CN105897200B - 一种基于基片集成波导的f类功率放大器输出匹配电路 - Google Patents

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Abstract

一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，包括：第一微带线、第二微带线和基片集成波导；第一微带线与F类功率放大器中的三极管输出端连接，且第一微带线通过第二微带线与基片集成波导连接；基片集成波导具有对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通，并通过短路面使得三次谐波在第一微带线和第二微带线连接处为短路的特性，本发明中的匹配电路同时实现了F类功率放大器的输出匹配(基波、二次和三次匹配)和馈电网络，以极简的形式最大程度上满足了F类功率放大器输出匹配电路的需求。

Description

一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路
技术领域
本发明涉及一种功率放大器输出匹配电路，特别是一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，属于微波技术领域。
背景技术
传统的F类功率放大器基于微带枝节匹配实现。对于经典的F类功率放大器输出匹配电路如图1所示，该输出匹配电路的输出匹配要求为：Z1＝Zopt，n为偶数时，Zn＝0，n为奇数时，Zn＝∞，其中Zopt为最优匹配阻抗。
功率放大器的漏级(或集电极)供电一般通过微带枝节馈入。因为考虑到DC和RF的隔离，需要附加电感使得其对RF开路，或者电容到地来使得其对RF短路。当然，使用λ/4枝节也是较为常用的方式来在馈电枝节上对RF进行短路处理。
传统设计方法的问题也因此而较为明显：
(1)输出匹配网络和馈电网络的结合，往往会相互影响；
(2)输出匹配网络需要用到多个枝节，匹配复杂；
(3)使用电感实现RF隔离的方法只有在S频段及以下才有效，且足够的电感量来获取隔离特性往往意味着更大的直流损耗和更低的电流要求，这几乎同时限制了频段、功率和效率；
(4)电容到地的滤波网络对接地特性要求很高，枝节为λ/4，相对电感开路的方式(一般需要的枝节长度为λ/8)较长，这往往导致对基波和三次谐波的匹配非常困难，也限制了放大器工作带宽。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，通过两个微带线和一个基片集成波导的电路结构，同时实现F类功率放大器的输出匹配(基波、二次和三次匹配)和馈电网络，最大程度上满足了F类功率放大器输出匹配电路的需求。
本发明的技术解决方案是：一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，包括：第一微带线、第二微带线和基片集成波导；
所述第一微带线与F类功率放大器中的三极管输出端连接，且第一微带线通过第二微带线与基片集成波导连接；
所述基片集成波导具有对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通的特性，通过RF短路面使得三次谐波在第一微带线和第二微带线连接处为短路的特性。
所述第一微带线和第二微带线的长度均为λ/4，所述λ为F类功率放大器中心频率对应波长。
所述基片集成波导具有对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通的特性，通过调整基片集成波导的结构宽度实现。
所述基片集成波导通过RF短路面使得三次谐波在第一微带线和第二微带线连接处为短路的特性，通过调整基片集成波导的结构长度实现。
所述输出匹配电路还包括调试开路线，所述阻抗调试开路线与第一微带线连接，用于实现对输出匹配电路输出阻抗进行微调。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用两个微带线和一个基片集成波导的电路结构，同时实现了对功率放大器基波、二次和三次谐波的输出匹配，结构简单。
(2)本发明中的输出匹配电路采用两个微带线和一个基片集成波导的结构，实现了输出匹配网络和馈电网络的一体化设计，拓扑自身已消除了相互影响，满足了F类功率放大器输出匹配电路的需求。
(3)本发明中的输出匹配电路采用两个微带线和一个基片集成波导的结构，无需使用电感等隔离RF的器件，不受限于频率，适用于大电流大功率场合。
(4)本发明中的匹配电路RF隔离不需要再使用现有技术方案中的λ/4枝节，电路简单，基本无寄生参数，可实现电路精确仿真设计。
附图说明
图1是传统F类功率放大器输出匹配电路示意图；
图2是具备本发明提出的输出匹配电路的F类功率放大器原理框图；
图3是本发明具体实施例中F类功率放大器输出匹配电路结构示意图；
图4是本发明具体实施例中F类功率放大器输出匹配电路结果示意图；
图5是本发明具体实施例中F类功率放大器拓扑图；
图6是本发明具体实施例中F类功率放大器电流电压波形示意图；
图7是本发明具体实施例中F类功率放大器负载线特性示意图；
图8是本发明具体实施例中F类功率放大器仿真设计结果图；
图9是本发明具体实施例中F类功率放大器输出功率示意图；
图10是本发明具体实施例中F类功率放大器功率增益和漏级效率示意图。
其中，1--第一微带线，2--第二微带线，3--基片集成波导，4--阻抗调试开路线。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示为具备本发明提出的输出匹配电路的F类功率放大器原理框图，图2中的F类功率放大器包括输入匹配和栅极供电电路、三极管和输出匹配电路，其中输入匹配和栅极供电电路与三极管的输入端连接，输出匹配电路与三极管的输出端连接，从图2可知，本发明中的基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，包括第一微带线1、第二微带线2和基片集成波导3；
所述第一微带线1与F类功率放大器中的三极管输出端连接，且第一微带线1通过第二微带线2与基片集成波导3连接；
