CN104518742B - 一种高效率双频带f类功率放大器 - Google Patents

一种高效率双频带f类功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效率双频带F类功率放大器，其中，晶体管输出端由高频带谐波控制电路、低频带谐波调节电路、双频带直流偏置电路和双频带基波阻抗匹配电路构成；高频带谐波控制电路由串联的高低阻抗线和并联的复合左右手传输线CRLH‑TL构成；低频带谐波调节电路由高低阻抗线构成；双频带直流偏置电路短路具有低频带谐波控制作用；双频带基波阻抗匹配电路包括高频、低频带基波阻抗匹配电路。本发明利用了复合左右手传输线CRLH‑TL和具有谐波控制功能的双频带直流偏置电路，能够有效减小传统双频带F类功率放大器中谐波控制电路的复杂度，并且考虑了寄生分量的影响，从而有效提高了双频带F类功率放大器的工作效率。

Description

一种高效率双频带F类功率放大器
技术领域
本发明涉及无线通信功放技术领域，尤其涉及高效率的双频带F类功率放大器。
背景技术
目前，随着移动通信系统的进一步发展，高效率多带功率放大器会成为未来多标准多带通信终端的关键构成部分。同时，射频功率放大器是无线发射终端中耗能最大的模块。所以，高效率多带功率放大器的设计已成为功放研究领域的热点。而高效率双频带功率放大器是其中最基本的一类。
F类功率放大器因其理想工作效率能够达到100％而受到了大量的关注。一般的单带F类功率放大器由依次相连的晶体管、谐波控制电路和输出基波阻抗匹配电路几个模块构成。对单带F类功率放大器而言，谐波控制电路将信号的偶次谐波匹配到晶体管的漏极端呈短路状态，将奇次谐波匹配到晶体管的漏极端呈开路状态。从而使漏极端电流表现为半正弦波形式，而电压则为方波形式，且在理想情况下，电压与电流在时间上无重叠区域。这样，理想的F类功率放大器便能实现100％的工作效率。实际的F类功率放大器设计中，一般只考虑二次谐波和三次谐波。
所以，为了满足双频带功率放大器的高效率要求，结合F类功率放大器的设计原则，高效率双频带F类功率放大器的设计成为一个热门的研究领域。
传统的双频带F类功率放大器的基本原理框图，如图1所示。它的输出端由低频带谐波控制电路、高频带谐波控制电路、双频带基波阻抗匹配电路和双频带直流偏置电路构成。其中，低频带谐波控制电路和高频带谐波控制电路均由两个L型结构的传输线构成。对低频带谐波控制电路，传输线TL2和传输线TL4分别用于提供低频带二次谐波和三次谐波的短路。类似的，对高频带谐波控制电路，传输线TL6和传输线TL8分别提供了高频带二次谐波和三次谐波的短路。从而，依次调节传输线TL1，TL3，TL5，TL7的电长度，便可分别实现晶体管漏极端低频带二次谐波短路、三次谐波开路、高频带二次谐波短路和三次谐波开路的F类功率放大器的阻抗条件。双频带基波阻抗匹配电路用于低频带基波和高频带基波的阻抗匹配，以实现最大化的功率传输。
相比较单带F类功率放大器，双频带F类功率放大器由于要实现两个频带的谐波控制，其电路复杂度大大增加了，这样便增加了功率的损耗，从而使得电路的效率也随之恶化。
另一方面，在实际情况中，晶体管本身的寄生分量引起的效应会破坏二次谐波对应的短路状态和三次谐波对应的开路状态，从而影响F类功率放大器的工作效率。
因此，在考虑寄生分量的前提下，减小双频带F类功率放大器的电路复杂度，降低功率损耗，提升功放的工作效率，是一个非常重要的问题。
近年来，双频带F类功放的研究处于刚刚起步的阶段。文献[1]，[2]提出了两种基于单频带F类功率放大器的双频带F功率放大器的设计技术，但是谐波控制网络都相对比较复杂，因此在两个工作频带内的功率附加效率(PAE)都相对较低，另外一方面，对如何在双频带内补偿带封装的晶体管的寄生参数没有讨论。文献[3]提出了一种在单片微波集成电路中实现单频带F和多频带F类功率放大器的谐波控制方案，虽然提及对晶体管的寄生参数的补偿方案，但是这种方法也只是适用于MMIC的设计中，对带封装的晶体管的功率放大器设计，此种方案具有很大的局限性。
