负载调制平衡放大器LMBA理论分析与ADS理想架构仿真

本文主要是介绍负载调制平衡放大器LMBA理论分析与ADS理想架构仿真,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

负载调制平衡放大器LMBA理论分析与ADS理想架构仿真

负载调制平衡放大器Load Modulation Balanced PA,简称LMBA是2016年Cripps大佬分析实践的:
An Efficient Broadband Reconfigurable Power Amplifier Using Active Load Modulation

本文ADS工程下载链接:负载调制平衡放大器LMBA理论分析与ADS理想架构仿真-ADS仿真资源

目录

  • 负载调制平衡放大器LMBA理论分析与ADS理想架构仿真
    • 0、LMBA架构简述
      • 0.1、LMBA架构
      • 0.2、LMBA架构优势
      • 0.3、架构优势原因
    • 1、LMBA理论推导
      • 1.1 推导理论
      • 1.2 Matlab推导代码
    • 2、ADS对理想LMBA仿真
      • 2.1 ADS理想3dB电桥构建
      • 2.2 ADS理想LMBA架构搭建
      • 2.3 ADS理想LMBA仿真结果分析
        • 2.3.1 阻抗调制分析
        • 2.3.2 输出效率分析
        • 2.3.3 输出效率分析结果验证-3dB耦合器失配仿真

0、LMBA架构简述

0.1、LMBA架构

LMBA本质是是一种双输入的架构,在实现宽带和高回退方面具备优势。但是与常规的双输入的Doherty、Outphasing这种不同,LMBA使用单独的控制信号(CA)对平衡放大器(BA)组进行调制,依据控制信号相位和幅度的不同,可以将平衡功放对的输出阻抗调制到任意位置,即实现完美匹配。
在这里插入图片描述

0.2、LMBA架构优势

那么,简单来说,假设我们直接获得了输入信号和控制信号,我们进行LBMA设计时,有如下优势:
1、无需设计输出匹配电路,依靠控制信号将阻抗调为完美匹配点
2、对于宽带情况,使用不同幅度、相位的控制信号就行,宽带能力极强,除了结构中的3dB电桥外无结构限制

但是,宽带电桥是非常常见的,超倍频程也是轻轻松松。

0.3、架构优势原因

实际上,LBMA的特殊性是从隔离端口注入的控制信号,这样平衡功放对可以认为和控制信号隔离,控制信号的输入阻抗恒定50欧姆。对于其他一些DPA或者异相架构,由于使用的是非隔离合路器,多路之间相互调制,复杂度高。

1、LMBA理论推导

1.1 推导理论

LMBA的理论推导非常简单,下面简单说明。
在 LMBA 情况下,两个平衡设备表示为电流吸收器,具有相等的幅度 I b {I}_{b} Ib和适当的90°相位偏移。

因此,假设如上架构图中3dB电桥2端口电流为 I 2 = − I b I_{2}=-I_{b} I2=Ib,对应的4端口电流为 I 4 = − j I b I_{4}=-jI_{b} I4=jIb,两者相位差90°。

控制信号从3端口注入,其电流假设为 I 3 = I c o n = − j I c e j ϕ I_{3}=I_{\mathrm{con}}=-jI_{c}e^{j\phi} I3=Icon=jIcejϕ。 自然, I c I_{c} Ic是控制信号的幅值, ϕ \phi ϕ是控制信号的相位。

电桥的1端口是输出端口,接的是50欧姆负载,因此有: V 1 = − Z 0 I 1 {V}_{1}=-Z_{0}I_{1} V1=Z0I1

而对于一个理想的电桥,其4端口的电压、电流关系如下所示:
在这里插入图片描述
结合上面的方程,即可求解得到平衡功放对的输出阻抗(ZA和ZB其实就是电桥2、3端口的输出阻抗):
Z A = Z 0 ( 1 − 2 I c e j ϕ I b ) Z B = Z 0 ( 1 − 2 I c e j ϕ I b ) Z_{A}=Z_{0}\left(1-\sqrt2\frac{I_{c}e^{j\phi}}{I_{b}}\right)\\Z_{B}=Z_{0}\left(1-\sqrt2\frac{I_{c}e^{j\phi}}{I_{b}}\right) ZA=Z0(12 IbIcejϕ)ZB=Z0(12 IbIcejϕ)

