CN103414437A

CN103414437A - 基于氮化镓高电子迁移率晶体管ab/逆f类多模式功率放大器

Info

Publication number: CN103414437A
Application number: CN2013103888689A
Authority: CN
Inventors: 徐跃杭; 卢啸; 孙岩; 张勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: CN103414437B

Abstract

本发明涉及一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器，属于电子元器件技术领域。该功率放大器包括输入偏置网络连接的输入匹配网络、输出偏置网络连接的输出匹配网络、以及晶体管；晶体管分别与输入匹配网络和输出匹配网络连接。本发明的功率放大器电路的拓扑结构基于逆F类功率放大器，通过控制其偏压变化，可使功率放大器在AB类和逆F类两种模式间切换工作；以使功率放大器同时具有AB类高线性度和逆F类高效率特性。在无线通讯系统中，据实际情况，当需要功率放大器提供较高线性度时，调节晶体管偏压使其工作在AB类工作状态；当需要功率放大器提供较高效率时，调节晶体管偏压使其工作在逆F类工作状态。

Description

基于氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，特别涉及一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的S波段的AB/逆F（F^-1）类多模式功率放大器，属于电子元器件技术领域。

背景技术

功率放大器是现代无线通信系统的关键部件，它的性能是制约整个系统性能和技术水平的关键因素。随着无线通信系统的快速发展，人们对功率放大器的工作带宽、效率和线性度指标提出了更高的要求。

在经典的功率放大器中，根据导通角的定义，将功率放大器分为A类、AB类、B类。其中A类功率放大器导通角为2π，AB类功率放大器导通角为π～2π，B类功率放大器导通角为π。之所以被称为经典，是因为它在历史上早就存在。经典功率放大器在导通时有很大的损耗，影响了效率的提高。A类功率放大器虽然有很好的线性度，然而其效率却是最低，因为晶体管一直工作在导通状态，所以管耗最大。B类功率放大器效率较高，其线性度却是最差。而AB类功率放大器介于A类和B类之间。

随着无线通讯系统的迅速发展，对高效率射频功率放大器的需求逐渐增加。如何提高功率放大器的工作效率已成为一个重要课题。为提高效率，研究人员将大量精力专注于功率放大器的工作模式上。例如D类，E类，F类和逆F类功率放大器工作模式。F类和逆F类功率放大器在近几年成为研究的热点。F类功率放大器是一种负载网络谐波控制方法，其负载网络在奇次谐波处呈现高阻抗，在偶次谐波处呈现低阻抗，使得在晶体管的漏极处形成互不交叠的只含有奇次谐波成分的方波电压和只含有偶次谐波的半正弦电流，使得理想F类功率放大器具有100%的效率。而逆F类功率放大器与F类功率放大器对奇偶次谐波的控制正好相反，即逆F类功率放大器在奇次谐波处呈现低阻抗，在偶次谐波处呈现高阻抗，使得晶体管漏极电压为只含有奇次谐波成分的半正弦波形，而漏极电流为只含有偶次谐波成分的方波电流。

工作在S波段的功率放大器其频率范围是2.7～3.5GHz，这种功率放大器主要应用于中继、卫星通信、雷达等方面，现在广泛使用的蓝牙、ZIGBEE、无线路由、无线鼠标等，也使用这个波段的频率范围。

发明内容

本发明的目的是针对AB类功率放大器线性度好，效率较差，而逆F类功率放大器效率高，但线性度差的特点，设计一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管的AB/逆F类多模式功率放大器，通过调节其栅极偏置电压可以控制功率放大器分别工作在AB类工作状态，或者逆F类工作状态。在无线通讯系统中，可根据实际情况，当需要功率放大器提供较高线性度时，调节其栅极偏置电压使其工作在AB类工作状态；当需要功率放大器提供较高效率时，调节其栅极偏置电压使其工作在逆F类工作状态。

为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的基于氮化镓高电子迁移率晶体管的AB/逆F类多模式功率放大器，包括输入偏置网络、输出偏置网络、输入匹配网络和输出匹配网络四大模块，以及晶体管；所述输入偏置网络与输入匹配网络连接，输出偏置网络与输出匹配网络连接，所述晶体管分别与输入匹配网络和输出匹配网络连接。

上述技术方案中，所述晶体管采用氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT），其晶体管栅极和晶体管漏极分别与输入匹配网络和输出匹配网络连接。