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发明内容
为了克服现有技术中电路复杂度过高和晶体管寄生分量效应存在所引起的工作效率恶化问题，本发明提供了一种高效率的双频带F类功率放大器，在满足双频带传输的前提下，有效地减少了电路的复杂度，同时考虑了寄生分量对谐波控制电路的影响，从而达到提升功放的工作效率的目的。
本发明提供的一种高效率双频带F类功率放大器，其中，晶体管输出端由高频带谐波控制电路、低频带谐波调节电路、双频带直流偏置电路和双频带基波阻抗匹配电路构成；所述高频带谐波控制电路位于晶体管和低频带谐波调节电路之间，所述双频带直流偏置电路位于低频带谐波调节电路和双频带基波阻抗匹配电路之间；所述高频带谐波控制电路由串联的高低阻抗线和并联的复合左右手传输线CRLH-TL构成；所述低频带谐波调节电路由高低阻抗线构成；所述高频带谐波控制电路中的复合左右手传输线CRLH-TL同时提供高频带二次谐波和三次谐波的短路；所述双频带直流偏置电路中集成有能提供低频带二次谐波和三次谐波短路的微带电路，从而使该双频带直流偏置电路具有低频带谐波控制作用，所述双频带直流偏置电路在提供谐波控制的同时，还在两个工作频带内提供基波开路和直流短路的条件；所述双频带基波阻抗匹配电路包括高频带基波阻抗匹配电路和低频带基波阻抗匹配电路，；所述高频带基波阻抗匹配电路由L型的匹配网络构成，所述L型的匹配网络包括与所述低频带基波阻抗匹配电路串接的传输线和与所述串联传输线并联的短路枝节，所述串接的传输线的特征阻抗为50Ω，所述短路枝节的长度为λ1/4，其中λ1是低频带基波对应的工作波长。
本发明通过对复合左右手传输线CRLH-TL的相移特性的利用和将低频带谐波控制电路集成到双频带直流偏置电路中的方式，在实现双频带传输的前提下，能够有效减小传统双频带F类功率放大器中短路谐波控制的电路部分的复杂度，同时考虑了寄生分量效应，从而有效提高了双频带F类功率放大器的工作效率。
附图说明
图1是传统双频带F类功率放大器的电路原理图；
图2是一种高效率双频带F类功率放大器的原理框图；
图3是一种高效率双频带F类功率放大器的电路原理图；
图4(a)是高频带谐波控制电路中的CRLH-TL结构示意图；
图4(b)是CRLH-TL的S21仿真结果；
图5(a)是具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路的电路原理图；
图5(b)具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路的S21参数仿真结果；
图6是双频带基波阻抗匹配电路的原理图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明提供的一种高效率双频带F类功率放大器，其原理框图如图2所示，其中，晶体管输入端由栅极直流偏置电路和输入端基波阻抗电路构成，主要实现在两个工作频带内最大的增益传输。晶体管输出端由高频带谐波控制电路、低频带谐波调节电路、具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路和双频带基波阻抗匹配电路构成。
图3所示为低频带基波f1为1.7GHz，高频带基波f2为2.14GHz的高效率双频带F类功率放大器的原理图。所述高频带谐波控制电路位于晶体管和低频带谐波调节电路之间，所述具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路位于低频带谐波调节电路和双频带基波阻抗匹配电路之间；所述高频带谐波控制电路由串联的高低阻抗线和并联的复合左右手传输线CRLH-TL构成；所述低频带谐波调节电路由高低阻抗线构成；对于固定的双频带工作频率，图3除晶体管以外的电路在晶体管固有漏极端对两个工作频率均能提供二次谐波短路和三次谐波开路点；对高频带谐波控制电路，利用复合左右手传输线CRLH-TL的相移特性，使高频带谐波控制电路同时提供高频带二次谐波和三次谐波的短路，调节高低阻抗线以满足晶体管固有漏极端高频带二次谐波短路和三次谐波开路的F类功率放大器的阻抗条件。