[发明专利]一种宽带射频功放设计方法及5G低频段射频功放

说明书

本发明公开了一种宽带射频功放设计方法及5G低频段射频功放，基于传统谐波控制技术，在保证宽带射频功放高效率的同时借助ADS仿真软件，对宽带射频功放的基波阻抗设计空间和高次谐波阻抗设计空间进行扫描，找出能在工作带宽范围内实现高效工作的基波阻抗最优设计空间和高次谐波阻抗最优设计空间，实现宽带谐波控制网络的设计。鉴于输入谐波控制网络对射频功放性能提升有限，直接采用ADS源牵引系统牵引出晶体管输入端最优基波阻抗，并将其匹配至50欧姆实现输入匹配网络的设计，简化了电路设计复杂度；优点是设计得到的宽带射频功放在具有高效率的基础上，同时具有较宽的工作带宽，满足现代无线通信系统宽频带、多模式并存、多频段的需求。

技术领域

本发明涉及一种射频功放技术，尤其是涉及一种宽带射频功放设计方法及采用此设计方法设计的5G低频段射频功放。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，现代无线通信系统迎来了宽频带、多模式和多频段并存的问题。传统的无线通信系统直流功率转换效率过低，直流损耗严重，与现代绿色无线通信的理念不符。在民用无线通信领域，无线通信系统被划分为多种无线通信标准，各个无线通信标准又同时含有多个不同的工作频段，工作频段划分日益复杂，通信标准也日益繁多。当前常见的无线通信标准有全球移动通信系统GSM、宽带码分多址WCDMA、长期演进LTE和全球微波互联网接入WiMAX以及当下被各界广泛关注的5G通信技术等。全球移动通信系统GSM包括850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz等通信频段；宽带码分复用WCDMA则包括900MHz、1700MHz和1900MHz等通信频段；而在近年来大规模商用的4G牌照中，中国移动获得了1880-1900MHz、2320-2370MHz和2575-2635MHz三个通信频段，中国联通包括2300-2320MHz和2555-2575MHz两个通信频段，中国电信则被分配了包括2370-2390MHz和2635-2655MHz在内的40M带宽的频谱资源。然而，由于信息时代数据激增，4G通信系统将很快无法满足数据通信的需求，在未来十年内无线通信网络的数据传输量会急剧增长，其增长量甚至超过当今数据传输量的100倍，为应对急速增长的数据流量，各国对5G通信技术的研究和试商用急剧升温，中国在2019年6月6日正式向中国移动、中国电信、中国联通及中国广电发放了4张5G商用牌照，标志着我国正式进入5G商用元年。对于5G通信系统，其低频段(Sub-6G)的单载波信号带宽将至少为160MHz，而其高频段(毫米波频段)带宽甚至可达1.2GHz。从前期5G试验网的情况可以发现，5G大规模商用的最大瓶颈问题是基站功耗太大，如果无法有效地降低基站功耗，5G的能耗费用将成为运营商的重大经济负担，将严重制约5G的大规模商用。射频功放(射频功率放大器)是无线通信基站中耗能最大的核心射频器件，因此对适合于5G系统的高效率宽频带射频功放的研究具有极为重要的意义。为满足全球各地运营商宽带、多模式和多频段并存的需求，要求无线通信系统具备宽带和高效的特性，能在宽带范围内同时覆盖多个通信模式。而在军事领域中，随着军事技术的不断更新、发展，现代作战系统变的日益复杂，对信息传输速率、准确度要求越来越高。这要求无线通信系统能够在非常宽的频率范围内稳定高效地工作。而射频功放作为无线通信系统最为重要的射频器件之一，其性能直接影响着整个无线通信系统指标的好坏。

目前，国内外对高效率射频功放的研究主要集中在开关类和谐波控制类射频功放。开关类射频功放包括D类、E类等，输入信号驱动晶体管工作在开关状态，使晶体管漏极电压、电流在一个周期内不发生交叠，功率管不产生额外的能量损耗，从而实现射频功放很高的直流转换效率。但是，现有的开关类射频功放的设计方法中为实现对高次谐波的抑制，必须加上LC选频网络进行射频信号输出，由此导致设计得到的射频功放工作带宽很窄。而谐波控制类射频功放则包括F类、逆F类等，该类射频功放通过特定比例的谐波电压或电流分量来调控晶体管漏极电压或电流波形，对晶体管漏极电压和电流进行“塑形”，使其漏极电压与电流交替出现，从而实现很高的直流转换效率。但在，现有的谐波控制类射频功放的设计方法中需要对高次谐波进行严格的控制，因而谐波控制类射频功放阻抗最优设计空间很小，最终导致谐波控制类射频功放带宽仍然很窄。