上述技术方案中，所述输入偏置网络由输入二次谐波控制微带连接的电容一、电容一连接的栅极偏置微带、栅极偏置微带连接的输入去耦电容一，栅极偏置微带连接的输入去耦电容二和栅极偏置微带连接的输入去耦电解电容三组成。

上述技术方案中，所述输出偏置网络由输出二次谐波控制微带连接的电容二、电容二连接的漏极偏置微带，漏极偏置微带连接的输出去耦电容一、漏极偏置微带连接的输出去耦电容二和漏极偏置微带连接的输出去耦电解电容三组成。

上述技术方案中，所述输入匹配网络由输入微带线连接的输入隔直电容、输入隔直电容连接的第一微带线、第一微带线连接的输入匹配枝节、输入匹配枝节连接的稳定电阻和稳定电阻连接的第二微带线组成；其中，稳定电阻与输入偏置网络中的输入二次谐波控制微带连接。

上述技术方案中，所述晶体管位于载体上，所述晶体管栅极与输入匹配网络中第二微带线连接。

上述技术方案中，所述输出匹配网络由第三微带线连接的三次谐波控制枝节、三次谐波控制枝节连接的第四微带线、第四微带线连接的第五微带线、第五微带线连接的输出匹配枝节、输出匹配枝节连接的输出隔直电容和输出隔直电容连接的输出微带线组成；其中，输出隔直电容与输出偏置网络中的输出二次谐波控制微带连接。

上述技术方案中，所述晶体管位于载体上，所述晶体管漏极与输出匹配网络中第三微带线连接。

本发明的基于氮化镓高电子迁移率晶体管的AB/逆F类多模式功率放大器，所述输入偏置网络与输入匹配网络相连，输出偏置网络与输出匹配网络相连，所述氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）分别与输入匹配网络和输出匹配网络相连。其特点主要在于输出匹配网络和输出偏置网络共同决定了晶体管漏极负载阻抗，使得该阻抗与AB类功率放大器阻抗近似相等，三次谐波控制枝节与输出二次谐波控制微带共同决定了晶体管漏极负载阻抗在奇次谐波处呈现低阻抗，而在偶次谐波处呈现高阻抗；通过控制栅极偏置电压的大小，就可以控制晶体管分别工作在AB类工作状态或者逆F类的工作状态。而本发明所述基于GaN HEMT AB/逆F类多模式功率放大器是工作在S波段的频率范围2.7～3.5GHz，因而具有广泛的应用范围。

本发明的基于氮化镓高电子迁移率晶体管的AB/逆F类多模式功率放大器与现有技术相比具有的优点及有益的技术效果：本发明所采用的氮化镓高电子迁移率晶体管，在该晶体管栅极偏置电压为-2.5V时，晶体管工作在AB类状态，此时该功率放大器具有高线性度的优点；在该晶体管栅极偏置电压为-3.1V时，晶体管工作在逆F类状态，此时该功率放大器具有高效率的优点。因此，使得本发明所述的功率放大器能在AB类或逆F类两种工作模式切换，并可以在高线性度、高效率两种特性之间选择工作模式。因而在无线通讯系统中，可根据实际情况，当需要功率放大器提供较高线性度时，调节其晶体管栅极偏压使其工作在AB类工作状态；当需要功率放大器提供较高效率时，调节其晶体管栅极偏压使其工作在逆F类工作状态。而本发明的功率放大器是工作在S波段的频率范围2.7～3.5GHz，该功率放大器主要可应用于中继、卫星通信、雷达等方面；现在广泛使用的蓝牙、ZIGBEE、无线路由、无线鼠标等，也使用这个波段的频率范围。

附图说明

图1为本发明所述的氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器原理方框图；

图2为本发明所述的氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器电路结构图；

图3为本发明所述的氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器中GaN HEMT局部放大图；

图4为本发明所述的氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器在AB类偏置电压为V_g=-2.5V，频率3.3GHz处实测的效率与输出功率曲线图；

图5为本发明所述的氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器在逆F类偏置电压为V_g=-3.1V,频率3.3GHz处实测的效率与输出功率曲线图。

图中，1输入微带线，2输入隔直电容，3第一微带线，4输入匹配枝节，5稳定电阻，6第二微带线，7晶体管，8第三微带线，9三次谐波控制枝节，10第四微带线，11第五微带线，12输出匹配枝节，13输出隔直电容，14输出微带线，15输出二次谐波控制微带，16电容二，17输出去耦电容一，18载体，19输入去耦电容一，20电容一，21输入二次谐波控制微带，22输入去耦电容二，23输入去耦电解电容三，24输出去耦电容二，25输出去耦电解电容三，26晶体管栅极，27晶体管漏极，28输入偏置网络，29输出偏置网络，30输入匹配网络，31输出匹配网络，32栅极偏置微带，33漏极偏置微带。

