一种功率放大器及无线发射器

本申请要求于2023年03月28日提交国家知识产权局、申请号为202310350353.3、申请名称为“一种功率放大器及无线发射器”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及放大器领域，尤其涉及一种功率放大器及无线发射器。

背景技术

现有的射频功率放大器通常为差分结构，而天线通常为单端结构，因此需要在射频功率放大器和天线之间连接匹配网络来实现射频功率放大器与天线之间的匹配，使得差分结构的射频功率放大器能够输出最大功率到天线。

但是，由于匹配网络的输出侧有两个端口，一个端口连接天线，另一个端口接地，而接地端存在不理想效应，这将影响射频功率放大器输出到天线的功率，无法使得射频功率放大器的输出功率最大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种功率放大器及无线发射器，能够改善功率放大器的输出功率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：

一种功率放大器，包括功率器件和匹配网络，所述功率器件的输出端与所述匹配网络的输入端连接，所述匹配网络的输入端包括两个输入端口，还包括匹配电容；

所述匹配电容串联在所述匹配网络上，使得所述匹配网络的所述两个输入端口的阻抗相差在预设范围内。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

一种无线发射器，包括上述功率放大器

本发明的有益效果在于：通过在匹配网络上串联匹配电容，使得匹配网络的两个输入端口的阻抗相差在预设范围内，这样在匹配网络的输入端的两个输入端口就能够获得一致的阻抗，从而就能够使得功率放大器输出的功率最大化，实现功率放大器与天线之间的真正匹配；通过创新性地发现匹配网络的接地端存在不理想效应会导致匹配网络的输入端的两个输入端口看到不一致的阻抗，从而导致功率放大器无法输出最大功率，在匹配网络上串联匹配电容，使得匹配网络的输入端的两个输入端口看到一致的阻抗得，从而大大改善了功率放大器的输出功率。

附图说明

图1为本发明实施例的一种功率放大器的电路结构图；

图2为本发明实施例的一种无线发射器的电路结构图；

图3为本发明实施例的一种功率放大器中匹配网络的一种实现方式的电路结构图；

图4为本发明实施例的一种功率放大器的一种实现方式的等效电路图；

图5为本发明实施例的一种功率放大器的另一种实现方式的电路结构图；

图6为本发明实施例的一种功率放大器的另一种实现方式的等效电路图；

图7为本发明实施例的一种功率放大器的另一种实现方式的电路结构图；

图8为本发明实施例的一种功率放大器的另一种实现方式的电路结构图；

图9为本发明实施例的一种功率放大器的另一种实现方式的电路结构图；

图10为本发明实施例的一种功率放大器的匹配电容的一种实现方式的电路结构图；

图11为现有技术中功率放大器中变压器一次侧所观测到的阻抗的仿真结果图；

图12为本发明实施例的一种功率放大器中变压器一次侧所观测到的阻抗的仿真结果图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图12，一种功率放大器，包括功率器件和匹配网络，所述功率器件的输出端与所述匹配网络的输入端连接，所述匹配网络的输入端包括两个输入端口，还包括匹配电容；

所述匹配电容串联在所述匹配网络上，使得所述匹配网络的所述两个输入端口的阻抗相差在预设范围内。

由上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过在匹配网络上串联匹配电容，使得匹配网络的两个输入端口的阻抗相差在预设范围内，这样在匹配网络的输入端的两个输入端口就能够获得一致的阻抗，从而就能够使得功率放大器输出的功率最大化，实现功率放大器与天线之间的真正匹配；通过创新性地发现匹配网络的接地端存在不理想效应会导致匹配网络的输入端的两个输入端口看到不一致的阻抗，从而导致功率放大器无法输出最大功率，在匹配网络上串联匹配电容，使得匹配网络的输入端的两个输入端口看到一致的阻抗得，从而大大改善了功率放大器的输出功率。

进一步地，所述匹配电容包括第一电容和第二电容；

所述第一电容和第二电容的大小不同；

所述匹配网络的输出端包括两个输出端口，所述第一电容和第二电容分别串联在所述两个输出端口上。

由上述描述可知，通过在匹配网络的两个输出端口分别串联两个大小不一的电容，不需要增加电感，仅需两个电容输出，在匹配网络的面积没有过度增加的情况下就能够方便快捷地实现匹配网络输入端的两个输入端口看到一致的阻抗，从而使得功率放大器的两级电压和相位一致，有效提高传输功率。

