本发明属于射频通信技术领域，具体涉及一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路。
背景技术：
先进无线通信中广泛采用复杂高阶调制的信号，高回退效率的射频功放成为必要。
目前，主流的提高功放回退效率的技术途径主要包括如下：一是基于有源负载阻抗调制技术的多尔蒂结构、异相结构；二是基于电源源调制技术的包络跟踪功放、g类功放；三是利用二极管的非线性结电容进行匹配的结构。
其中，多尔蒂和异相两种功放结构中至少包含两个功率放大支路，其基于有源负载阻抗调制有效地提高了回退效率，但是以电路结构复杂度的增加、电路尺寸的增大和产品成本的增加为代价；在电源调制型功放中，其根据信号功率水平对工作电压进行动态调制的方式减小了的功放回退状态的电能消耗，但是其工作机制依赖于专门设计的电源调制电路，其一方面增加了设计复杂度和电路复杂性，另一方面电源调制电路有限的工作带宽限制了功放的工作带宽。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，通过采用响应于输入功率的射频开关控制的可配置负载阻抗匹配，提高射频功放的回退效率；对微波、毫米波放大电路和发射系统的功率效率提升具有积极意义。
本发明采用以下技术方案：
一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，包括功放晶体管，功放晶体管的输入端经输入匹配网络和相位补偿网络后分别与射频信号输入端口和射频检波单元连接，功放晶体管的输出端经人工非线性匹配网络与射频信号输出端口连接；射频检波单元依次经比较判决单元、交叉耦合逻辑反相器和控制信号产生和缓冲单元后分别与人工非线性匹配网络和相位补偿网络连接，通过功率检测和逻辑控制的射频开关对人工非线性匹配网络中元件的连接进行配置。
具体的，人工非线性匹配网络包括基于射频开关控制的可配置无源元件，包括并联型二元可配置电感和串联型二元可配置电感，并联型二元可配置电感中，电感l1和射频开关s1串联连接后与电感l2并联连接；串联型二元可配置电感中，电感l3与并联连接的射频开关s2和电感l4电路串联连接；并联型二元可配置电感和串联型二元可配置电感两种结构通过控制射频开关s1、s2的通断产生任意两种有效电感值。
具体的，人工非线性匹配网络包括基于射频开关控制的可配置无源元件，可配置无源元件包括并联型二元可配置电容和串联型二元可配置电容，并联型二元可配置电容中，电容c1和射频开关s3串联后与电容c2并联连接；串联型二元可配置电容中，电容c4与射频开关s4并联连接后与电容c4串联连接；并联型二元可配置电容和串联型二元可配置电容通过控制其射频开关s3、s4的通断产生任意两种有效电容值。
具体的，相位补偿网络和人工非线性匹配网络的逻辑控制信号通过射频检波单元和比较判决单元产生。
具体的，控制信号产生和缓冲单元为反相器链。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，基于科学设置的逻辑控制策略产生射频开关的导通/关断控制信号，通过射频开关对人工非线性匹配网络中可配置元件的连接进行配置，使射频放大管在两个或多个功率点处获得最佳的负载阻抗，实现射频功放回退效率的增强。
进一步的，通过在匹配网络中设计并联型二元可配置电感和串联型二元可配置电感，为匹配网络提供了元件值可由射频开关配置的电感元件。
进一步的，通过在匹配网络中设计并联型二元可配置电容和串联型二元可配置电容，为匹配网络提供了元件值可由射频开关配置的电容元件。
进一步的，通过在输入匹配网路中设置相位补偿网络，可以实现对输出匹配网络不同配置的相位差别的补偿，使得射频功放具有良好的幅度-相位线性度。
进一步的，通过比较判决单元对射频输入功率检波得到的包络电压与参考电压比较判决产生控制信号。
进一步的，交叉耦合逻辑反相器对比较判决单元生成的控制信号进行整形，产生比较理想的高低电平区分特征的数字控制信号。
进一步的，反相器链缓冲单元的设置有利于减小控制信号的路径延迟。
综上所述，本发明电路可以实现功放晶体管在两个或多个功率点处获得最佳的负载阻抗，为回退效率增强的射频功率放大电路的设计和实现提供了一种单支路、大带宽的方案。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明放大器结构示意图；
图2为基于射频开关控制的单开关可配置电感和电容；
图3为一种人工非线性的π型低通匹配电路；
图4为一种人工非线性的π型低通匹配电路；
图5为一种t型低通网络的相位补偿网络。