所述基片集成波导3具有对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通，通过RF短路面使得三次谐波在第一微带线1和第二微带线2连接处为短路的特性。
因为SIW对基波截止，呈短路特性，则通过微带线2，在基波f0上表现为开路，从而实现供电和RF的隔离，并且不影响基波匹配，而基波匹配主要通过调整微带线1的宽度来实现(即通过调整微带线1的宽度，可以实现良好的最优匹配阻抗)，所述微带线1的宽度根据不同的输出匹配要求而不同；具体宽度由仿真设计或者工程测试获得。
因为SIW对二次谐波截止，呈短路特性，则通过微带线2枝节，在二次谐波2*f0上表现为短路；
进一步地，为了更快速地取得最好的匹配效果，第一微带线1和第二微带线2的初始长度均为λ/4，所述λ为F类功率放大器工作频带中心频率对应波长，这样，当微带线1选取为λ/4(在二次谐波上看是λ/2)时，在二次谐波上，在晶体管漏级看到的二次谐波阻抗仍为短路；此外，因为微带线1在基波上为λ/4，则对于三次谐波而言，为3λ/4，这样，在三次谐波上，在晶体管漏级看到的三次谐波阻抗为开路。
因为SIW对基波、二次谐波呈现截止特性，并通过短路面对三次谐波以及更高次谐波均呈现短路特性，因而其对DC和RF进行了隔离，使得DC能够直接从SIW上端馈入晶体管。
进一步地，在实际工程中，通过调整基片集成波导3的结构宽度实现基片集成波导3对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通的特性；通过调整基片集成波导3的结构长度(SIW短路面到SIW输入口的距离)实现基片集成波导3使得三次谐波在第一微带线1和第二微带线2连接处为短路的特性。所述宽度和长度均根据不同的输出匹配电路而不同；具体取值由仿真设计或者工程测试获得。
进一步地，为了在实际工程应用中对输出匹配电路的输出阻抗进行微调，输出匹配电路还包括阻抗调试开路线4，所述阻抗调试开路线4与第一微带线1连接，通过阻抗调试开路线4阻值的调整实现对输出匹配电路输出阻抗的调整。
本发明利用两个微带线和一个基片集成波导3的电路结构，同时实现了对功率放大器基波、二次和三次谐波的输出匹配，结构简单。同时，本发明中的输出匹配电路采用两个微带线和一个基片集成波导3的结构，实现了输出匹配网络和馈电网络的一体化设计，拓扑自身已消除了相互影响，满足了F类功率放大器输出匹配电路的需求；且无需使用电感等隔离RF的器件，不受限于频率，适用于大电流大功率场合。与现有方法相比，本发明中的匹配电路RF隔离不需要再使用如图1中所示的多个λ/4枝节。电路简单，基本无寄生参数，可实现电路精确仿真设计。
本专利可以在微波频段提供精准的F类功率放大器。产品结构简单、设计灵活、结构紧凑、能适应更高频段的要求和更大功率的场合，可以应用到各种需要的电路和系统中。
本发明依托基片集成波导(SIW)3作为输出匹配和漏级供电网络，在简化功率放大器输出匹配的同时，提升了放大器的效率。具有广阔的应用前景。
具体实施例
基于本发明中的输出匹配电路，我们设计实现了一个工作在S频段的F类功率放大器。所述F类功率放大器的输出匹配网络如图3所示。由图4中的输出匹配结果知：基波阻抗为40Ohm，二次谐波接近短路，三次谐波接近开路，从而获得需要的电流电压波形(电流波形含有基次和二次谐波成分，三次谐波成分为0；电压波形含有基波和适当的三次谐波成分，二次谐波成分为0)。
S频段F类功率放大器的电路拓扑如图5所示，从图5可知，本实施例中的S频段F类功率放大器包括输入匹配、晶体管和输出匹配。其中输入匹配是为了实现功率放大器的高增益以及栅压供电，并考虑电路稳定性；输出匹配如采用本发明所述的输出匹配电路，通过本发明所述的结构可以同时实现基波、二次谐波和三次谐波的匹配，并进行漏级供电以及射频和供电的隔离。
图6为本实施例中的S频段F类功率放大器在2.5GHz的电压电流波形示意图，图7为本实施例中的S频段F类功率放大器在2.5GHz的负载线特性。由图6和图7知，仿真获得了类似方波形式的电压波形，电流为半波整流正弦波，这表明，通过所述的输出匹配形式，获得了F类功率放大器的漏级电流和电压波形(理想F类模式漏级电流为半波整流正弦波，电压为类方波形式)。
电路仿真结果如图8所示。从图8可知，本实施例中的F类功率放大器的工作频段为2.4GHz到2.55GHz，效率在150MHz工作带宽范围内大于75％，峰值效率大于80％。增益在整个频带内大于14dB，输出功率大于10W(40dBm)。
实测结果如图9和图10所示，从图9和图10可知，本实施例中的F类功率放大器的输出功率在2.3GHz到2.58GHz范围内大于40dBm，峰值效率大于70％，在2.36GHz到2.56GHz范围内效率大于60％。获得了优良的电性能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，其特征在于包括：第一微带线(1)、第二微带线(2)和基片集成波导(3)；
所述第一微带线(1)与F类功率放大器中的三极管输出端连接，且第一微带线(1)通过第二微带线(2)与基片集成波导(3)连接；
所述基片集成波导(3)具有对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通的特性，并具有使得三次谐波在第一微带线(1)和第二微带线(2)连接处为短路的特性；
所述第一微带线(1)和第二微带线(2)的长度均为λ/4，所述λ为F类功率放大器工作频带中心频率对应波长；
所述基片集成波导(3)具有对基波和二次谐波截止，对三次谐波导通的特性，通过调整基片集成波导(3)的结构宽度实现。
2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，其特征在于：所述基片集成波导(3)具有使得三次谐波在第一微带线(1)和第二微带线(2)连接处为短路的特性，通过调整基片集成波导(3)的结构长度，即短路面到基片集成波导入口的距离实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的F类功率放大器输出匹配电路，其特征在于：所述输出匹配电路还包括调试开路线(4)，所述调试开路线(4)与第一微带线(1)连接，用于实现对输出匹配电路进行微调。
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