CN105227148B - 用于功率放大器的宽带匹配网络及构建方法和功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于功率放大器的宽带匹配网络及构建方法和功率放大器。该宽带匹配网络为基于多谐振单元的电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性。该宽带匹配网络采用多谐振单元纵向构建的办法进行构建。该功率放大器的输入匹配网络或输出匹配网络为该宽带匹配网络。本发明的宽带匹配网络及功率放大器具有小型化、高效能和宽频带的优点。

Description

用于功率放大器的宽带匹配网络及构建方法和功率放大器
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及用于功率放大器的宽带匹配网络及构建方法和功率放大器。
背景技术
传统的高效能宽带功率放大器，比如使用宽带匹配网络的功率放大器，由于它们高效率和宽频带的特性，已经被广泛使用在高速无线通信系统。然而，这些功率放大器具有较大的电路面积，不利于系统集成化的实现。由于这个原因，这些功率放大器均不适合应用在要求具有高效能、小型化和宽带特性的消费类电子产品里。为了克服传统高效能宽带功率放大器的缺点，一些小型化的网络结构被加入到功率放大器中，比如带通滤波功率放大器技术。即使这些小型化网络的加入可以克服传统结构的不足，但是它们的带宽十分有限。
发明内容
本发明实施例提供一种应用于功率放大器的宽带匹配网络，用以提高带宽并具有小型化的特点，所述宽带匹配网络为基于多谐振单元的电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性。
一个实施例中，所述宽带匹配网络的集总元件等效电路包括多个由电容和电感组成的谐振单元。
一个实施例中，所述宽带匹配网络的集总元件等效电路包括：横向结构对称的第一谐振单元和第二谐振单元；纵向结构对称的第三谐振单元和第四谐振单元；其中：
第一谐振单元和第二谐振单元均包括：两个第一电容C1和一个第三电感L3，两个第一电容C1的第一端彼此相连，两个第一电容C1的第二端均接地；第三电感L3的第一端与两个第一电容C1的第一端相连，作为所在谐振单元的第一端，第三电感L3的第二端作为所在谐振单元的第二端；
第三谐振单元和第四谐振单元均包括：两个第二电容C2、两个第二电感L2和一个第一电感L1，第一电感L1的第一端作为所在谐振单元的第一端，第一电感L1的第二端与两个第二电感L2的第一端相连，两个第二电感L2的第一端彼此相连，两个第二电感L2的第二端分别与一个第二电容C2的第一端相连，两个第二电容C2的第二端均接地；
第一谐振单元的第二端、第二谐振单元的第二端、第三谐振单元的第一端和第四谐振单元的第一端彼此相连；
第一谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输入端，第二谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输出端；或，第一谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输出端，第二谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输入端。
一个实施例中，所述多谐振单元采用分立元件或分布参数实现。
一个实施例中，所述多谐振单元采用分布参数实现，包括：所述多谐振单元采用微带线实现。
一个实施例中，所述宽带匹配网络包括构建于介质基板上的：形状大小相同、且通过金属微带线相连的第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构；形状大小相同、且位于第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构之间的第三金属微带线矩形结构、第四金属微带线矩形结构、第五金属微带线矩形结构和第六金属微带线矩形结构；
第三金属微带线矩形结构通过金属微带线与第四金属微带线矩形结构相连；第五金属微带线矩形结构通过金属微带线与第六金属微带线矩形结构相连；连接第三金属微带线矩形结构和第四金属微带线矩形结构的金属微带线通过第一金属微带线结构与连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线相连；连接第五金属微带线矩形结构和第六金属微带线矩形结构的金属微带线通过第二金属微带线结构与连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线相连；