其中：100.射频检波单元；101.比较判决单元；102.交叉耦合逻辑反相器；103.控制信号产生和缓冲单元；104.射频信号输入端口；105.射频信号输出端口；200.并联型二元可配置电感；201.串联型二元可配置电感；202.并联型二元可配置电容；203.串联型二元可配置电容。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，采用人工非线性匹配网络进行功放的输出匹配；人工非线性网络是一种基于信号处理和网络动态配置方法，实现端口阻抗与射频注入信号的强弱呈非线性关系特性的匹配网络；通过功率检测和逻辑控制的射频开关对网络中元件的连接进行合理配置实现人工非线性匹配网络的非线性特性，检波电路对输入射频信号进行检波，得到代表信号功率水平的包络信号，包络信号经过比较判决电路的处理结果产生逻辑控制信号，逻辑控制信号控制射频开关对匹配元件的连接进行配置，基于这样的电路结构和工作方式，人工非线性匹配网络中匹配元件的等效值随射频信号功率变化，故而人工非线性匹配网络的阻抗变换特性随射频信号功率变化。
通过对人工非线性匹配网络进行恰当的设计、配置和控制，使射频放大管在两个或多个功率点处获得最佳的负载阻抗，实现射频功放回退效率的增强。其中，逻辑控制信号的产生也可以基于基带信号处理来产生。
请参阅图1，本发明一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，包括射频检波单元100、比较判决单元101、交叉耦合逻辑反相器102、控制信号产生和缓冲单元103、射频信号输入端口104和射频信号输出端口105。
射频信号输入端口104分两路，一路经输入匹配网络imn和相位补偿网络pcn与功放晶体管的输入端连接，功放晶体管的输出端经人工非线性匹配网络an-omn与射频信号输出端口105连接；射频信号输入端口104的另一路与射频检波单元100连接；射频检波单元100对输入射频信号进行检波产生包络信号；比较判决单元101对包络信号和参考电平进行比较判决产生数字控制信号；数字控制信号经比较判决单元101后端连接的交叉耦合逻辑反相器102改善噪声容限；改善噪声容限后的数字控制信号经控制信号产生和缓冲单元103提高控制链路响应速度并进行逻辑调整，最后经射频信号输出端口105输出，控制信号产生和缓冲单元103为反相器链。
射频检波单元100包括晶体管m8，晶体管m8的输入端分两路，一路通过电阻r3连接到栅极偏置，另一路通过电容c6连接到射频输入端或射频输入耦合端，晶体管m8的输出端分两路，一路连接到判决比较单元101，另一路经电阻r4和电容c7并联组成的滤波网络与电源连接。
比较判决单元101采用一个比较器电路，将检波单元100输出的信号与参考信号vref进行比较，产生判决信号，判决信号交叉耦合逻辑反相器102。
交叉耦合逻辑反相器102包括多个基本的交叉耦合逻辑反相器，多个基本的交叉耦合逻辑反相器串联连接，输入端连接到比较判决单元101的输出，输出端连接到缓冲单元103的输入。
控制信号产生和缓冲单元103包括多个反相器链，输入端连接到交叉耦合逻辑反相器102的输出，每个反相器链连接对应的射频开关。
请参阅图2，本发明提出了基于射频开关控制的单开关可配置电感和电容，包括并联型二元可配置电感200，串联型二元可配置电感201、并联型二元可配置电容202和串联型二元可配置电容203，
并联型二元可配置电感200中，电感l1和射频开关s1串联连接后与电感l2并联连接；串联型二元可配置电感201中，电感l3与并联连接的射频开关s2和电感l4电路串联连接；并联型二元可配置电感200和串联型二元可配置电感201两种结构通过控制其射频开关s1、s2的通断产生任意两种有效电感值。
并联型二元可配置电容202中，电容c1和射频开关s3串联后与电容c2并联连接；串联型二元可配置电容203中，电容c4与射频开关s4并联连接后与电容c4串联连接；并联型二元可配置电容202和串联型二元可配置电容203通过控制其射频开关s3、s4的通断产生任意两种有效电容值。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，是基于并联型单开关可配置电感200和并联型单开关可配置电容202组成的一种人工非线性的π型低通匹配电路，基于此结构定义的人工非线性输出匹配网络，针对不同的射频信号功率水平，在科学设置的射频开关控制策略下，其各个匹配元件的参数值可由射频开关的通断控制进行配置以在不同射频功率下都为功率放大器提供支持高效率工作的负载阻抗。
请参阅图4，是基于串联型单开关可配置电感201和串联型单开关可配置电容203组成的一种人工非线性的π型低通匹配电路，基于此结构定义的人工非线性输出匹配网络，针对不同的射频信号功率水平，在科学设置的射频开关控制策略下，其各个匹配元件的参数值可由射频开关的通断控制进行配置以在不同射频功率下都为功率放大器提供支持高效率工作的负载阻抗。
