基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放

本发明属于微波与射频功率放大器，尤其涉及一种基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放。

背景技术：

1、随着无线通信系统的不断发展，射频功率放大器作为无线发射机的核心部件，其宽频带、高效率的性能要求持续提升。连续b/j类及连续f/逆f类等连续模式功率放大器通过扩展阻抗设计空间，成为实现宽带高效工作的重要技术手段。为突破传统无源匹配网络的性能局限，有源谐波注入技术被提出并得到持续研究，该技术通过向功放注入谐波信号实现波形精准塑形，相关研究已覆盖极宽带工作、线性度优化、连续工作模式拓展等多个方向，可突破传统连续模式功放的效率极限，具备显著的性能提升潜力。

2、传统连续模式功放高度依赖复杂的无源谐波控制电路，不仅会增大电路体积、升高寄生损耗，还容易引发非线性失真；同时宽带无源匹配网络在处理高、低频段阻抗时通常需要进行性能折中，难以在全频带范围内实现最优效率端接。而现有有源谐波注入电路在工程应用中仍存在两大技术瓶颈：一是系统实现架构复杂，现有方案多依赖双射频源驱动或频率倍增器生成谐波信号，其中频率倍增器存在非线性转换损耗，极大增加了发射机系统的复杂度与实现成本；二是基波能量浪费严重，辅助功放仅作为谐波信号发生单元使用，其产生的大量高能基波分量被滤波网络阻挡或耗散在假负载中，无法传输至最终负载，造成严重的能量损耗，直接制约了功放系统总输出功率与总效率的进一步提升。

3、由此可见，现有宽带高效功率放大器技术中，无源谐波控制方案存在电路复杂度高、寄生损耗大且全频带效率难以达到最优的问题，有源谐波注入方案则存在系统驱动架构复杂、辅助功放基波能量大量浪费的技术瓶颈，均难以在控制系统复杂度与成本的前提下，在宽频带内同时实现高效率与高功率输出的性能提升。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放，采用本功率放大器能够解决现有宽带高效功率放大器技术中，无源谐波控制方案存在电路复杂度高、寄生损耗大且全频带效率难以达到最优的问题，以及解决有源谐波注入方案存在的系统驱动架构复杂、辅助功放基波能量大量浪费的问题；本功率放大器能够在控制系统复杂度与成本的前提下，在宽频带内同时实现高效率与高功率输出的性能提升。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术内容：

3、一种基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放，包括射频输入端口、输入功分器、主放大器电路、辅助放大器电路、谐波分离网络、谐波注入网络和输出功率合成器；

4、所述射频输入端口连接至所述输入功分器的输入端，所述输入功分器的输出端分别连接所述主放大器电路和所述辅助放大器电路的输入端；

5、所述主放大器电路的输出端连接所述输出功率合成器的第一输入端；

6、所述辅助放大器电路的输出端连接所述谐波分离网络的输入端；

7、所述谐波分离网络具有两个输出支路：二次谐波输出支路和基波功率回收支路；其中，所述二次谐波输出支路连接至所述谐波注入网络的输入端，所述谐波注入网络的输出端连接至主放大器电路中主放大器的漏极，用于将相移调整后的二次谐波注入主放大器；所述基波功率回收支路连接至所述输出功率合成器的第二输入端，用于提取辅助放大器电路产生的基波功率并输出至输出功率合成器；

8、所述输出功率合成器用于将主放大器电路输出的基波功率与所述基波功率回收支路输出的基波功率同相合成后输出至负载。

9、进一步地，所述主放大器电路包括主放大器输入匹配网络、主放大器和主放大器输出匹配网络；

10、所述主放大器的栅极通过所述主放大器输入匹配网络连接至所述输入功分器的第一输出端，所述主放大器的漏极连接所述主放大器输出匹配网络的一端，所述主放大器输出匹配网络的另一端连接所述输出功率合成器的第一输入端；

11、所述辅助放大器电路包括辅助放大器输入匹配网络和辅助放大器；所述辅助放大器的栅极通过所述辅助放大器输入匹配网络连接至所述输入功分器的第二输出端，所述辅助放大器的漏极连接所述谐波分离网络的输入端。

12、进一步地，所述基波功率回收支路中串接有辅助放大器输出匹配网络和相位偏移微带线，用于补偿主、辅两路基波信号的相位差，使得两路基波功率在输出功率合成器处实现同相叠加。

13、进一步地，所述谐波分离网络采用微带线网络；所述微带线网络包括分别工作在基波频率和二次谐波频率的四分之一波长微带线，用于实现辅助放大器漏极输出的基波功率与二次谐波功率的物理隔离与无损耗分配。

14、一种基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放的设计方法，用于设计得到上述基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放，包括：