第一金属微带线结构和第二金属微带线结构均构成中间折叠谐振器，第一金属微带线结构的中间折叠部分开口方向与第二金属微带线结构的中间折叠部分开口方向相反；第三金属微带线矩形结构、第四金属微带线矩形结构和第一金属微带线结构位于连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线的一侧；第五金属微带线矩形结构、第六金属微带线矩形结构和第二金属微带线结构位于连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线的另一侧。
本发明实施例还提供一种上述宽带匹配网络的构建方法，用以提高带宽并减小电路面积，在该方法中，上述宽带匹配网络采用多谐振单元纵向构建的办法进行构建，在纵向上延伸谐振单元。
本发明实施例还提供一种功率放大器，用以提高带宽并具有小型化的特点，所述功率放大器的输入匹配网络或输出匹配网络为上述的宽带匹配网络。
一个实施例中，所述功率放大器包括：构建于介质基板上的输入匹配网络、输出匹配网络、场效应管和金属化通孔；所述输出匹配网络为所述宽带匹配网络；所述输入匹配网络经所述场效应管连接所述输出匹配网络；所述金属化通孔用于接地。
一个实施例中，所述场效应管为氮化镓宽带隙金属场效应管。
综上所述，本发明实施例中应用于功率放大器的宽带匹配网络为基于多谐振单元的电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性，该结构使宽带匹配网络具有了小型化的特点，并且相对于现有技术提高了带宽。
本发明实施的宽带匹配网络利用多谐振单元纵向构建的办法进行构建，使宽带匹配网络在电路面积上明显减小，同时保持宽带和匹配的良好性能。
在功率放大器中应用本发明实施的宽带匹配网络，可以明显地减少功率放大器的电路面积，并具有高效能和宽频带的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。在附图中：
图1为本发明实施例的宽带匹配网络的集总元件等效电路一具体示例图；
图2是本发明实施例中图1所示集总元件等效电路的仿真结果图；
图3是本发明实施例中宽带匹配网络的微带线电路结构示意图；
图4是本发明实施例中宽带匹配网络的微带线电路结构的参数示意图；
图5是本发明实施例中小型化宽带高效率功率放大器电路实例图；
图6是本发明实施例中图5所示微带线匹配网络S参数的仿真结果图；
图7是本发明实施例中图5所示小型化宽带高效率功率放大器的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
发明人研究了应用于小型化的高效能宽带射频及微波功率放大器中的紧缩宽带匹配网络的构建，在本发明实施例中提出从简单的谐振单元演进到由多个谐振单元组成的紧缩宽带匹配网络结构，由于该宽带匹配网络结构对称、简单，并且可以结合功率管的寄生参数联合设计，因此本发明实施例的宽带匹配网络结构适用于实际工程中宽带匹配网络的设计。
本发明实施例中应用于功率放大器的宽带匹配网络为基于多谐振单元的电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性。该宽带匹配网络是从最基本的PI型低通匹配网络演化而来。PI型低通匹配网络具有低通和窄带匹配的特性，其结构决定了其不存在带内极点和带外零点，所以导致窄带特性。在PI型低通匹配网络的基础上演进至非对称的结构，非对称结构是将基本PI型结构延伸一级，使其产生了两个极点和单个零点，这使得此结构的工作频段得到扩展，具备了宽带和小型化的特性，而且零点加强了在带外对谐波的抑制作用。但是，由于此结构的非对称性使得带外抑制作用不强。从频率阻抗的角度来分析，此非对称结构在高次谐波的阻抗存在电阻性而不是纯电抗性，从而影响功率放大器的效率和带宽。由于存在以上不足，本发明实施例从简单的谐振单元演进到由多个谐振单元组成的紧缩宽带匹配网络结构，具有在横向和纵向结构对称的特性，加强了带外的抑制作用而不影响在基频的宽带匹配。该宽带匹配网络基于多谐振单元的排列引入零点和极点，提高了带宽和谐波抑制程度。
本发明实施例的宽带匹配网络的集总元件等效电路可以包括多个由电容和电感组成的谐振单元。图1为本发明实施例的宽带匹配网络的集总元件等效电路一具体示例图。如图1所示，可以看到，本发明实施例的宽带匹配网络是基于多谐振单元的一种电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性。图1所示的宽带匹配网络的集总元件等效电路包括：横向结构对称的第一谐振单元和第二谐振单元；纵向结构对称的第三谐振单元和第四谐振单元；其中：