进一步地，所述匹配网络的输出端包括两个输出端口，其中一个输出端口接地，另一个输出端口串联所述匹配电容。

由上述描述可知，由于匹配网络自带的电容通常为串联或并联式，此类电容无法解决匹配网络输入端的阻抗不一致的问题，通过在匹配网络的非接地端再串联匹配电容，能够一定程度上解决匹配网络输入端的阻抗不一致的问题。

进一步地，还包括第三电容和第四电容；

所述第三电容和第四电容的大小不同；

所述第三电容和第四电容分别并联在所述两个输入端口上。

由上述描述可知，在匹配网络的非接地端串联匹配电容的基础上，再在匹配网络的两个输入端口上分别串联两个大小不一的电容，能够更好地解决匹配网络输入端的阻抗不一致的问题。

进一步地，还包括第一电感；

所述第一电感与所述匹配电容串联。

由上述描述可知，在匹配网络的非接地端串联匹配电容的基础上，再在匹配网络的非接地端串联一电感，能够更好地解决匹配网络输入端的阻抗不一致的问题。

进一步地，还包括第二电感；

所述第二电感一端与所述匹配电容靠近所述匹配网络的一端连接，另一端接地。

由上述描述可知，在匹配网络的非接地端串联匹配电容的基础上，再在匹配网络的两个输出端口之间并联一电感，能够更好地解决匹配网络输入端的阻抗不一致的问题。

进一步地，所述匹配网络为巴伦。

进一步地，所述巴伦包括变压器；

所述功率器件的输出端与所述变压器的一次侧连接；

所述匹配电容串联在所述变压器的二次侧上使得所述变压器的所述一次侧的P端和N端的阻抗相差在预设范围内。

进一步地，所述匹配电容为谐振电容器。

进一步地，所述谐振电容器包括第五电容和第三电感；

所述第五电容和第三电感并联连接。

由上述描述可知，匹配电容可以用一电容并联一电感的谐振电容器(LCResonator)来实现，即使用表现为电容性的谐振器来实现所述匹配电容，提高了匹配电容实现的灵活性，扩大了其应用范围。

一种无线发射器，包括上述功率放大器。

本申请上述功率放大器及无线发射器能够适用于由于匹配网络的接地端的不理想效应导致的匹配网络匹配效果不佳的应用场景中，以下通过具体实施方式进行说明：

在一个可选的实施方式中，如图1所示，一种功率放大器，包括功率器件和匹配网络，所述功率器件的输出端与所述匹配网络的输入端连接，所述匹配网络的输入端包括两个输入端口，所述功率放大器还包括匹配电容；

所述匹配电容串联在所述匹配网络上，使得所述匹配网络的所述两个输入端口的阻抗相差在预设范围内；

其中，可以根据具体的应用场景灵活设置预设范围，比如可以设置预设范围为5欧姆，在将匹配电容串联到匹配网络上后，就可以计算出从匹配网络的输入端的两个端口所看到的阻抗值，通过比对两个端口看到的阻抗值的差值来调整所串联的匹配电容的大小，如果差值在5欧姆内，则表明从匹配网络的输入端的两个端口所看到的阻抗值是一致的；

在另一个可选的实施方式中，可以分别设置电抗和电阻各自的预设范围，然后对所串联的匹配电容的大小进行调试，直至电阻差值和电抗差值都在预设范围内。

如图2所示，为无线发射器的电路结构图，包括依次连接的输入匹配网络、功率器件、输出匹配网络和天线，其中，输入匹配网络、功率器件和输出匹配网络组成功率放大器，功率器件可以为差分放大器，功率放大器的输出端在无线发射器中会连接天线。输出匹配网络的作用为调和功率放大器和天线之间的阻抗，以最大化功率放大器传输至天线的功率；

由于天线是单端结构，因此输出匹配网络需要将射频功率放大器输出的差分信号转换为单端信号，所以输出匹配网络具有两个功能：一个是调和功率放大器和天线之间的阻抗，另一个是转换功率放大器的差分信号为单端信号；

