功率放大電路、射頻發射機及基站設備的製作方法

2023-09-12 14:34:00

專利名稱：功率放大電路、射頻發射機及基站設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子通信領域，尤其涉及一種功率放大電路、射頻發射機及基站設備。

背景技術：
隨著通信行業不斷發展，人們對通信技術寄予了更高的期望，提出了更高的要求。不斷提高通信系統，特別是無線通信系統中收發機的效率，降低其功耗成為無線通信技術的一個主要研究方向。然而無線收發機的最後一級，即功率放大器，其功耗佔到了整個系統功耗的60％以上，若能有效地提高功率放大器的效率則必然使整個系統的性能得到很大的改善。在1975年，Sokal提出了E類功率放大器模型，E類功率放大電路中合理的負載網絡使電晶體集電極(輸出端)電壓與集電極電流不會同時出現，即集電極耗散功率為零，電晶體在工作過程中不消耗直流能量(電晶體為功率放大管的一種，這裡也可以由其它功率放大管如場效應管等代替此處的電晶體，此時功率放大管的輸出端為漏極)，所以理想的E類功率放大器工作效率為100％，具有高效特性的E類功率放大器成為目前國際上功放研究的熱點之一。
在設計功率放大電路時，一般需要考慮電晶體集電極的擊穿電壓，傳統的E類功率放大器中電晶體的集電極的峰值電壓Vsmax與直流供電電壓Vcc存在以下關係Vsmax≈3.56Vcc，它表明電晶體工作於理想E類功放狀態時，集電極電壓會達到電源Vcc電壓的3.56倍，這對電晶體集電極的耐壓能力要求很高，使得輸出的功率範圍有很大的局限性，給實際的設計與實現增加了限制條件，即在負載取值固定時，E類功放的輸出能力有所限制，或者當輸出功率固定時，E類功放對負載取值條件有所限制，增加了匹配網絡設計難度，因此如何降低電晶體集電極工作時的峰值電壓Vsmax是人們一直關注的問題。


發明內容
本發明實施例在於提供一種功率放大電路、射頻發射機及基站設備，降低傳統E類功放工作時的集電極峰值電壓，提高傳統E類功放的性能，從而使E類功放的實現獲得更寬鬆的設計條件。
為了達到上述技術效果，本發明實施例提出了一種功率放大電路，其包括功率放大管，所述功率放大管的輸出端與至少三個分支電路連接， 其中，與所述功率放大管的輸出端連接的第一分支電路包括第一電感，所述第一電感的一端與所述功率放大管輸出端的連接，所述第一電感的另一端用於連接電源； 與所述功率放大管的輸出端連接的第二分支電路包括第一選頻網絡、第一電容和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第一選頻網絡另一端與第一電容的一端連接組成串聯電路，所述第一電容的另一端接地，所述第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接； 與所述功率放大管的輸出端連接的第三分支電路包括第三選頻網絡，所述第三選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第三選頻網絡的另一端用於連接負載； 所述第一選頻網絡用於阻止諧波電流通過，導通基波電流； 所述第二選頻網絡用於阻止基波電流通過，導通諧波電流； 所述第三選頻網絡用於濾除諧波成分，導通基頻信號。
相應地，本發明實施例還公開了一種射頻發射機，包括功率放大電路，所述功率放大電路包括功率放大管，所述功率放大管的輸出端與至少有三個分支電路連接， 其中，與所述功率放大管的輸出端連接的第一分支電路包括第一電感，所述第一電感的一端與所述功率放大管輸出端的連接，所述第一電感的另一端用於連接電源； 與所述功率放大管的輸出端連接的第二分支電路包括第一選頻網絡、第一電容和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第一選頻網絡另一端與第一電容的一端連接組成串聯電路，所述第一電容的另一端接地，所述第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接； 與所述功率放大管的輸出端連接的第三分支電路包括第三選頻網絡，所述第三選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第三選頻網絡的另一端用於連接負載； 所述第一選頻網絡用於阻止諧波電流通過，導通基波電流； 所述第二選頻網絡用於阻止基波電流通過，導通諧波電流； 所述第三選頻網絡用於濾除諧波成分，導通基頻信號。
相應地，本發明實施例還提供了一種基站設備，其包括射頻發射機，所述射頻發射機包括功率放大電路，所述功率放大電路包括功率放大管，所述功率放大管的輸出端與至少有三個分支電路連接， 其中，與所述功率放大管的輸出端連接的第一分支電路包括第一電感，所述第一電感的一端與所述功率放大管輸出端的連接，所述第一電感的另一端用於連接電源； 與所述功率放大管的輸出端連接的第二分支電路包括第一選頻網絡、第一電容和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第一選頻網絡另一端與第一電容的一端連接組成串聯電路，所述第一電容的另一端接地，所述第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接； 與所述功率放大管的輸出端連接的第三分支電路包括第三選頻網絡，所述第三選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第三選頻網絡的另一端用於連接負載； 所述第一選頻網絡用於阻止諧波電流通過，導通基波電流； 所述第二選頻網絡用於阻止基波電流通過，導通諧波電流； 所述第三選頻網絡用於濾除諧波成分，導通基頻信號。
實施本發明實施例，通過基波電流導通網絡以及諧波電流旁路網絡，確保電路中只有基波和直流電流對並聯電容充電，從而降低傳統E類功放工作時的集電極峰值電壓，使E類功放的實現獲得更寬鬆的設計條件，優化了傳統E類功放的性能。