所述具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路中集成有提供低频带短路的电路，从而使该双频带直流偏置电路具有低频带谐波控制作用，所述双频带直流偏置电路在提供谐波控制的同时，还在两个工作频带内提供基波开路和直流短路的条件，从而既能提供晶体管漏极端的直流偏置，又能提供低频带二次谐波和三次谐波的短路，调节高频带谐波调节电路的高低阻抗线以满足晶体管固有漏极端高频带二次谐波短路和三次谐波开路的F类功率放大器的阻抗条件。晶体管寄生参数模型包含晶体管漏极和源极之间的寄生电容、寄生电感和封装寄生电容。
所述双频带基波阻抗匹配电路包括高频带基波阻抗匹配电路和低频带基波阻抗匹配电路，如图6所示，所述高频带基波阻抗匹配电路由L型的匹配网络构成，所述L型的匹配网络包括与低频带基波阻抗匹配电路串接的传输线和与串联传输线并联的短路枝节，所述串接的传输线的特征阻抗为50Ω，所述并联的传输线的长度为λ1/4，其中λ1是低频带基波对应的工作波长。这种特殊的结构能够保证插入高频带基波阻抗匹配电路后不会破坏前端的低频带基波阻抗匹配，同时，通过对高频带基波阻抗匹配电路中串联传输线长度和并联的传输线的特征阻抗的调节，能够实现高频带基波阻抗匹配。
图4(a)所示为本发明中高频带谐波控制电路中的复合左右手传输线CRLH-TL的结构，它能够提供高频带二次谐波和三次谐波的短路。具体实现原理和方法阐述如下：
理想的CRLH-TL由理想的右手传输线RH-TL和理想的左手传输线LH-TL串接而成。左手传输线LH-TL具有正的相位响应，即具有相位超前的响应。而右手传输线RH-TL具有负的相位响应，即具有相位滞后的响应。这些特性的结合使得复合左右手传输线CRLH-TL能够在任意两个频率处产生90°的相位响应，即在任意两个频率处，复合左右手传输线CRLH-TL均相当于相应频率下的电长度为90°的传输线。复合左右手传输线CRLH-TL的这一特性恰好能够应用到双频带传输线的设计中。
复合左右手传输线CRLH-TL由N个相对于工作波长而言具有无限小尺寸的单元结构级联而成。这些单元结构由集总参数元件构成。其相位响应和相位斜率通过近似处理具有如下形式：
其中，LR和CR分别是RH-TL的等效集总参数元件模型中的电容和电感，LL和CL分别是LH-TL的等效集总参数元件模型中的电容和电感。
对高频带的二次谐波和三次谐波，即4.28GHz和6.42GHz，复合左右手传输线CRLH-TL的作用均相当于相应谐波频率下的四分之一波长阻抗变换器。因此，高频带的二次谐波和三次谐波对应的复合左右手传输线CRLH-TL相位响应分别选为-90°和-270°。使用集总参数元件实现左手传输线LH-TL，使用微带线实现右手传输线RH-TL。使用文献[4]中列出的设计流程，本发明能够计算出LR,CR,LL和CL以及左右手传输线RH-TL微带线长度l1,l2的具体数值。运用这些具体数值，结合ADS进行微调从而得到最终的优化参数：CL＝0.5pF,LL＝2.4nH,l1＝19.1mm,l2＝21.2mm。本发明选用的基底是RT/Duroid，其参数为板材厚度h＝20mil,相对介电常数εr＝2.2.从图4(b)的S21仿真结果能看出，对高频带的二次谐波和三次谐波，本发明设计的复合左右手传输线CRLH-TL均能提供相应频率下的短路。
图5(a)所示为具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路的原理图。其中，λ1是低频带基波f1的工作波长。为了使直流偏置电压不干扰到双频带信号，则必须使从A点向双频带直流偏置电路看过去呈现的阻抗在双频带基波频率f1和f2下均为无穷大，即开路状态。同时，具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路还能提供低频带二次谐波和三次谐波的短路。并联的λ1/4传输线和λ1/8传输线能够在B点分别提供低频带基波和二次谐波的短路，经过串联λ1/4传输线，在A点对低频带基波和二次谐波分别提供开路点和短路。