CN106982031A - 一种基于介质谐振器的滤波f类功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器，包括直流偏置电路、输入匹配电路、功率放大晶体管、谐波控制电路及输出匹配电路，所述输出匹配电路包括用于实现复数阻抗到纯实数阻抗转化的调谐微带传输线和用于实现实数阻抗到负载阻抗转化的介质匹配滤波器，所述调谐微带传输线与介质匹配滤波器连接。对比于传统使用的微带线滤波匹配网络和同轴腔体滤波匹配网络，本发明所使用的介质谐振器滤波匹配网络由于具有较高的Q值，可以在实现相同功率放大器效率的情况下得到其他滤波匹配网络所不能实现的更窄的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器。
背景技术
功率放大器和滤波器都是射频收发机中关键组成部分，它们的性能对整个收发机的性能产生重要的影响。在传统的设计中，功率放大器和滤波器的输入输出端口阻抗都被设计成50Ω，然后通过50Ω传输线将它们级联起来。这种方法不仅会引入额外的损耗，而且会增大电路的体积。
为了减小体积和损耗，可以将滤波器和功率放大器合并成一个滤波功率放大器电路。近年来，针对如何设计滤波功率放大器，学术界提出了一些解决方法，例如紧凑型的谐振单元、带有陷波的超宽带滤波器和低通滤波器可嵌入到F类功率放大器，用来控制高次谐波，使整个功放展现出高效率，但是这些电路没有带通滤波响应。此外，还有学者将微带带通滤波器或者微带与腔体结合的滤波器来替代传统功放的输出匹配电路，通过采用这种结构，整个电路得以简化，从而可以减少电路的体积，同时还能保持良好的滤波效果，但是随着无线通信系统的高速发展,通信频谱变得非常拥挤,频谱带宽很窄窄，这就要求滤波器具有窄带滤波响应，而以上所提到的微带滤波器和微带腔体混合滤波器的相对带宽都比较大。为解决这个问题，有学者采用了高Q值的腔体谐振器作为功放的输入匹配电路，实现窄带功放。除了腔体滤波器之外，介质滤波器也具有高Q值的特征，但目前为止，还没有公开提出介质滤波器和功率放大器的融合设计。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器。
本发明将介质滤波器植入到F类功率放大器中，并通过一段调谐微带线来转化复数阻抗为实数阻抗，这样简化了功率放大器的输出匹配电路，同时由于介质谐振器具有较高的Q值，可以实现较高功率附加效率时得到其他滤波匹配网络所不能实现的更窄的带宽，除此之外，通过引入交叉耦合，可以在通带两侧各产生一个传输零点，提高了滤波器的选择性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器，包括输入端口，直流偏置电路、输入匹配电路、功率放大晶体管、谐波控制电路及输出匹配电路，所述输出匹配电路包括用于实现复数阻抗到纯实数阻抗转化的调谐微带传输线和用于实现实数阻抗到负载阻抗转化的介质匹配滤波器，所述调谐微带传输线与介质匹配滤波器连接。
所述介质匹配滤波器包括输入馈电结构、输出馈电结构及至少两个介质谐振器，所述的输入馈电结构、输出馈电结构及至少两个介质谐振器采用主耦合及交叉耦合方式连接，所述输入馈电结构与调谐微带传输线连接。
所述输入馈电结构包括微带线及焊接在微带线上的金属杆。
所述输入匹配电路、功率放大晶体管、谐波控制电路及调谐微带传输线依次连接，所述直流偏置电路有两个，分别设置在功率放大晶体管的输入端及输出端。
所述调谐微带传输线的长度及宽度由所述功率放大器晶体管所需的最佳阻抗匹配点决定，所述的介质匹配滤波器的输入端与其他所有滤波器节点的耦合强度根据所述的调谐微带传输线转化的纯实数阻抗决定，用于将这个纯实数阻抗转化为负载阻抗。
本发明的有益效果：
(1)电路结构简单，相对于传统的将功率放大器与带通滤波器级联的结构，本发明中滤波电路嵌入到输出匹配电路，简化电路结构；
(2)电路损耗小，相对于传统的将功率放大器与带通滤波器级联的结构，本发明省去了滤波器和功率放大器之间的级联线，减小了电路损耗，此外与现有的同类工作相比，可以实现同等功率附加效率时具有其他滤波匹配网络所不能实现的更窄的带宽。
(3)选择性好，相对于现有的同类工作，本发明所述的基于介质谐振器的带通滤波器，在滤波器各个节点间存在交叉耦合，用于在通带两侧产生传输零点，改善了电路的选择性。
附图说明
图1是本发明一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器的结构示意图；
图2是本发明的S参数测试结果图；
图3是本发明的输出功率和PAE即功率附加效率的测试结果图；
图4是本发明输出功率、增益、PAE和漏极效率测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器，包括输入端口20，直流偏置电路30、输入匹配电路21、功率放大晶体管22、谐波控制电路23，在图1中HCC表示，及输出匹配电路31，上述电路均按照现有技术进行配置，所述输入匹配电路21、功率放大晶体管22、谐波控制电路23及调谐微带传输线24依次连接，所述直流偏置电路有两个，分别设置在功率放大晶体管的输入端及输出端。
所述输出匹配电路包括一条用于实现复数阻抗到纯实数阻抗转化的调谐微带传输线24和用于实现实数阻抗到负载阻抗转化的介质匹配滤波器32，所述的介质匹配滤波器具有高Q值，在实现窄带带通响应时，可获得较小的插入损耗。
所述调谐微带传输线的长度和宽度由所述功率放大器晶体管所需的最佳阻抗匹配点决定。