请参阅图5，是基于t型低通网络的相位补偿网络pcn，通过pcn控制逻辑控制器射频开关的通断，实现对功放饱和与回退两种工作状态之间相位差的补偿，除了图5所示的结构，pcn还可以基于其它多种其它结构实现，基于相位补偿网络pcn的设置，实现对输出匹配网络不同配置下的相位差别的补偿，使得射频功放具有良好的幅度-相位线性度。
基于以上电路配置和说明，图1中人工非线性匹配网络an-omn的网络参数对输入信号功率动态响应，因而功放晶体管的负载阻抗随着信号功率动态变化，通过对人工非线性匹配网络an-omn的控制逻辑和元件参数的配置，使其在功放饱和工作和某回退点工作时分别产生两种状态所需的最佳负载阻抗，从而实现功放回退效率和平均效率的提高。
综上所述，本发明一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，基于科学设置的逻辑控制策略产生射频开关的导通/关断控制信号，通过射频开关对人工非线性匹配网络中可配置元件的连接进行配置，使射频放大管在两个或多个功率点处获得最佳的负载阻抗，实现射频功放回退效率的增强。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
1.一种基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，包括功放晶体管，功放晶体管的输入端依次经输入匹配网络和相位补偿网络后分两路，一路与射频信号输入端口(104)连接，另一路与射频检波单元(100)的输入端连接，功放晶体管的输出端经人工非线性匹配网络与射频信号输出端口(105)连接；射频检波单元(100)的输出端依次经比较判决单元(101)和交叉耦合逻辑反相器(102)后与控制信号产生和缓冲单元(103)的输入端连接，控制信号产生和缓冲单元(103)的输出端分别与人工非线性匹配网络和相位补偿网络连接，射频检波单元(100)经比较判决单元(101)后用于产生相位补偿网络和人工非线性匹配网络的逻辑控制信号，通过功率检测和逻辑控制的射频开关对人工非线性匹配网络中元件的连接进行配置。
2.根据权利要求1所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，人工非线性匹配网络包括基于射频开关控制的可配置无源元件，包括并联型二元可配置电感(200)和串联型二元可配置电感(201)，并联型二元可配置电感(200)连接射频开关s1，串联型二元可配置电感(201)连接射频开关s2，通过控制射频开关s1和s2的通断使联型二元可配置电感(200)和串联型二元可配置电感(201)产生任意两种有效电感值。
3.根据权利要求2所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，并联型二元可配置电感(200)中，电感l1和射频开关s1串联连接后与电感l2并联连接；串联型二元可配置电感(201)中，电感l3与并联连接的射频开关s2和电感l4电路串联连接。
4.根据权利要求1所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，人工非线性匹配网络包括基于射频开关控制的可配置无源元件，可配置无源元件包括并联型二元可配置电容(202)和串联型二元可配置电容(203)，并联型二元可配置电容(202)连接射频开关s3，串联型二元可配置电容(203)连接射频开关s4，通过控制射频开关s3和s4的通断使并联型二元可配置电容(202)和串联型二元可配置电容(203)产生任意两种有效电容值。
5.根据权利要求4所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，并联型二元可配置电容(202)中，电容c1和射频开关s3串联后与电容c2并联连接；串联型二元可配置电容(203)中，电容c4与射频开关s4并联连接后与电容c4串联连接。
6.根据权利要求1所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，比较判决单元(101)采用比较器电路，用于将检波单元(100)输出的信号与参考信号vref比较后产生判决信号，并发送至交叉耦合逻辑反相器(102)。
7.根据权利要求1所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，交叉耦合逻辑反相器(102)包括多个基本的交叉耦合逻辑反相器，多个基本的交叉耦合逻辑反相器串联连接。
8.根据权利要求1所述的基于人工非线性匹配网络的射频功率放大电路，其特征在于，控制信号产生和缓冲单元(103)为反相器链。
技术总结