第一谐振单元和第二谐振单元均包括：两个第一电容C1和一个第三电感L3，两个第一电容C1的第一端彼此相连，两个第一电容C1的第二端均接地；第三电感L3的第一端与两个第一电容C1的第一端相连，作为所在谐振单元的第一端，第三电感L3的第二端作为所在谐振单元的第二端；
第三谐振单元和第四谐振单元均包括：两个第二电容C2、两个第二电感L2和一个第一电感L1，第一电感L1的第一端作为所在谐振单元的第一端，第一电感L1的第二端与两个第二电感L2的第一端相连，两个第二电感L2的第一端彼此相连，两个第二电感L2的第二端分别与一个第二电容C2的第一端相连，两个第二电容C2的第二端均接地；
第一谐振单元的第二端、第二谐振单元的第二端、第三谐振单元的第一端和第四谐振单元的第一端彼此相连；
第一谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输入端，第二谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输出端；或，第一谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输出端，第二谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输入端。
图1所示的宽带匹配网络的集总元件等效电路仅为一例，本领域技术人员可以对图1所示电路做适当的更改，只要使该等效电路包括多个由电容和电感组成的谐振单元，并具有在横向和纵向结构对称的特性即可。
图2是本发明实施例中图1所示集总元件等效电路的仿真结果图。在图2中，本发明实施例的集总元件等效电路的S参数表明此宽带匹配网络在低频具有良好的宽带匹配功能，反射系数在0到3GHz范围内均高于15dB，同时在4到6GHz，甚至更高的谐波频段，插入损耗均高于30dB。S参数的仿真表明，本发明实施例的等效电路仿真具有良好的电路特性。图2中S11为回波损耗，S21为插入损耗。
在具体实现时，本发明实施例的宽带匹配网络中，多谐振单元可以采用分立元件或分布参数实现。在多谐振单元采用分布参数实现时，多谐振单元可以采用微带线等来实现。目前在LTE、WiMAX和WiFi的工作频段集中在1-3GHz的射频及微波频段，因此实施例中可以利用本发明实施例的宽带匹配网络，设计一个具有小型化、宽带、高效率的微波功率放大器。由于本例中的宽带匹配网络需工作在GHz频段，因此利用微带线实现本例的设计。图3是本例中宽带匹配网络的微带线电路结构示意图，该微带线电路结构包括提供宽带匹配的金属微带线矩形结构1、提供谐波抑制性能的金属微带线矩形结构2和具有高阻抗特性的金属微带线结构3，这些金属微带线结构都构建在介质基板4上。
具体的，本例中宽带匹配网络包括构建于介质基板(图3中介质基板4)上的：形状大小相同、且通过金属微带线相连的第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构(图3中金属微带线矩形结构1)；形状大小相同、且位于第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构之间的第三金属微带线矩形结构、第四金属微带线矩形结构、第五金属微带线矩形结构和第六金属微带线矩形结构(图3中金属微带线矩形结构2)；
第三金属微带线矩形结构通过金属微带线与第四金属微带线矩形结构相连；第五金属微带线矩形结构通过金属微带线与第六金属微带线矩形结构相连；连接第三金属微带线矩形结构和第四金属微带线矩形结构的金属微带线通过第一金属微带线结构(图3中金属微带线结构3)与连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线相连；连接第五金属微带线矩形结构和第六金属微带线矩形结构的金属微带线通过第二金属微带线结构(图3中金属微带线结构3)与连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线相连；
第一金属微带线结构和第二金属微带线结构均构成中间折叠谐振器，第一金属微带线结构的中间折叠部分开口方向与第二金属微带线结构的中间折叠部分开口方向相反；第三金属微带线矩形结构、第四金属微带线矩形结构和第一金属微带线结构位于连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线的一侧；第五金属微带线矩形结构、第六金属微带线矩形结构和第二金属微带线结构位于连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线的另一侧。