在一个可选的实施方式中，可以采用巴伦(Balun)作为匹配网络来匹配功率放大器和天线；

具体的，匹配网络可以包括变压器，所述功率器件的输出端与所述变压器的一次侧连接；

所述匹配电容串联在所述变压器的二次侧上使得所述变压器的所述一次侧的P端和N端的阻抗相差在预设范围内。

其中，可以通过多种方式来实现匹配电容与匹配网络的串联：

在一个可选的实施方式中，如图3所示，所述匹配电容包括第一电容C

所述第一电容C

所述匹配网络的输出端包括两个输出端口，所述第一电容和第二电容分别串联在所述两个输出端口上，具体的，其中一个输出端口连接第二电容C

图4所示为图3所示的电路的等效电路图，射频变压器可以等效为一理想变压器(Ideal transformer)、一次侧(Primary-side)漏电感(L

在本实施方式中，通过在变压器二次侧串联两个大小不一的电容C

在另一个可选的实施方式中，如图5所示，所述匹配网络的输出端包括两个输出端口，其中一个输出端口接地，另一个输出端口串联所述匹配电容，即匹配电容，串联在变压器二次侧中不是接地的一端，图6所示为图5所示的电路的等效电路图。

在图5所示的电路结构的基础上，为了进一步提高功率放大器与天线之间的匹配度，更好的解决变压器一次侧的P端和N端看到不一致的阻抗的问题，可以再进行如下的改进：

第一种实现方式中，如图7所示，还包括第三电容C

所述第三电容C

所述第三电容C

第二种实现方式中，如图8所示，还包括第一电感，该电感为串联电感；

所述第一电感与所述匹配电容串联，即变压器二次侧的非接地端与所述第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与匹配电容靠近变压器的一端连接。

第三种实现方式中，还包括第二电感，该电感为并联电感；

所述第二电感一端与所述匹配电容靠近所述匹配网络的一端连接，另一端接地。

在另一个可选的实施方式中，如图10所示，所述匹配电容可以为谐振电容器；

具体地，所述谐振电容器包括第五电容C1和第三电感L1；

所述第五电容C1和第三电感L1并联连接，其中：

C

也就是说，本实施方式中，通过一电容并联一电感的LC谐振器，并使得所述LC谐振器表现为电容性来实现匹配电容。

图11和图12分别是现有的没有连接接匹配电容的功率放大器和本申请的有连接匹配电容的功率放大器的仿真结果图：

图11为未连接匹配电容时从变压器P端和N端看到的输入阻抗仿真结果(左图为实部，右图为虚部)，左图中，上面的一条曲线为P端测得的电阻值，P端输入电阻为364.5欧姆，下面的一条曲线为N端测得的电阻值，N端输入电阻为233.4欧姆；右图中，上面的一条曲线为P端测得的电抗值，P端输入电抗为26.3欧姆，下面的一条曲线为N端测得的电抗值，N端输入电抗为18.4欧姆；故其输入差模电阻差高达131.1欧姆、输入差模电抗差高达7.9欧姆；

图12中为连接匹配电容时从变压器P端和N端看到的输入阻抗仿真结果(左图为实部，右图为虚部)，左图中，上面的一条曲线为P端测得的电阻值，P端输入电阻为302.3欧姆，下面的一条曲线为N端测得的电阻值，N端输入电阻为299.3欧姆；右图中，上面的一条曲线为P端测得的电抗值，P端输入电抗为19欧姆，下面的一条曲线为N端测得的电抗值，N端输入电抗为17.4欧姆；故其输入差模电阻差仅为3欧姆、输入差模电抗差仅为1.6欧姆；

通过上述仿真比对可知，通过匹配电容的加入，保证了变压器一次侧的P端和N所看到的阻抗的一致性，从而解决了匹配网络的接地端存在不理想效应对匹配网络功率匹配的影响，大大改善了功率放大器的输出功率。

在另一个可选的实施方式中，一种无线发射器，上述各个实施方式中任一项所述的功率放大器。

综上所述，本发明提供的一种功率放大器及无线发射器，通过在匹配网络上串联匹配电容，使得匹配网络的两个输入端口的阻抗相差在预设范围内，这样在匹配网络的输入端的两个输入端口就能够获得一致的阻抗，从而就能够使得功率放大器输出的功率最大化，实现功率放大器与天线之间的真正匹配；匹配电容可以以不同方式串联在匹配网络上，串联方式多样灵活，通过创新性地发现匹配网络的接地端存在不理想效应会导致匹配网络的输入端的两个输入端口看到不一致的阻抗，从而导致功率放大器无法输出最大功率，在匹配网络上串联匹配电容，使得匹配网络的输入端的两个输入端口看到一致的阻抗，从而大大改善了功率放大器的输出功率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。