并联扇形传输线在C点提供高频带基波f2的短路。通过调节B点与C点之间的传输线的长度l3，能够在A点对高频带基波提供开路点。并联的λ1/12传输线能够直接在A点提供低频带三次谐波的开路点。由图5(b)具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路的S21参数仿真结果能看出，本发明设计的具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路对低频带的二次谐波和三次谐波，能提供相应频率下的短路，同时，在两个双频带频率处，其也能提供相应工作频率下要求的开路点。
图3所示晶体管寄生分量模型由晶体管漏极和源极之间的寄生电容Cds、寄生电感Ld和封装寄生电容Cp组成的π型网络构成。完成高频带谐波控制电路和具有低频带谐波控制作用的双频带直流偏置电路的设计后，结合晶体管的寄生分量模型，通过对高频带谐波控制电路中高低阻抗线的电长度的调节，能够在晶体管固有漏极端提供高频带二次谐波短路和三次谐波开路点。通过对低频带谐波调节电路中高低阻抗线的电长度的调节，能够在晶体管固有漏极端提供低频带二次谐波短路和三次谐波开路点。从而实现了F类功率放大器在晶体管固有漏极处的阻抗条件。
图6所示为双频带基波阻抗匹配电路的原理图。双频带基波阻抗电路由低频带基波阻抗匹配电路和高频带基波阻抗匹配电路构成。低频带基波阻抗匹配电路和高频带基波阻抗匹配电路由L型的匹配网络构成。其中，λ1为低频带基波工作波长。通过调节低频带基波阻抗匹配电路中的L型的匹配网络的串联传输线的长度l4和并联开路枝节的长度l5，能够实现低频带基波阻抗的匹配。因为高频带基波阻抗匹配电路中的L型的匹配网络传输线的串联传输线的特征阻抗为50Ω，并联短路枝节的长度的长度为λ1/4，所以高频带基波阻抗匹配电路的插入不会影响已经完成的低频带基波阻抗匹配电路的匹配情况。通过调节高频带基波阻抗匹配电路中串联传输线的长度l6和并联短路枝节的特征阻抗Z02，能够实现高频带基波阻抗匹配。
实际设计中，晶体管选用型号为Cree CGH40010F的10W GaN HEMT晶体管。对该晶体管由制造商提供的寄生分量的具体数值如下：晶体管漏极和源极之间的寄生电容Cds＝1.2pF,寄生电感Ld＝0.55nH,封装寄生电容Cp＝0.2pF。
尽管上面结合附图对本发明发明进行了描述，但是本发明发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明发明的启示下，在不脱离本发明发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种高效率双频带F类功率放大器，其中，晶体管输出端由高频带谐波控制电路、低频带谐波调节电路、双频带直流偏置电路和双频带基波阻抗匹配电路构成；其特征在于：
所述高频带谐波控制电路位于晶体管和低频带谐波调节电路之间，所述双频带直流偏置电路位于低频带谐波调节电路和双频带基波阻抗匹配电路之间；
所述高频带谐波控制电路由串联的高低阻抗线和并联的复合左右手传输线CRLH-TL构成；
所述低频带谐波调节电路由高低阻抗线构成；
所述高频带谐波控制电路中的复合左右手传输线CRLH-TL同时提供高频带二次谐波和三次谐波的短路；
所述双频带直流偏置电路中集成有能提供低频带二次谐波和三次谐波短路的微带电路，从而使该双频带直流偏置电路具有低频带谐波控制作用，所述双频带直流偏置电路在提供谐波控制的同时，还在两个工作频带内提供基波开路和直流短路的条件；
所述双频带基波阻抗匹配电路包括高频带基波阻抗匹配电路和低频带基波阻抗匹配电路；所述高频带基波阻抗匹配电路由L型的匹配网络构成，所述L型的匹配网络包括与所述低频带基波阻抗匹配电路串接的传输线和与所述串联传输线并联的短路枝节，所述串接的传输线的特征阻抗为50Ω，所述短路枝节的长度为λ1/4，其中λ1是低频带基波对应的工作波长。
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