15、引入电压分配比例系数

k，对辅助放大器的漏极电压波形进行数学重构；

16、结合辅助放大器回收基波功率

p1f,a、主放大器基波输出功率

p1f,m、主放大器直流功耗

pdc,m及辅助放大器直流功耗

pdc,a建立包含电压分配比例系数

k的系统总效率解析方程；

17、调节主放大器支路和辅助放大器支路的偏置与匹配网络，使电压分配比例系数

k处于安全工作区间，使得保证主放大器波形塑形效果的同时，实现系统总效率的最大化。

18、进一步地，所述对辅助放大器的漏极电压波形进行数学重构，包括：

19、将辅助放大器偏置在c类工作区域，其漏极电压的时域方程定义为：

20、

21、其中，

vds,a

(θ)为辅助放大器的漏极电压，

θ1和

θ2分别为基波分量与二次谐波分量的相位偏移量；

vdd,a为辅助功放的漏极偏置电压；为基波电压幅度，为二次谐波电压幅度，且满足：

22、

23、其中，

k的取值范围为0<

k<1。

24、进一步地，所述辅助放大器回收基波功率

p1f,a基于辅助放大器分离出的基波功率提取得到，具体表达式为：

25、

26、其中，

α1,a为辅助功放的基波电流傅里叶系数，

imax,a为辅助放大器的最大漏极电流；

27、所述辅助功放用于向主功放注入的二次谐波功率

p2f,a，二次谐波功率的表达式为：

28、

29、其中，

α2,a为辅助功放的二次谐波电流傅里叶系数。

30、进一步地，所述系统总效率解析方程的具体表达式如下：

31、

32、式中，为系统总效率；

33、根据能量守恒原则，辅助放大器分离出的二次谐波功率满足主放大器重构最优波形所需的注入功率：。

34、进一步地，设定所述主放大器处于连续工作模式且输出效率最高时，其各项功率参数作为先决边界条件，具体为：

35、主放大器直流功耗的表达式为：

36、；

37、主放大器基波输出功率的表达式为：

38、；

39、主放大器所需的二次谐波注入功率的表达式为：

40、；

41、其中，

vdd,m为主放大器的漏极偏置电压，

imax,m为主放大器的最大漏极电流。

42、一种发射机，包括上述基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放；

43、所述发射机的射频信号输出端连接至所述基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放的射频输入端口，所述基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放的输出端连接至发射负载，用于输出放大后的射频信号。

44、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

45、本发明提供了一种基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放，通过输入功分器将射频信号分配至主放大器与辅助放大器，并在辅助放大器输出端设置谐波分离网络，将其产生的二次谐波经谐波注入网络相位调整后馈入主放大器漏极，同时将辅助放大器产生的基波功率经基波功率回收支路输送至输出功率合成器，与主放大器基波功率同相合成后共同输出至负载。利用谐波分离网络同时实现谐波注入与基波回收：一方面，有源注入的二次谐波可优化主放大器漏极电压波形，降低其导通角与功耗，从而在全频带内逼近最优效率端接，摆脱对复杂无源谐波控制电路的依赖；另一方面，回收辅助放大器原本被浪费的高能基波分量并参与功率合成，避免了传统有源方案中基波能量耗散于假负载的问题。采用本功率放大器显著简化了系统复杂度、无需双射频源或频率倍增器的前提下，有效抑制了非线性失真与寄生损耗，同时大幅提升了总输出功率与工作效率，实现了宽带高效高功率发射机的紧凑化与低成本化。

46、本发明还提供了一种基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放的设计方法，本方法通过引入电压分配比例系数

k对辅助放大器漏极电压波形进行数学重构，并结合主放大器基波输出功率、直流功耗以及辅助放大器回收基波功率与直流功耗，建立包含

k的系统总效率解析方程；随后通过调节主、辅放大器支路的偏置与匹配网络，使

k稳定在安全工作区间内。数学重构能够精确量化辅助放大器在产生二次谐波与回收基波时的电压分配关系，从而在解析模型中同步优化谐波注入对主放大器波形塑形的增强作用与基波回收带来的额外功率贡献；通过约束

k的安全区间，既保证了主放大器获得充分的谐波注入以改善效率，又避免了辅助放大器因电压应力过大而损坏。本方法有效摆脱了传统设计依赖经验试凑的局限性，实现了系统总效率的理论指导最优化，在简化调试流程的同时，兼顾了谐波注入效果与基波能量回收效率，从而在宽频带内以低复杂度达成高效率与高功率输出的综合性能提升。

47、本发明还提供了一种发射机，将上述基于基波回收与单端驱动的有源谐波注入宽带高效功放集成于系统中，射频信号从功放的射频输入端口输入，经内部放大后由输出端直接驱动发射负载。依托于功放内部的核心架构：辅助放大器产生的二次谐波经谐波注入网络相位调整后注入主放大器漏极，优化其电压波形以提升效率，同时基波功率回收支路将辅助放大器原本浪费的基波能量提取并与主放大器基波同相合成，共同输出至负载。这一设计使发射机无需依赖复杂的无源谐波控制电路或双射频源驱动架构，即可在全频带内实现高效端接与高功率合成。本发射机在保持系统简洁性与低成本的前提下，显著降低了寄生损耗与非线性失真，大幅提升了总输出功率与工作效率，尤其适用于宽带、高效率、高功率通信系统的实际工程部署。