圖1是本發明實施例的功率放大電路的結構示意圖； 圖2是本發明實施例的功率放大電路理論分析時等效電路圖； 圖3是本發明實施例的第一選頻網絡的電路結構示意圖； 圖4是本發明實施例的第二選頻的電路結構示意圖； 圖5是本發明實施例的射頻發射機的結構示意圖。

具體實施例方式 本發明實施例提供了一種功率放大電路、射頻發射機及基站設備，降低傳統E類功放工作時的集電極峰值電壓，提高了功放的性能，從而使E類功放的實現獲得更寬鬆的設計條件。
下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。
參考圖1，示出了本發明實施例的一種功率放大電路的結構，所述功率放大電路包括功率放大管T，所述功率放大管的輸出端與至少三個分支電路(如圖1所示的Q1、Q2、Q3)連接， 其中，與所述功率放大管T的輸出端連接的第一分支電路Q1包括第一電感L1，所述第一電感L1的一端與所述功率放大管T的輸出端的連接，所述第一電感L1的另一端用於連接電源Vcc； 與所述功率放大管T的輸出端連接的第二分支電路Q2包括第一選頻網絡、第一電容C1和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管T的輸出端連接，所述第一選頻網絡另一端與第一電容C1的一端連接組成串聯電路，所述第一電容C1的另一端接地，所述第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接； 與所述功率放大管T的輸出端連接的第三分支電路Q3包括第三選頻網絡，所述第三選頻網絡的一端與所述功率放大管T的輸出端連接，所述第三選頻網絡的另一端用於連接負載； 所述第一選頻網絡用於阻止諧波電流通過，導通基波電流； 所述第二選頻網絡用於阻止基波電流通過，導通諧波電流； 所述第三選頻網絡用於濾除諧波成分，導通基頻信號。
需要說明的是，在具體實施時，所述功率放大管T可以為具有開關功能的器件，如電晶體或模擬開關或場效應管。
在具體實施時，功率放大管為NPN型電晶體時，其輸出端為集電極；功率放大管為PNP型電晶體時，其輸出端為發射極；功率放大管為N溝道型場效應管時，其輸出端為漏極；功率放大管為P溝道型場效應管時，其輸出端為源極。
請參閱圖2，為了便於理解，在理論分析中，忽略功率放大管的內部參數，將圖1所述功率放大管T等效為開關K，將圖1所述第一電容C1和功率放大管的分布電容、輸入電容等效為並聯電容Cp，其中，所述第三選頻網絡主要由第五電容Cs1和第五電感串聯構成，為了便於分析，所述第五電感可以等效為由第六電感Ls1與剩餘電感Lx串聯連接而成，剩餘電感Lx的另一端與負載R的一端連接，負載R的另一端接地。
當信號源輸入激勵信號，來控制功率放大管的導通或截止，相當於控制圖2中開關K的閉合或斷開，其開關頻率即為激勵信號的基波頻率；第一電感L1(如高頻扼流圈)對交流信號呈現很大的阻抗，使得開關K的斷開或閉合時電源Vcc提供的電流都不會發生劇烈的變化，即電源Vcc提供的電流是穩定的直流電流，這是進行該模型理論推導時的一個前提假設；並聯電容Cp在功率放大管截止時充電，在功率放大管導通時放電，基波電流導通網絡與諧波電流旁路網絡用於控制並聯電容Cp的充電電流，基波電流導通網絡在基波處提供低阻抗，使得基波電流能夠通過，諧波電流旁路網絡在基波處提供高