[发明专利]一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法

说明书

本发明公开了一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法，通过利用多级T形网络进行设计，在不增加电路复杂度的前提下，给工程人员提供更多的设计自由度，在限定的带内增益平坦度范围内以达到更优的谐波抑制能力，实现功放效率提升的目的。

技术领域

本发明涉及射频集成电路的技术领域，尤其涉及到一种具有高谐波抑制功能的输出阻抗匹配网络设计方法。

背景技术

射频功率放大器(Radio Frequency Power Amplifier，RFPA)位于通信系统中发射机的末端，其作用是将调制振荡电路所产生的小功率射频信号进行多级放大，当满足输出功率指标要求后，方可馈送至天线并辐射出去。因此，作为通信系统中的核心功能模块之一，功率放大器将直接影响到设备的通信质量、工作带宽、电池续航等重要指标。在现今庞大的手持移动终端市场中，由于功放相比收发机中的其他组件耗能更大，其效率的高低往往决定了设备的续航时间，也就间接影响了用户体验，所以，提升效率是功放产品研究的一个热点，也契合节能环保可持续发展的新时代理念。

由功率守恒可知，放大器总的输出功率等于输出端基波与各次谐波功率的总和，再加上晶体管内部的热耗。若要使得功放的效率最大化，就应尽可能提高分配到负载的基波功率，减小无用的高阶谐波成分以及晶体管的内损。因晶体管自身存在众多的寄生参数，且它们会随着工作环境的改变而改变，故针对内损功率的改善方案一般较难达到理想的效果。相比而言，通过合理设计输出阻抗匹配网络便能实现高谐波抑制的目的，同时将标准50Ω负载匹配到满足特定性能的最佳阻抗；为保持一定的带宽，传统上我们利用多级下变换低通L形网络进行构造。

为便于分析，先对单节L形(双元件)网络进行必要的说明：

如图1所示，虚框内插入的L形匹配电路能将负载R_L向下转化为源阻抗R_S，并联的电容可减小R_L的值，起到窄带阻抗变换器的作用；串联的电感则抵消并-串转换后产生的容抗，这样便在源端看到一个小值纯电阻R_s。

阻抗变换率q定义为：且存在如下关系：Q＝q；

其中，Q为匹配网络的品质因子，X_n为相应元件的阻抗。为实现谐波抑制功能，通常在并联的电容支路上串接一个小电感，其与电容共同谐振在指定的谐波频率处，使对应谐波短路到地，从而避免在负载上产生无用的实功率，以此提升效率；由于外加的串联电感改变了原来匹配网络的频响特性，为补偿频率的偏移，通过简单的计算重新设计LC谐振陷波电路以维持原始的匹配状态，方法如下：

其中，C_eq为LC串联电路在基波频率ω₀下的等效电容，ω_r为谐波频率，基波频率＝中心频率，ω₀＝2πf₀。

具有2、3、5次谐波抑制功能的完整多节L形匹配网络设计如图2所示。

传统的高谐波抑制匹配方法简单易用，并可先通过史密斯圆图解法或初步的演算对网络中的元件进行赋值以观察效果，后期再替换成实际有耗元件并结合仿真做最后的优化调谐；由于具有清晰的流程和准确的初值设置特点，前述步骤还能演变成高效的计算机程序化处理，这能节省不少设计时间。

但针对特定应用的输出阻抗匹配网络，往往需要在阻抗变换比、带外谐波抑制、网络的传输损耗(插损)以及所占用的面积等多个参量间进行折中考虑，而L形匹配只能指定中心频率、阻抗匹配比率和Q值(带宽)中的两个，设计自由度的不足使其难以适用于愈发复杂高效的宽带多模多频通信系统。带宽(BW，bandwidth)＝中心频率f₀/品质因子Q。