1.2 Matlab推导代码

使用Matlab进行自动的公式推导,求解得到的Matlab代码如下:

clc
clear
syms Ib Ic phi Z0 I1 ZA ZBI2=-Ib;
I4=-1j*Ib;
I3=-1j*Ic*exp(1j*phi);V1=(-1j*I3-1j*sqrt(2)*I4)*Z0;
V2=(-1j*I4-1j*sqrt(2)*I3)*Z0;
V3=(-1j*I1-1j*sqrt(2)*I2)*Z0;
V4=(-1j*I2-1j*sqrt(2)*I1)*Z0;eqn(1)=V1==-I1*Z0;
eqn(2)=ZA==V2/I2;
eqn(3)=ZB==V4/I4;sol = solve(eqn, [ZA ZB I1], 'ReturnConditions', true);pretty(simplify(sol.ZA))
pretty(simplify(sol.ZB))

从最终的结果来看,似乎和原作者差了一个负号,可以是哪边参考方向搞错了,在此不深究了。
在这里插入图片描述

2、ADS对理想LMBA仿真

2.1 ADS理想3dB电桥构建

把论文中给出的Z参数矩阵带入到ADS的控件之中,模拟理想3dB电桥器件。这部分具体操作可以参考:在ADS中使用传输端口参数构建理想元器件模型—以3dB电桥为例。最终的结果如下所示:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.2 ADS理想LMBA架构搭建

按照大佬论文中的框架图,可以搭建为如下的LMBA理想架构。可以看到,需要对控制信号的幅度和相位进行扫描:
在这里插入图片描述

2.3 ADS理想LMBA仿真结果分析

2.3.1 阻抗调制分析

通过仿真可以看到在控制信号幅度、相位改变时两个平衡功放的阻抗曲线。可以看到在控制PA输出功率比平衡对单个PA输出功率小6dB时,即可将输出阻抗调制到100欧姆,可以理解为从Ropt调制到2Ropt,这也是经典Doherty在回退时的调制能力。
在这里插入图片描述
可以看到得到的仿真结果和Cripps论文中的一致,下面这是论文原图:
在这里插入图片描述

2.3.2 输出效率分析

Cripps原文中这样描述:可以通过调整控制信号的幅度和相位来“调制”每个平衡设备输出端的负载,并且对于每个平衡端口,产生的阻抗具有相同的幅度和相位。此外,辅助放大器产生的功率作为端口 1 输出的一部分完全恢复

也就是说,控制信号的输入功率会到最终的输出端口,但是实际的仿真结果却有出入。从下图可以看到,无论输入的总功率是多少,输出都是恒定在3dBm
在这里插入图片描述
经过分析,这是由于失配导致的,将在下面进行分析。但是对于原文所描述的辅助放大器产生的功率作为端口 1 输出的一部分完全恢复,依旧是无法理解,懂行的可以指导一下。

2.3.3 输出效率分析结果验证-3dB耦合器失配仿真

假设在控制放大器输出-6dBm信号的情况下,此时平衡功放对的阻抗都被调制到100欧姆,也就是2Ropt的6dB回退状态。此时对合路所使用的耦合器进行分析:
在这里插入图片描述
显而易见,实际上此时的3dB合路电桥工作在失配的状态,此时会存在无可避免的合路损耗,可以看到每路合路是-3.5dB左右,正常来说-3dB才是完美合路。在失配状态,虽然合路效率变差,但是控制信号到输出端口的隔离度也变差了部分控制信号成为了输出端口的输出,因此合路依旧维持了3dBm的输出:
在这里插入图片描述
总之,从分析和仿真来看,控制信号好像不会全部注入到输出中去。对平衡功放的阻抗调制会导致3dB电桥端口的失配,导致合路效率降低,但是此时失配也会有部分控制信号注入到合路,导致最终合路的输出功率恒定。

分析有问题敬请指出,因为部分分析结果和原文有出入。

这篇关于负载调制平衡放大器LMBA理论分析与ADS理想架构仿真的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



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