的輸出端，輸出端接在晶體管的輸入端。同理將三分頻器和它的匹配電路設計好以同樣的方式接到晶體管兩端，三分頻器的輸入匹配電路是一種只允許6GHz通過，阻止2GHz和4GHz通過的帶通濾波器。將整個電路連好進行諧波平衡仿真，比較加入分頻器的放大器和普通放大器的仿真結果，就可以清楚地看出本發明的放大器線性度和效率都能達到很高。
【主權項】
1.一種功率放大器，其特征在于:包括主電路、反饋一路和反饋二路； 所述的主電路包括第一輸入匹配電路、第一輸出匹配電路和偏置在B類功放芯片；反饋一路包括第二輸入匹配電路、第二輸出匹配電路和三分頻器；反饋二路包括第三輸入匹配電路、第三輸出匹配電路和二分頻器； 所述的第一輸入匹配電路的輸入端接輸入信號端，第一輸入匹配電路的輸出端與偏置在B類功放芯片的射頻信號輸入端、第二輸出匹配電路的輸出端、第三輸出匹配電路的輸出端連接，偏置在B類功放芯片的輸出端與第一輸出匹配電路的輸入端、第二輸入匹配電路的輸入端、第三輸入匹配電路的輸入端連接，第三輸入匹配電路的輸出端與二分頻器的輸入端連接，二分頻器的輸出端接第三輸出匹配電路的輸入端連接，第二輸入匹配電路的輸出端與三分頻器的輸入端連接，三分頻器的輸出端接第二輸出匹配電路的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的一種功率放大器的實現方法；具體包括以下步驟: 步驟一:射頻信號fo由輸入端輸入，經過第一輸入匹配電路，實現信號的最佳效率傳輸，再由偏置在B類功放芯片放大，在偏置在B類功放芯片輸出端產生放大后的&信號以及二次諧波信號2&和三次諧波信號3f。， 步驟二 信號由第一輸出匹配電路輸出，實現最佳效率傳輸； 步驟三:二次諧波信號由第三輸入匹配電路輸入，經過二分頻器分頻成基波信號fQ，由第三輸出匹配電路反饋到功放管的輸入端； 步驟四:三次諧波信號由第二輸入匹配電路輸入，經過三分頻器分頻成基波信號fo，由第二輸出匹配電路反饋到功放管的輸入端； 步驟五:反饋回來的信號再由偏置在B類功放芯片放大輸出； 步驟六:偏置在B類功放芯片放大輸出信號重復步驟二?步驟五。
【專利摘要】本發明公開了一種功率放大器及其實現方法，裝置部分包括主電路、反饋一路和反饋二路；所述的主電路包括第一輸入匹配電路、第一輸出匹配電路和偏置在B類功放芯片；反饋一路包括第二輸入匹配電路、第二輸出匹配電路和三分頻器；反饋二路包括第三輸入匹配電路、第三輸出匹配電路和二分頻器；發明在偏置在B類功放芯片輸入輸出端分別連接一個二分頻器和三分頻，形成兩個正反饋電路，使功放芯片輸出信號中的二次諧波和三次諧波分別經過分頻器轉化成基波，再反饋到芯片的輸入端，不僅消除了輸出信號中的高次諧波，提了高線性度，而且偏置在B類的功率放大器使電路擁有很高的效率。
【IPC分類】H03F3-20, H03F1-02, H03F1-32, H03F1-26
【公開號】CN104836533
【申請號】CN201510270440
【發明人】程知群, 顏國國, 朱丹丹, 陳帥, 王凱, 范凱凱
【申請人】杭州電子科技大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月25日