CN103825564B - 一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，包括直流偏置电路、功率放大晶体管、输入匹配电路和输出匹配电路，通过设计一种具有不同端口阻抗的微带线带通滤波器与一段调谐微带线作为功率放大器的输出匹配电路，在完成滤波功能的同时使电路具有带通滤波响应特性，在通带的边缘产生了两个传输零点。与传统的功率放大器与滤波器级联电路相比，由于采用了微带线带通滤波器作为输出匹配电路，使得整个电路体积小、损耗小，工作频带宽，由于存在两个传输零点使其具有高的边缘选择性。在实施例中，实现了一个一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，提供了测试结果验证。

Description

一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器

技术领域

本发明涉及无线系统中的功率放大器和微带线带通滤波器技术领域，具体涉及一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器。

背景技术

功率放大器和微带线带通滤波器是影响射频收发机性能的关键部件，因此现有大量针对如何提高它们性能的研究。对于功率放大器，其效率高低对整个电路系统的功耗和效率具有较大影响，如何提高功率放大器的效率是研究的焦点之一，而微带线带通滤波器由于其对谐波的控制能力而流行于高效率功率放大器设计中。

传统的研究工作在于如何单独提高两者的性能，而通常在实际应用中，微带线带通滤波器级联于功率放大器之后用于抑制干扰频率信号。功率放大器与微带丝带通滤波器通常是先分别匹配到50Ω再级联于一起，采用这样的级联方式主要存在两个问题：1.两个电路模块之间的连接微带线会引入损耗；2.整个电路体积偏大。

近年来，开始有研究转向通过用微带线带通滤波器电路替换功率放大器原本的输出匹配电路，两个电路模块可以集成一个部件，从而得到紧凑型体积和较低的损耗。针对集成微带线带通滤波器的功率放大器，目前学术界已经提出一些方法。根据“Y.C.Li,K.C.Wu,and Q.Xue,Power amplifier integrated with bandpass filter for long termevolution application,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.23,no.8,pp.424–426,Aug.2013.”文中所采用的方法，一个微带线带通滤波器作为四分之一波长阻抗变换器而集成于功率放大器中，然而，该微带线带通滤波器性能不佳，且由于该微带线带通滤波器只能在中心频率点实现90°相位变换，从而导致带宽有限。根据“K.Chen,J.Lee,W.J.Chappell,and D.Pertoulis,Co‐design of highly efficient power amplifierand high‐Q output bandpass filter,IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.61,no.11,pp.3940–3950,Nov.2013.”为了提高微带线带通滤波器的性能而使用高Q值的腔体谐振器，但如此一来将使得电路体积偏大且加工复杂，且相对带宽仅为3％。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在问题，提供一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，由直流偏置电路、功率放大晶体管、输入匹配电路和输出匹配电路，直流偏置电路与输入匹配电路均为电容、电阻等元件组成。本发明中所提出的具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，主要发明内容在于其输出匹配电路，即本发明提供的微带线带通滤波器。

一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，包括直流偏置电路、功率放大晶体管、输入匹配电路和输出匹配电路，所述输出匹配电路使用了微带线带通滤波器加上一段调谐微带线，所述的微带线带通滤波器由两个对称的开环谐振器组成，两个开环谐振器均为半波长谐振器，每个开环谐振器上均有一个端口，分别为输入端口和输出端口，所述的微带线带通滤波器的输入端口和输出端口位置不对称。

所述的调谐微带线连接于所述的微带线带通滤波器与功率放大晶体管之间，调谐微带线的长度由最佳效率阻抗匹配点的虚部大小决定，调谐微带线与所述的微带线带通滤波器组成输出匹配电路。

所述的微带线带通滤波器与所述的调谐微带线构成所述的具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器输出匹配电路，将其作为一个阻抗变换器，通过调节所述的微带线带通滤波器的输入端口和输出端口位置，可以获得不同端口阻抗并实现良好带通滤波响应特性。

