[发明专利]一种双级逆D类功率放大电路及射频功率放大器

说明书

本发明适用于射频通信领域，提供了一种双级逆D类功率放大电路及射频功率放大器，该电路包括：与隔直电容连接的输入巴伦；正、负两路驱动级F类放大器，其两输入端分别通过两隔直耦合电容与输入巴伦的两输出端连接；正、负两路放大级逆F类放大器，其两输入端分别通过两电容与正、负两路驱动级F类放大器的两输出端连接；输出巴伦，其两输入端分别通过两电容与正、负两路放大级逆F类放大器的两输出端连接。本发明利用F类驱动逆F类的推挽结构，通过谐波整形技术提升了功率放大器的效率、功率和增益，并且实现从基波到三次谐波阻抗的独立控制，降低设计难度，减少了后期调试的繁冗工作，另外还通过正负双路结构设计进一步提升了功率和增益。

技术领域

本发明属于射频通信领域，尤其涉及一种双级逆D类功率放大电路及射频功率放大器。

背景技术

无线通信业的快速发展，使得人们的生活日益便捷，这导致无线通信系统已经成为了人们不可或缺的一部分。通信技术的不断进步和人类环保意识的不断加强，使得节能减排成为了现今通信系统发展所务必考虑的关键内容。作为无线通信系统最为耗能的射频功率放大器，在收发设备中消耗了85％以上的功率，因此如何提升功率放大器的效率成为了节能减排的核心；同时在发射机信号功率经过多级放大时，末级功率放大器的功率增益也将影响系统的整体工作效率，所以提升末级功率放大器的功率增益也具有重要的意义；再次，为提高发射功率，功率合成技术也一直是放大器设计领域的研究重点问题。所以，实现功率放大器高效率、高功率增益、提高输出功率的指标折衷是一个重要且有价值的工程问题。

逆D类功率放大器是一种开关功率放大器，理想情况下，其效率可以达到100％。逆D类功率放大器结构与推挽B类放大器的结构很接近，结合图1(a)，但它的输出端不是一个宽带的电阻负载，而是RLC并联谐振网络。逆D类放大器包含两只推挽结构的晶体管M1、M2，两个晶体管M1、M2在放大信号时交替工作，前半个周期一个导通另一个截止，后半个周期开关工作状态互换，因此可以看作理想的开关。由于RLC并联谐振网络的存在，该网络两端口的电压应仅有基频成分，即电压应该为理想的正弦信号，从而输出变压器首级线圈两端的电压也为理想的正弦信号，又因为两个晶体管各导通半个周期，则当一个晶体管截止时，其漏极的电压应为半正弦波，而另一个晶体管因为导通，所以漏极电压应为0。通过上面的分析可以得出，每个晶体管上的漏极电流为理想方波，漏极电压为理想的半正弦波，并且其相位差为90°，结合图1(b)，理想情况下每个晶体管上的漏极电压波形和漏极电流波形没有交叠，晶体管上并没有能量损耗，电源功率全部转换为输出功率，理想逆D类功率放大器的漏极效率为100％。受寄生参数的影响，逆D类功率放大器高频下晶体管的开关延时不可忽略，由于晶体管的非理想特性，导致晶体管两端在同一时刻存在非零值的电压和电流，流过晶体管的电流波形和电压波形将出现的重叠区，产生直流功耗。

逆D类功率放大器的晶体管漏极电流为理想方波，漏极电压为理想的半正弦波，这与逆F类功率放大器的输出波形一样。因此逆D类功率放大器可以等效为两路推挽结构的逆F类功率放大器。对于逆F类功率放大器，基波阻抗必须满足最佳基波阻抗匹配，高次谐波抗中必须满足偶次谐波开路，奇次谐波短路。当晶体管输出负载阻抗二次谐波开路、三次谐波短路时，晶体管漏极电流包含一次及三次谐波成分，漏极电压包含一次及二次谐波成分，此时功率放大器可以实现75％的效率。满足偶次谐波开路，奇次谐波短路时，所包含的谐波越高则逆F类功放的效率越高。但是，在实际F类功放电路设计中，由于各次谐波阻抗控制电路之间会相互影响，要想满足所有高阶偶次谐波阻抗开路，所有高阶奇次谐波短路的情况是很难的。一般来说，实际电路设计中往往只考虑到三次谐波阻抗。

近年来，为了实现高效率逆D类射频功率放大器，一般利用并联谐振负载网络实现的逆D类射频功率放大器使效率和工作频率都有待改善，然而目前的设计方案的单级功放的功率增益低，一般只有12dB左右，也没有针对晶体管寄生参数进行电路单独补偿控制，从而导致寄生参量影响放大器的阻抗匹配，同时在进行谐波阻抗设计时，各次谐波阻抗控制电路相互之间会产生影响，因此无法实现对各次谐波阻抗的独立控制，这就大大增加了电路设计者的设计复杂度，需要花费大量的时间进行电路仿真及调试。