阻抗，在諧波處提供低阻抗，使得諧波電流旁路，即使用該兩個網絡可確保只有基波與直流電流對並聯電容Cp進行充電，並聯電容Cp可以調整集電極的電壓波形，使集電極電壓在功率放大管截止時延遲上升，避免與集電極電流的拖尾重合；集電極電壓在負載R的作用下成為含有基頻成分的類正弦波，主要由第三選頻網絡濾除其它諧波成分，讓基頻信號通過，使得輸出到負載R端的信號為頻率為基頻的正弦信號，所述輸出的正弦信號的幅度直接與電源Vcc電壓聯繫在一起，調整電源Vcc電壓便可得到相應的放大效果。在工作過程中，集電極電壓與集電極電流交替出現，使得集電極上無功率損耗，電源的直流能量直接轉變為交流能量。
具體地，請參閱圖3，圖3示出了本發明實施例的第一選頻網絡的電路結構示意圖，是主要由第二電容Cs2和第二電感Ls2串聯構成，所述第一選頻網絡對基波電流呈現低阻抗，對諧波電流呈現高阻抗，阻止諧波通過，可以允許基波電流通過。
在本發明實施例中，可以利用所述第二電感Ls2的一端作為所述第一選頻網絡的輸入端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第二電容Cs2的相對與所述第二電感Ls2連接的另一端作為所述第一選頻網絡的輸出端，與第一電容C1連接； 或者，利用所述第二電容Cs2的一端作為所述第一選頻網絡的輸入端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第二電感Ls2的相對與所述第二電容Cs2連接的另一端作為所述第一選頻網絡的輸出端，與第一電容C1連接。
具體地，請參閱圖4，圖4示出了本發明實施例的第二選頻網絡的電路結構示意圖，包括第三電容Cm、第三電感Lm和第四電容Cblock，第三電容Cm和第三電感Lm構成的並聯諧振電路與第四電容Cblock的連接，所述第二選頻網絡對基波電流呈現高阻抗，對諧波電流呈現低阻抗，使得諧波電流短路，而第四電容Cblock避免了直流短路。
在本發明實施例中，可以利用所述並聯諧振電路的一端作為所述第二選頻網絡的輸入端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第四電容Cblock的相對與所述並聯諧振電路連接的另一端作為所述第二選頻網絡的輸出端接地； 或者，利用所述第四電容Cblock的一端作為所述第二選頻網絡的輸入端與所述功率放大管的輸出端連接，所述並聯諧振電路的相對與所述第四電容Cblock連接的另一端作為所述第二選頻網絡的輸出端接地。
通過上述實施例，第一選頻網絡以及第二選頻網絡確保了電路中只有基波和直流電流對並聯電容充電，從而降低傳統E類功放工作時的集電極峰值電壓，使E類功放的實現獲得更寬鬆的設計條件，優化了傳統E類功放的性能。下面結合數學理論來分析驗證本發明實施例中的E類功率放大器的性能的提高。
本發明的數學理論分析如下 設流過負載的電流為Io，剩餘電感上的電壓為vx(θ) 其中Vo為輸出電壓，R為負載。
則根據KVL可得下式 其中，X為剩餘電感Lx的感抗， 在開關K截止的時候，對並聯電容Cp充電的總電流為 其為中，Idc為流過第一分支Q1直流電流，對公式(3)所表示的並聯電容Cp充電電流進行傅立葉級數的三角形式分解，可得其直流、基波和各諧波成分 直流成分 基波成分 當n＞2時，即二次或二次以上的諧波，由下式表達