所述的微带线带通滤波器由两个半波长谐振器组成，称为输入谐振器和输出谐振器，两个半波长谐振器均为开环结构，且互为竖直轴对称关系，输入谐振器由第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第十微带线、第十一微带线、第十二微带线、第十三微带线和第十四微带线依顺序连接组成，为了缩小电路面积，输入谐振器和输出谐振器相连的微带线间采用垂直折线式连接，如第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线和第七微带线集成连接呈现3个“n”型结构以减小电路面积，输出谐振器的组成与输入谐振器呈镜像对称，当从水平轴线观察时，输入谐振器和输出谐振器均对于水平轴对称，输入谐振器通过第十四微带线和第一微带线分别与输出谐振器的第十五微带线和第十六微带线进行耦合，实现耦合的微带线互为平行关系，所述微带线带通滤波器的输入端口直接连接在输入谐振器上，所述的微带线带通滤波器的输出端口与输出谐振器连接，连接位置根据微带线带通滤波器的输入匹配和输出匹配调整，同时输入谐振器的开路末端(第一微带线和第十四微带线的末端)和输入端口之间相隔四分之一波长，使得所述微带线带通滤波器的通带边缘能产生两个传输零点，提供高选择性。

根据“K.Chen,J.Lee,W.J.Chappell,and D.Pertoulis,Co‐design of highlyefficient power amplifier and high‐Q output bandpass filter,IEEETrans.Microw.Theory Tech.,vol.61,no.11,pp.3940–3950,Nov.2013.”所提供的分析可知，对于所述微带线带通滤波器，由于其耦合矩阵可表示为：

$M=\left[\begin{array}{cccc}0& M_{S1}& 0& 0\\ M_{S1}& M_{11}& M_{12}& 0\\ 0& M_{21}& M_{22}& M_{2L}\\ 0& 0& M_{2L}& 0\end{array}\right]$

其中，MS1为源与输入谐振器间的耦合参数，M11和M22为异步调谐参数，M12和M21为输入谐振器与输出谐振器间的耦合参数，M2L为输出谐振器与负载间的耦合参数。对于一个同步调谐滤波器，M₁₁＝M₂₂＝0，从而输入阻抗可表示为：

对于一个要求输入阻抗为Z′_in的滤波器，只需在保持其它参数不变的情况下变化M_S1即可。同时，M_S1可表示为其中Q_ein为输入外部品质因数，FBW为相对带宽。由此，我们可以得到：

$\frac{Z_{in}^{\′}}{Z_{in}}=\frac{Q_{ein}^{\′}}{Q_{ein}}$

可以看出，当输入阻抗不同时，只要通过调节Q_ein便可获得与端口阻抗为50Ω的滤波器相同的响应。对于本发明中所述的微带线带通滤波器，其Q_ein值主要取决于图1中各谐振器上的端口位置，即图1中的间距20和间距21的值。因此，只要将各谐振器的端口调整合适位置，即可取得合适的端口阻抗，本发明中提出的微带线带通滤波器便可作为所述功率放大器的输出匹配电路，实现最佳效率阻抗匹配点的实部匹配，虚部匹配可通过采用所述的调谐微带线补偿，其长度由最佳效率阻抗匹配点的虚部大小决定。

通过所述的微带线带通滤波器，所述的具有带通滤波响应和高效率特性的功率放大器输出匹配电路可以得到简化且总体积可大幅度减小。另外，位于所述的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器和所述的微带线带通滤波器之间的级联连接线可省去，虽然需要所述的调谐微带线进行最佳效率阻抗匹配点的虚部匹配，但所述的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器得到较低的损耗和更高的效率。在实施例中将实现一个具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器原型，并给出性能仿真和测试结果。

相对于现有相关技术，本发明所提出的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器具有如下优点：

(1)电路体积小。相对于传统的将功率放大器与微带线带通滤波器级联的结构，本发明实现将所述带通滤波器电路嵌入至所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器的输出匹配电路中，简化电路结构，缩小电路体积。