所述介质匹配滤波器32包括输入馈电结构25、输出馈电结构26及至少两个介质谐振器27等滤波器节点，所述输入馈电结构、输出馈电结构及至少两个介质谐振器采用主耦合及交叉耦合方式连接，用于产生传输零点，增强选择性，所述的介质匹配滤波器的输入馈电结构25与其他所有滤波器节点的耦合根据所述的调谐微带传输线24所转化来的纯实数阻抗决定，用于将这个纯实数阻抗转化为负载阻抗，节点之间存在交叉耦合，在通带两边各产生一个传输零点，有效地改善了通带的选择性。
所述输入馈电结构包括微带线28及焊接在微带线上的金属杆29与其他滤波器节点耦合，使整个介质匹配谐振器与调谐微带传输线连接。
根据滤波器理论，以二阶为例，所述的介质匹配滤波器的耦合矩阵可表示为：
其中MSi(i＝1,2,L)为输入端口与谐振器或输出端口间的耦合。Msi可表示为其中Qei为输入外部品质因数，FBW为相对带宽。因为品质因数Qei与归一化源阻抗Rin成正比例。介质匹配滤波器的不同输入阻抗，可以通过修改相同输入输出阻抗的耦合矩阵的元素来实现，为了实现Rin的归一化输入阻抗，元素Msi修改如下
可以看出，当输入阻抗不同时，只要通过调节Msi,而其他耦合系数保持不变，便可获得与原滤波器相同的响应。因此，本发明中提出的介质滤波器可作为所述功率放大器的输出匹配电路的一部分，实现实数阻抗转换，这样可以减少电路体积，得到较低的损耗和更高的效率。
图1展示所述的一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器实施例框图，实施例中选用的功率放大晶体管22为Cree公司的GaN HEMT CGH40010F，该功率放大晶体管包括栅极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VGS和漏极D直流偏置电压VDS如图1中所标注，具体参数为：VGS＝-2.7V，VDS＝28V。
本实例中所使用的输入匹配电路21，直流偏置电路30，谐波控制电路23等均按照传统方法进行设计。
本实例的一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器，加工选用PCB电路板介质材料的参数如下：εr＝2.2，h＝0.508,tanδ＝0.0012。
图2展示所述的一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器在小信号激励下的S参数测试结果，在中心频率1.88GHz处的小信号增益为18.3dB,3-dB带宽为2.3％，带内回波损耗优于15dB。此外，通带两侧分别产生一个传输零点，频率分别为1.745GHz和2.023GHz,有效地改善了通带的选择性。
图3展示所述的一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器实例在输入功率固定为28dBm时，输出功率和PAE(Power Added Efficiency，功率附加效率)的测试结果，输出功率在1.865和1.89GHz这个频段区间内，均大于40dBm，此外PAE在中心频率达到最高功率附加效率70.7％。
图4展示所述的一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器实例中心频率保持1.88GHz,输入功率由5到30dBm时的输出功率、增益、PAE和漏极效率测试结果，由图可以看出，测试的最高漏极效率达到75.8％，说明本发明所述的一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器的电路效率高。
综上所述，本发明提供了一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器，具有体积小，选择性好，电路损耗小效率高等多种性能，适合应用于许多射频收发机中。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于介质谐振器的滤波F类功率放大器，包括输入端口，直流偏置电路、输入匹配电路、功率放大晶体管、谐波控制电路及输出匹配电路，其特征在于，所述输出匹配电路包括用于实现复数阻抗到纯实数阻抗转化的调谐微带传输线和用于实现实数阻抗到负载阻抗转化的介质匹配滤波器，所述调谐微带传输线与介质匹配滤波器连接。
2.根据权利要求1所述的滤波F类功率放大器，其特征在于，所述介质匹配滤波器包括输入馈电结构、输出馈电结构及至少两个介质谐振器，所述的输入馈电结构、输出馈电结构及至少两个介质谐振器采用主耦合及交叉耦合方式连接，所述输入馈电结构与调谐微带传输线连接。
3.根据权利要求2所述的滤波F类功率放大器，其特征在于，所述输入馈电结构包括微带线及焊接在微带线上的金属杆。
4.根据权利要求1所述的滤波F类功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路、功率放大晶体管、谐波控制电路及调谐微带传输线依次连接，所述直流偏置电路有两个，分别设置在功率放大晶体管的输入端及输出端。
5.根据权利要求1所述的滤波F类功率放大器，其特征在于，所述调谐微带传输线的长度及宽度由所述功率放大器晶体管所需的最佳阻抗匹配点决定，所述的介质匹配滤波器的输入端与其他所有滤波器节点的耦合强度根据所述的调谐微带传输线转化的纯实数阻抗决定，用于将这个纯实数阻抗转化为负载阻抗。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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