图4是本例中宽带匹配网络的微带线电路结构的参数示意图。表格1中是本例中微带线电路结构的参数取值示例。
表格1 应用于功率放大器的宽带匹配网络的设计参数
参数 W1 W2 W3 W4 W5
数值(mm) 1.3 6 0.3 0.3 0.3
参数 L1 L2 L3 L4 L5
数值(mm) 3 3 1.8 0.9 2.7
此外，本发明实施例的宽带匹配网络的可以利用多谐振单元纵向构建的办法，使得宽带匹配网络具有基频宽带匹配和谐波抑制功能。纵向构建方法主要是利用在纵向上延伸谐振单元，既保持了基频带宽不变，又增加了带外零点。因此，纵向构建方法可以提高电路性能和提高电路面积使用的有效性，进而降低了电路的使用面积。而传统的横向构建方法主要是基于提高匹配网络的阶数使得在基频的极点数不断增加，同时也提高匹配网络对于高频谐波的抑制。但是，随着基频段极点数的增加，电路在横向上的使用面积必须增加，加大了电路的长度，也增加了匹配网络的损耗。因此，由于是基于纵向构建的办法，不同于以往横向构建的传统宽带匹配网络，本发明实施例的宽带匹配网络具有了小型化的特点，在电路面积上明显减小，同时保持宽带和匹配的良好性能。
本发明实施例的宽带匹配网络应于用功率放大器，可作为功率放大器的输入匹配网络或输出匹配网络。本发明实施例的宽带匹配网络可以作为任意有源电路的输入和输出匹配网络。在设计宽带高效率功率放大器中，植入本发明实施例的小型化宽带匹配网络作为其输出匹配网络，可以明显地减少功率放大器的电路面积。
具体实施时，功率放大器可以包括：构建于介质基板上的输入匹配网络、输出匹配网络、场效应管和金属化通孔；输出匹配网络可以是本发明实施例的宽带匹配网络；输入匹配网络经场效应管连接输出匹配网络；金属化通孔用于接地。实施例中场效应管可以采用氮化镓宽带隙金属场效应管，当然也可以根据需求采用其它场效应管。
图5是本发明实施例中小型化宽带高效率功率放大器电路实例图。如图5所示，在本例的小型化宽带高效率功率放大器中，接地主要通过大量的金属化通孔5来实现，介质基板6表面是金属微带线电路，其主要由输入匹配网络7、氮化镓宽带隙金属场效应管8和基于本发明实施例的宽带匹配网络的输出匹配网络9组成。图6是本发明实施例中图5所示微带线匹配网络S参数的仿真结果。如图6所示，在工作频带内存在两个极点使得频带变宽，同时，在频带外存在一个零点使得对谐波的抑制得到提高。图6的结果和图2的等效电路的理想结果基本一致。图6中S11为回波损耗，S21为插入损耗。根据图5的功率放大器的结构图进行仿真，得到了图7的小型化宽带高效率功率放大器的仿真结果。其中，从1.8GHz到2.8GHz(43.5％)的工作频带内，功率放大器的效率维持在60％以上，并且输出功率保持在41dBm(12.5W)左右。图5的功率放大器面积为0.31×0.23导波长度(物理面积为3.5cm×5.3cm)。相比较之前高效能宽带功率放大器的匹配网络结构，本例中的匹配网络结构明显地减少电路尺寸，保持了宽带的特性，几何结构简单，容易植入射频及微波有源电路。
综上所述，本发明实施例中应用于功率放大器的宽带匹配网络为基于多谐振单元的电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性，该结构使宽带匹配网络具有了小型化的特点，并且相对于现有技术提高了带宽，基于多谐振单元的排列引入零点和极点，加强了带外的抑制作用而不影响在基频的宽带匹配。
本发明实施的宽带匹配网络利用多谐振单元纵向构建的办法进行构建，使宽带匹配网络具有基频宽带匹配和谐波抑制功能，不仅具有小型化的特点，在电路面积上明显减小，还同时保持宽带和匹配的良好性能。
在功率放大器中应用本发明实施的宽带匹配网络，可以明显地减少功率放大器的电路面积，并具有高效能和宽频带的特点。
本发明实施例的主要应用是作为众多消费级电子产品的功率放大器件，比如无线路由器，无线充电装置以及移动通信小型基站，这些消费级电子产品要求具有高效能、小型化和宽带特性的射频及微波功率放大器。相比较已有的高效能宽带功率放大器，本发明实施例的优势是明显的。它不仅在尺寸和性能上优于已有的功率放大器，而且提出了植入式匹配网络的构建方法。本发明实施例的高效能宽带功率放大器适合应用到各类消费类射频以及微波电子产品里面，并且可以将宽带匹配网络植入到其他射频及微波有源电路之中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于功率放大器的宽带匹配网络，其特征在于，所述宽带匹配网络为基于多谐振单元的电路结构，具有在横向和纵向结构对称的特性；