(2)电路损耗小。相对于传统的将功率放大器与微带线带通滤波器级联的结构，本发明实现将所述带通滤波器电路嵌入于所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器的输出匹配电路中，省去了传统级联结构的连接微带线，减小损耗。

(3)工作带宽宽。相对于现有微带线带通滤波器与功率放大器集成的技术，本发明中所述微带线带通滤波器的输入端口对于功率放大晶体管的端口能在连续工作频率段内实现良好匹配，从而实现宽带特性。

(4)电路效率高。相对于现有同类工作，本发明所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器的电路效率高。

附图说明

图1为所述的端口非对称的微带线带通滤波器结构示意图；

图2为所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例框图；

图3为所述的端口非对称的微带线带通滤波器的实施例示意图；

图4为所述的端口非对称的微带线带通滤波器实施例的滤波器响应图；

图5为所述的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例在小信号激励下的S参数仿真结果与测试结果；

图6为所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例的输出功率、增益和PAE(Power Added Efficiency,功率附加效率)仿真结果与测试结果。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的保护范围不限于如下实施例。

本发明中所提出的具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，主要发明内容在于其输出匹配电路，即本发明提供的微带线带通滤波器。

所述的微带线带通滤波器由两个半波长谐振器组成，其结构示意图如图1所示，称为输入谐振器101和输出谐振器102，或输入端谐振器101和输出端谐振器102，两个半波长谐振器均为开环结构，且互为竖直轴对称关系，输入谐振器101由第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6、第七微带线7、第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12、第十三微带线13和第十四微带线14依顺序连接组成，为了缩小电路面积，输入谐振器101和输出谐振器102相连的微带线间采用垂直折线式连接，如第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6和第七微带线7集成连接呈现3个n型结构以缩小电路面积，输出谐振器102的组成与输入谐振器101呈镜像对称，当从水平轴线观察时，输入谐振器101和输出谐振器102均对于水平轴对称，输入谐振器101通过第十四微带线14和第一微带线1分别与输出谐振器102的第十五微带线15和第十六微带线16进行耦合，实现耦合的微带线互为平行关系，所述微带线带通滤波器的输入端口19直接连接在输入谐振器101上，所述的微带线带通滤波器的输出端口18与输出谐振器102连接，连接位置根据微带线带通滤波器的输入匹配和输出匹配调整，同时输入谐振器101的开路末端(第一微带线1和第十四微带线14的末端)和输入端口19之间相隔四分之一波长，使得所述微带线带通滤波器的通带边缘能产生两个传输零点，提供高选择性。

下面结合本发明实施例及附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。

图2展示所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例框图，实施例中选用的功率放大晶体管103为Cree公司的GaN HEMT CGH40010F，该功率放大晶体管有三个电极，分别为栅极G、漏极D和源极S，电路的输入端、输出端、栅极G直流偏置电压V_GS、漏极D直流偏置电压V_DS如图2中所注，通过使用Cree公司所提供的功率放大晶体管CGH40010F的DesignKit在软件Agilent Advanced Design System(ADS)中进行仿真，功率放大晶体管CGH40010F的栅极G直流偏置电压和漏极D直流偏置电压分别选定为V_GS＝-2.5V和V_DS＝28V，为获得在工作频率2.45GHz时的最佳效率阻抗匹配点，利用ADS软件对电路进行load-pull(负载牵引)仿真，获得功率放大晶体管CGH40010F的最佳源阻抗和最佳负载阻抗分别为Z_source＝(35.885-j*4.687)Ω和Z_load＝(12.218-j*1.323)Ω。