上式中y為導通角，當驅動信號的佔空比為0.5時，將代入式(5)、(6)，則得到基波充電的電流 直流成分 充電電流(包含直流和基波)的表達式 利用該電流對並聯電容Cp進行充電後的電壓為 其中B＝ωCp，對該電壓進行傅立葉分解，可得其基波電壓成分 將V1＝ρVo，那麼代入(14)，可得 另一方面，由(1)式可知，輸出電流沒有餘弦成分，那麼 故可得 同樣可以得到集電極電壓的直流分量為 由公式(17)Vo＝IdcRg，代入公式(18) 其中，Rdc為第一分支上的直流等效阻抗，將公式(17)代入公式(13)，可得 為得到集電極電壓的最大值，令即 由E類放大器ZVS(零電壓切換)的條件， 可得 由E類放大器ZVDS(零電壓導數切換)的條件 將公式(19)、(23)，代入公式(24)，可得 由E類放大器的效率為100％的條件，可得出如下關係 將公式(26)代入公式(24)可得 由公式(17)式及φ1＝φ+ψ，展開後可得到ψ的表達式 令ξ＝0，則E類功放的一些關鍵參數可以求得 輸出電壓 由式(21)可得集電極峰值電壓出現的角度為θmax＝1.13347代入公式(20)可得峰值電壓為vmax＝3.15018Vcc 將以上分析結果與傳統的E類功放參數對比，如下表所示。
通過上表的對比可以看出，本發明的E類功放與傳統的E類功放相比，具有如下優點 在相同的負載條件下，輸出電壓提高了30.6％，使得電壓輸出能力得到提高，同時集電極峰值電壓降低了11.56％，這使得器件安全性得到提升，也為功放管的選擇放寬了限制條件；在相同功率條件下，負載電阻可以提高，降低了輸出匹配網絡的設計難度。
請參閱圖5，圖5示出了本發明實施例的射頻發射機的結構示意圖，包括一E類功率放大器11，所述E類功率放大器具有上述實施例所描述的功率放大電路，這裡不再贅述。
相應地，本發明實施例還提出了一種基站設備，具有圖5所述實施例的射頻發射機，這裡不再贅述。
綜上所述，實施本發明實施例，通過兩個對基頻成分有著不同作用的諧振網絡，基波電流導通網絡以及諧波電流旁路網絡，確保電路中只有基波和直流電流對並聯電容充電，從而降低傳統E類功放工作時的集電極峰值電壓，使E類功放的實現獲得更寬鬆的設計條件，優化了傳統E類功放的性能。
以上所揭露的僅為本發明實施例中的一種較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。
權利要求
1、一種功率放大電路，其特徵在於，包括功率放大管，所述功率放大管的輸出端與至少三個分支電路連接，
其中，與所述功率放大管的輸出端連接的第一分支電路包括第一電感，所述第一電感的一端與所述功率放大管輸出端的連接，所述第一電感的另一端用於連接電源；
與所述功率放大管的輸出端連接的第二分支電路包括第一選頻網絡、第一電容和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第一選頻網絡另一端與第一電容的一端連接組成串聯電路，所述第一電容的另一端接地，所述第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接；
與所述功率放大管的輸出端連接的第三分支電路包括第三選頻網絡，所述第三選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第三選頻網絡的另一端用於連接負載；
所述第一選頻網絡用於阻止諧波電流通過，導通基波電流；
所述第二選頻網絡用於阻止基波電流通過，導通諧波電流；
所述第三選頻網絡用於濾除諧波成分，導通基頻信號。
2如權利要求1所述的功率放大電路，其特徵在於，所述第一選頻網絡由第二電容和第二電感串聯構成。
3、如權利要求1所述的功率放大電路，其特徵在於，所述第二選頻網絡包括第三電容、第三電感、第四電容，所述第三電容和第三電感並聯構成諧振電路，所述諧振電路一端與所述第四電容連接。
4、如權利要求1所述的功率放大電路，其特徵在於，所述第三選頻網絡由第五電容和第五電感串聯構成。
5、如權利要求1至5任意一項所述的功率放大電路，其特徵在於，所述功率放大管為電晶體或模擬開關或場效應管。
6、一種射頻發射機，其特徵在於，包括功率放大電路，所述功率放大電路包括功率放大管，所述功率放大管的輸出端與至少有三個分支電路連接，
其中，與所述功率放大管的輸出端連接的第一分支電路包括第一電感，所述第一電感的一端與所述功率放大管輸出端的連接，所述第一電感的另一端用於連接電源；
與所述功率放大管的輸出端連接的第二分支電路包括第一選頻網絡、第一電容和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第一選頻網絡另一端與第一電容的一端連接組成串聯電路，所述第一電容的另一端接地，所述第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接；
與所述功率放大管的輸出端連接的第三分支電路包括第三選頻網絡，所述第三選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，所述第三選頻網絡的另一端用於連接負載；
所述第一選頻網絡用於阻止諧波電流通過，導通基波電流；
所述第二選頻網絡用於阻止基波電流通過，導通諧波電流；
所述第三選頻網絡用於濾除諧波成分，導通基頻信號。
7、如權利要求6所述的射頻發射機，其特徵在於，所述第一選頻網絡為主要由第二電容和第二電感串聯構成。
8、如權利要求6所述的射頻發射機，其特徵在於，所述第二選頻網絡包括第三電容、第三電感、第四電容，所述第三電容和第三電感並聯構成諧振電路，所述諧振電路一端與所述第四電容連接。
9、如權利要求6所述的射頻發射機，其特徵在於，所述第三選頻網絡由第五電容和第五電感串聯構成。
10、一種基站設備，其特徵在於，包括如權利要求6至9任意一項所述的射頻發射機。
全文摘要
本發明公開了一種功率放大電路，其功率放大管的輸出端與至少三個分支電路連接，其中，第一分支電路包括第一電感，其一端與所述功率放大管輸出端的連接，另一端用於連接電源；第二分支電路包括第一選頻網絡、第一電容和第二選頻網絡，其中，所述第一選頻網絡的一端與所述功率放大管的輸出端連接，另一端與第一電容的一端連接組成串聯電路，所述第一電容的另一端接地，第二選頻網絡與所述串聯電路並聯連接；第三分支電路包括第三選頻網絡，其一端與所述功率放大管的輸出端連接，另一端用於連接負載；相應地，本發明還公開了一種射頻發射機及基站設備，通過實施本發明，降低傳統E類功放工作時的集電極峰值電壓，提高了功放的性能。
文檔編號H03F3/20GK101304239SQ200810029038
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月26日 優先權日2008年6月26日
發明者何松柏, 飛 遊, 韜 曹, 殷為民, 張希坤, 軍 曾 申請人:華為技術有限公司