具体实施方式

下面通过附图并结合实施例对本发明作进一步的详细说明，其附图描述的实施例是示例性的，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步解释，而且不应理解为是对本发明保护范围的任何限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质性的改进和调整。

本发明基于氮化镓高电子迁移率晶体管的AB/逆F多模式功率放大器，其原理框图如图1所示，图1中，包括输入匹配网络30、输出匹配网络31、输入偏置网络28、输出偏置网络29四大模块，以及氮化镓高电子迁移率晶体管（GaNHEMT）7；所述输入偏置网络28与输入匹配网络30相连接，输出偏置网络29与输出匹配网络31相连接，晶体管7分别与输入匹配网络30和输出匹配网络31相连接。

本发明的基于氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器电路结构图如图2所示，图2中，所述输入匹配网络30由输入微带线1、第一微带线3、输入匹配枝节4、第二微带线6、位于输入微带线1与第一微带线3之间的输入隔直电容2、以及位于第一微带线3与第二微带线6之间的稳定电阻5组成；输入微带线1与输入隔直电容2连接、输入隔直电容2与第一微带线（3）连接、第一微带线（3）与输入匹配枝节4连接、输入匹配枝节4与稳定电阻5连接，稳定电阻5与第二微带线6连接；其中，稳定电阻5与输入偏置网络28中的输入二次谐波控制微带21连接；

所述输出匹配网络31由第三微带线8、第四微带线10、三次谐波控制枝节9、第五微带线11、输出匹配枝节12、输出微带线14、位于第五微带线11与输出50ohm微带线14之间的输出隔直电容13组成；所述第三微带线8与三次谐波控制枝节9连接、三次谐波控制枝节9与第四微带线10连接、第四微带线10与第五微带线11连接、第五微带线11与输出匹配枝节12连接、输出匹配枝节12与输出隔直电容13连接、输出隔直电容13与输出微带线14连接；其中，输出隔直电容13与输出偏置网络29中的输出二次谐波控制微带15连接；

所述输入偏置网络28由输入二次谐波控制微带21、电容一20、输入去耦电容一19、输入去耦电容二22、输入去耦电解电容三23和栅极偏置微带32组成；所述输入二次谐波控制微带21与电容一20连接、电容一20与栅极偏置微带32连接，栅极偏置微带32与输入去耦电容一19连接、栅极偏置微带32与输入去耦电容二22连接、栅极偏置微带32与输入去耦电容三23连接；

所述输出偏置网络29由输出二次谐波控制微带15、电容二16、输出去耦电容一17、输出去耦电容二24、输出去耦电解电容三25和漏极偏置微带33组成；所述输出二次谐波控制微带15与电容二16连接、电容二16与漏极偏置微带33连接、漏极偏置微带33与输出去耦电容一17连接、漏极偏置微带33与输出去耦电容二24连接、漏极偏置微带33与输出去耦电容三25连接。

图1中所述晶体管7分别与输入匹配网络30和输出匹配网络31相连接，具体在电路结构图2中，晶体管栅极26与输入匹配网络30中第二微带线6连接；晶体管漏极27与输出匹配网络31中第三微带线8连接，晶体管源极紧贴于载体18底部接地，因此被遮盖。

实施例1

本实施例中氮化镓高电子迁移率晶体管为中电55所提供的0.25mm栅长晶体管；基片采用Taconic RF-60，厚度为0.635mm；所述输入微带线1和输出微带线14均用50ohm微带线。

输入微带线1长6mm，宽0.9mm；第一微带线3长8.9mm，宽1.78mm；输入匹配枝节4长4.4mm，宽2mm；第二微带线6长3.85mm，宽1.6mm；输入隔直电容2为10pF；稳定电阻5为15ohm；第三微带线8长4.78mm，宽0.3mm；第四微带线10长4.9mm，宽3.7mm；三次谐波控制枝节9长3.8mm，宽1.6mm；第五微带线11长7.5mm，宽2.1mm；输出匹配枝节12长3.94mm，宽0.39mm；输出微带线14长6mm，宽0.9mm；输入二次谐波控制微带21长12.8mm，宽0.2mm；输出二次谐波控制微带15长12.7mm，宽0.2mm；栅极偏置微带32长26.3mm，宽0.9mm；漏极偏置微带33长24.3mm，宽0.9mm；电容一20为3.8pF；输入去耦电容一19、输入去耦电容二22和输入去耦电容三23其容量依次为10uF、33000pF、470pF；输出二次谐波控制微带15长12.7mm，宽0.2mm；电容二16为5.5pF；输出去耦电容一17、输出去耦电容二24和输出去耦电容三25其容量依次为10uF、33000pF、470pF。