所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例中静态偏置电路和输入匹配电路均采用经典方式设计，第一电容23、第二电容24，第三电容25，第二十六微带线26和第一电阻27依顺序连接组成所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器104输入端的静态偏置电路，第四电容28、第二十九微带线29、第二电阻31、第五电容30依次连接组成所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器的输入匹配电路，第三十五微带线35、第六电容36和第七电容37依顺序连接组成所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器输出端的静态偏置电路，第三十三微带线33与第三十四微带线34用于焊接功率放大晶体管102的栅极和漏极，第五电容30、第二电阻31和第一电阻27用于提高所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器工作在低频段时的电路稳定性，第一电容23、第二电容24和第三电容25用于所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器输入端的静态偏置电路的退耦，类似地，第六电容36和第七电容37用于所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器的输出端的静态偏置电路的退耦，第二十六微带线26和第三十微带线35均为四分之一波长线，并且第二十六微带线26和第三十微带线35与第三十二微带线32、第三十三微带线33和第三十四微带线成垂直连接，用于所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器工作频段的功率放大晶体管的静态偏置，使得静态偏置电路对于射频信号呈现开路状态，实现射频信号与直流电源的隔离，此外，第三十五微带线35对二次谐波提供短路路径以提高电路效率。图3展示所述的端口非对称的微带线带通滤波器的实施例示意图，图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例中的输出匹配电路由图3展示的微带线带通滤波器和图2中的调谐微带线38组成。

本实施例的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器，加工选用介质材料的参数如下：相对介电常数为2.33，厚度为0.78mm，损耗正切值为0.002。图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例中所用元件的元件值如下，第四电容28为1.2pF,第五电容30为7.5pF,第一电容23为4700pF,第二电容24为47pF,第三电容25为10pF,第六电容36为3300pF,第七电容37为47pF,第一电阻27为68Ω，第二电阻31为10Ω,第二十九微带线29的长度和宽度分别为9mm和2.37mm,第三十二微带线32的长度和宽度为3.5mm和5mm,第三十三微带线33的长度和宽度分别为2mm和5mm,第二十六微带线26的长度和宽度分别为22.3mm 0.7mm,第三十四微带线34的长度和宽度分别为9mm和5mm,第三十五微带线35的长度和宽度分别为22.3mm,和0.7mm,第三十八微带线38的长度和宽度分别为4mm和5mm。

图3展示所述的端口非对称的微带线带通滤波器的实施例示意图，图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例中的输出匹配电路由图3展示的微带线带通滤波器和图2中的调谐微带线38组成，图3的尺寸规格如下(单位为mm)：W₁＝2.37,W₂＝0.5,L₁＝3.15,L₂＝6.8,L₃＝1,G₁＝0.15，图3展示的微带线带通滤波器的整个电路尺寸为57mm×42mm或0.65λ_g×0.48λ_g，其中λ_g为2.45GHz时的波导波长。图4展示所述的端口非对称的微带线带通滤波器实施例的滤波器响应图，即图3展示的微带线带通滤波器在输入阻抗Z_in变化时的匹配性能图，从图4可以看出，尽管Z_in＝50Ω时性能不理想，但当Z_in从9Ω到17Ω范围内变化时，图3展示的微带线带通滤波器实施例呈现良好匹配响应，而对于图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例所要求的最佳效率阻抗匹配点的实部约为12Ω，包含于该匹配范围内，故可将图3展示的微带线带通滤波器实施例可以作用图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例中功率放大晶体管的输出匹配电路的主要部分，实现图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例的最佳效率阻抗匹配点的实部匹配，并在电路加入了所述调谐线(Tuning line)，即图2中的第三十八微带线38，即可补偿该最佳效率阻抗点的虚部匹配。由于所述微带线带通滤波器的输入谐振器101和输出谐振器102使用耦合结构，其本身存在直流电源与输出端隔离，从而省去了输出端的直流隔离电容。此外，图3展示的微带线带通滤波器实施例对于当Z_in从9Ω到17Ω范围内变化时呈现良好响应的特性，可应用到图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例由于最佳效率匹配阻抗随工作频率连续变化而连续变化的宽带功率放大器的匹配电路中，实现工作频段良好的宽带匹配。

