[发明专利]一种高效率双频带F类功率放大器

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信功放技术领域，尤其涉及高效率的双频带F类功率放大器。

背景技术

目前，随着移动通信系统的进一步发展，高效率多带功率放大器会成为未来多标准多带通信终端的关键构成部分。同时，射频功率放大器是无线发射终端中耗能最大的模块。所以，高效率多带功率放大器的设计已成为功放研究领域的热点。而高效率双频带功率放大器是其中最基本的一类。

F类功率放大器因其理想工作效率能够达到100％而受到了大量的关注。一般的单带F类功率放大器由依次相连的晶体管、谐波控制电路和输出基波阻抗匹配电路几个模块构成。对单带F类功率放大器而言，谐波控制电路将信号的偶次谐波匹配到晶体管的漏极端呈短路状态，将奇次谐波匹配到晶体管的漏极端呈开路状态。从而使漏极端电流表现为半正弦波形式，而电压则为方波形式，且在理想情况下，电压与电流在时间上无重叠区域。这样，理想的F类功率放大器便能实现100％的工作效率。实际的F类功率放大器设计中，一般只考虑二次谐波和三次谐波。

所以，为了满足双频带功率放大器的高效率要求，结合F类功率放大器的设计原则，高效率双频带F类功率放大器的设计成为一个热门的研究领域。

传统的双频带F类功率放大器的基本原理框图，如图1所示。它的输出端由低频带谐波控制电路、高频带谐波控制电路、双频带基波阻抗匹配电路和双频带直流偏置电路构成。其中，低频带谐波控制电路和高频带谐波控制电路均由两个L型结构的传输线构成。对低频带谐波控制电路，传输线TL2和传输线TL4分别用于提供低频带二次谐波和三次谐波的短路。类似的，对高频带谐波控制电路，传输线TL6和传输线TL8分别提供了高频带二次谐波和三次谐波的短路。从而，依次调节传输线TL1，TL3，TL5，TL7的电长度，便可分别实现晶体管漏极端低频带二次谐波短路、三次谐波开路、高频带二次谐波短路和三次谐波开路的F类功率放大器的阻抗条件。双频带基波阻抗匹配电路用于低频带基波和高频带基波的阻抗匹配，以实现最大化的功率传输。

相比较单带F类功率放大器，双频带F类功率放大器由于要实现两个频带的谐波控制，其电路复杂度大大增加了，这样便增加了功率的损耗，从而使得电路的效率也随之恶化。

另一方面，在实际情况中，晶体管本身的寄生分量引起的效应会破坏二次谐波对应的短路状态和三次谐波对应的开路状态，从而影响F类功率放大器的工作效率。

因此，在考虑寄生分量的前提下，减小双频带F类功率放大器的电路复杂度，降低功率损耗，提升功放的工作效率，是一个非常重要的问题。

近年来，双频带F类功放的研究处于刚刚起步的阶段。文献[1]，[2]提出了两种基于单频带F类功率放大器的双频带F功率放大器的设计技术，但是谐波控制网络都相对比较复杂，因此在两个工作频带内的功率附加效率(PAE)都相对较低，另外一方面，对如何在双频带内补偿带封装的晶体管的寄生参数没有讨论。文献[3]提出了一种在单片微波集成电路中实现单频带F和多频带F类功率放大器的谐波控制方案，虽然提及对晶体管的寄生参数的补偿方案，但是这种方法也只是适用于MMIC的设计中，对带封装的晶体管的功率放大器设计，此种方案具有很大的局限性。

参考文献：

[1]R.Negra,A.Sadeve,S.Bensmida,and F.M.Ghannouchi,“Concurrent dual-band class-F load coupling network for applications at 1.7 and 2.14 GHz,”IEEE Trans.Circuits Syst.II,Exp.Briefs,vol.55,no.3,pp.259–263,Mar.2008。

[2]P.Colantonio,F.Giannini,and R.Giofre,“A design technique for concurrent dual-band harmonic tuned power amplifer,”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.56,no.11,pp.2545–2555,Nov.2008。