所述宽带匹配网络的集总元件等效电路包括多个由电容和电感组成的谐振单元；
其中，所述宽带匹配网络的集总元件等效电路包括：横向结构对称的第一谐振单元和第二谐振单元；纵向结构对称的第三谐振单元和第四谐振单元；其中：
第一谐振单元和第二谐振单元均包括：两个第一电容C1和一个第三电感L3，两个第一电容C1的第一端彼此相连，两个第一电容C1的第二端均接地；第三电感L3的第一端与两个第一电容C1的第一端相连，作为所在谐振单元的第一端，第三电感L3的第二端作为所在谐振单元的第二端；
第三谐振单元和第四谐振单元均包括：两个第二电容C2、两个第二电感L2和一个第一电感L1，第一电感L1的第一端作为所在谐振单元的第一端，第一电感L1的第二端与两个第二电感L2的第一端相连，两个第二电感L2的第一端彼此相连，两个第二电感L2的第二端分别与一个第二电容C2的第一端相连，两个第二电容C2的第二端均接地；
第一谐振单元的第二端、第二谐振单元的第二端、第三谐振单元的第一端和第四谐振单元的第一端彼此相连；
第一谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输入端，第二谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输出端；或，第一谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输出端，第二谐振单元的第一端作为所述宽带匹配网络的集总元件等效电路的输入端。
2.如权利要求1所述的宽带匹配网络，其特征在于，所述多谐振单元采用分立元件或分布参数实现。
3.如权利要求2所述的宽带匹配网络，其特征在于，所述多谐振单元采用分布参数实现，包括：所述多谐振单元采用微带线实现。
4.如权利要求3所述的宽带匹配网络，其特征在于，所述宽带匹配网络包括构建于介质基板上的：形状大小相同、且通过金属微带线相连的第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构；形状大小相同、且位于第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构之间的第三金属微带线矩形结构、第四金属微带线矩形结构、第五金属微带线矩形结构和第六金属微带线矩形结构；
第三金属微带线矩形结构通过金属微带线与第四金属微带线矩形结构相连；第五金属微带线矩形结构通过金属微带线与第六金属微带线矩形结构相连；连接第三金属微带线矩形结构和第四金属微带线矩形结构的金属微带线通过第一金属微带线结构与连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线相连；连接第五金属微带线矩形结构和第六金属微带线矩形结构的金属微带线通过第二金属微带线结构与连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线相连；
第一金属微带线结构和第二金属微带线结构均构成中间折叠谐振器，第一金属微带线结构的中间折叠部分开口方向与第二金属微带线结构的中间折叠部分开口方向相反；第三金属微带线矩形结构、第四金属微带线矩形结构和第一金属微带线结构位于连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线的一侧；第五金属微带线矩形结构、第六金属微带线矩形结构和第二金属微带线结构位于连接第一金属微带线矩形结构和第二金属微带线矩形结构的金属微带线的另一侧。
5.一种如权利要求1至4任一项所述宽带匹配网络的构建方法，其特征在于，所述宽带匹配网络采用多谐振单元纵向构建的办法进行构建，在纵向上延伸谐振单元。
6.一种功率放大器，其特征在于，所述功率放大器的输入匹配网络或输出匹配网络为权利要求1至4任一项所述的宽带匹配网络。
7.如权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括：构建于介质基板上的输入匹配网络、输出匹配网络、场效应管和金属化通孔；所述输出匹配网络为所述宽带匹配网络；所述输入匹配网络经所述场效应管连接所述输出匹配网络；所述金属化通孔用于接地。
8.如权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述场效应管为氮化镓宽带隙金属场效应管。
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