图3展示所述的端口非对称的微带线带通滤波器的实施例使用软件IE3D进行仿真，并将仿真所得S参数导入ADS与图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例进行联合仿真。图5展示所述的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例在小信号激励下的S参数仿真结果与测试结果，可以看出，图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例在工作频段中的中心频率2.45GHz处具有约16.4dB的小信号增益，带内回波差损大于13dB。电路的1‐dB带宽为2.1‐2.7GHz，相对带宽25％，覆盖WiFi，TD‐LTE和WCDM的通信频段。由于图3展示所述的端口非对称的微带线带通滤波器的实施例中左边的谐振器开路端和输入端口间的微带线长度为1/4波长，故在图5中展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例在小信号激励下的S参数仿真结果与测试结果曲线图中通带边缘出现两个传输零点，从而实现高选择性。图6展示所述具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例输入功率从10到29dBm时的输出功率、增益和PAE(PowerAdded Efficiency,功率附加效率)仿真结果与测试结果。从图6可以看出，电路增益在Pin＝24dBm开始压缩，电路的最大PAE值约为69.8％，对应的输出功率为40.1dBm，增益为11.8dB。

图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例，具有带通滤波响应特性，电路效率高，更重要的是图3展示所述的端口非对称的微带线带通滤波器的实施例使得图2中的输出匹配电路尺寸变小，使得图2展示的具有带通滤波响应和高效率特性功率放大器实施例整个电路尺寸变小，并在工作频段内实现宽带匹配。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，包括直流偏置电路、功率放大晶体管、输入匹配电路和输出匹配电路，其特征在于，所述输出匹配电路使用了微带线带通滤波器加上一段调谐微带线，所述的微带线带通滤波器由两个对称的开环谐振器组成，两个开环谐振器均为半波长谐振器，每个开环谐振器上均有一个端口，分别为输入端口和输出端口，所述的微带线带通滤波器的输入端口和输出端口位置不对称；所述的微带线带通滤波器由两个半波长谐振器组成，称为输入端谐振器(101)和输出端谐振器(102)，两个半波长谐振器均为开环结构，且互为竖直轴对称关系，输入谐振器（101）由第一微带线（1）、第二微带线（2）、第三微带线（3）、第四微带线（4）、第五微带线（5）、第六微带线（6）、第七微带线（7）、第八微带线（8）、第九微带线（9）、第十微带线（10）、第十一微带线（11）、第十二微带线（12）、第十三微带线（13）和第十四微带线（14）顺次连接组成，输入谐振器（101）和输出谐振器（102）相连的微带线间采用垂直折线式连接，第一微带线（1）、第二微带线（2）、第三微带线（3）、第四微带线（4）、第五微带线（5）、第六微带线（6）和第七微带线（7）集成连接呈现3个n型结构，输出谐振器（102）的组成与输入谐振器（101）呈镜像对称，输入谐振器（101）通过第十四微带线（14）和第一微带线（1）分别与输出谐振器（102）的第十五微带线（15）和第十六微带线（16）进行耦合，实现耦合的微带线互为平行关系，所述微带线带通滤波器的输入端口（19）直接连接在输入谐振器（101）上，所述的微带线带通滤波器的输出端口（18）与输出谐振器（102）连接，连接位置根据微带线带通滤波器的输入匹配和输出匹配调整，同时输入谐振器（101）的开路末端和输入端口之间相隔四分之一波长。

2.根据权利要求1所述的一种具有带通滤波响应的高效率宽带功率放大器，其特征在于，所述的调谐微带线连接于所述的微带线带通滤波器与功率放大晶体管之间，调谐微带线的长度由最佳效率阻抗匹配点的虚部大小决定，调谐微带线与所述的微带线带通滤波器组成输出匹配电路。