按照图2所示电路结构连接好各元器件；

本发明采用安捷伦公司的合成信号发生器83732B和P系列功率计N1912A，中策电子有限公司的直流稳压电源DF1731SLL3A，进行实际测试。

依本发明基于氮化镓高电子迁移率晶体管AB/逆F类多模式功率放大器，在频率3.3GHz，偏置栅极电压调为-2.5V，GaN HEMT晶体管7工作在AB类状态，功率附加效率大于51.5%，输出功率大于36dBm；偏置栅极电压调为-3.1V，GaN HEMT晶体管7工作在F-1类状态，PAE大于59.5%，输出功率大于35.5dBm。可以看出，本发明所述的AB/逆F类多模式功率放大器在两种偏压下都有较高的效率与较高输出功率。而本发明的功率放大器又工作在S波段的频率范围，其频率为3.3GHz，因此可用于中继、卫星通信、雷达等方面；以及现在广泛使用的蓝牙、ZIGBEE、无线路由、无线鼠标等。

Claims

1.一种基于氮化镓高电子迁移率晶体管的AB/逆F类多模式功率放大器，其特征在于包括输入偏置网络（28）、输出偏置网络（29）、输入匹配网络（30）和输出匹配网络（31）四大模块，以及晶体管（7）；所述输入偏置网络（28）与输入匹配网络（30）连接，输出偏置网络（29）与输出匹配网络（31）连接，所述晶体管（7）分别与输入匹配网络（30）和输出匹配网络（31）连接。

2.根据权利要求1所述的多模式功率放大器，其特征在于所述晶体管（7）采用氮化镓高电子迁移率晶体管，其晶体管栅极（26）和晶体管漏极（27）分别与输入匹配网络（30）和输出匹配网络（31）连接。

3.根据权利要求1所述的多模式功率放大器，其特征在于所述输入偏置网络（28）由输入二次谐波控制微带（21）连接的电容一（20）、电容一（20）连接的栅极偏置微带（32）、栅极偏置微带（32）连接的输入去耦电容一（19），栅极偏置微带（32）连接的输入去耦电容二（22）和栅极偏置微带（32）连接的输入去耦电容三（23）组成。

4.根据权利要求1所述的多模式功率放大器，其特征在于所述输出偏置网络（29）由输出二次谐波控制微带（15）连接的电容二（16）、电容二（16）连接的漏极偏置微带（33），漏极偏置微带（33）连接的输出去耦电容一（17）、漏极偏置微带（33）连接的输出去耦电容二（24）和漏极偏置微带（33）连接的输出去耦电容三（25）组成。

5.根据权利要求1所述的多模式功率放大器，其特征在于所述输入匹配网络（30）由输入微带线（1）连接的输入隔直电容（2）、输入隔直电容（2）连接的第一微带线（3）、第一微带线（3）连接的输入匹配枝节（4）、输入匹配枝节（4）连接的稳定电阻（5）和稳定电阻（5）连接的第二微带线（6）组成；其中，稳定电阻（5）与输入偏置网络（28）中的输入二次谐波控制微带（21）连接。

6.根据权利要求2或5所述的多模式功率放大器，其特征在于所述晶体管（7）位于载体（18）上，所述晶体管栅极（26）与输入匹配网络（30）中第二微带线（6）连接。

7.根据权利要求1所述的多模式功率放大器，其特征在于所述输出匹配网络（31）由第三微带线（8）连接的三次谐波控制枝节（9）、三次谐波控制枝节（9）连接的第四微带线（10）、第四微带线（10）连接的第五微带线（11）、第五微带线（11）连接的输出匹配枝节（12）、输出匹配枝节（12）连接的输出隔直电容（13）和输出隔直电容（13）连接的输出微带线（14）组成；其中，输出隔直电容（13）与输出偏置网络（29）中的输出二次谐波控制微带（15）连接。

8.根据权利要求2或7所述的多模式功率放大器，其特征在于所述晶体管（7）位于载体（18）上，所述晶体管漏极（27）与输出匹配网络（31）中第三微带线（8）连接。