CN107493082A - 一种双通带放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双通带放大器，解决的是带内平坦度差与通带间的隔离度差的技术问题，通过采用所述双通带放大器工作在L‑S波段，包括依次连接的输入匹配电路、放大管、放大器匹配输出电路及带阻电路；所述输入匹配电路用于50欧姆到放大管的阻抗匹配；所述放大器匹配输出电路用于放大管到50欧姆的阻抗匹配的技术方案，较好的解决了该问题，可用于射频电路中。

Description

一种双通带放大器
技术领域
本发明涉及微波器件领域，具体涉及一种双通带放大器。
背景技术
随着无线通信的迅速发展，人们对通信系统要求越来越高。无线通信系统由发射机和接收机等组成，数字信号处理模块(DSP)，调制器，混频器，滤波器，射频功率放大器等构成了无线通信系统的发射机部分。射频功率放大器是发射机中的关键设备，在无线通信系统中有着举足轻重的作用。随着人们对无线通信的要求越来越高，无线通信系统对功率放大器的输出功率，工作效率，线性度，带宽等也提出了更高的要求。近年来，随着无线通信的迅速发展，满足多种不同需求的无线通信系统相继面世,在民用通信方面包括全球移动通信系统(2G，3G，4G)，全球定位系统(GPS)，直播卫星接收通信(DBS)，蓝牙通信技术(Bluetooth)，无线局域网(WLAN)通信等。多频带射频功率放大器由于能够进一步减小无线收发器模块的尺寸。
现今的双频段放大器采两种技术方案，第一种是采用微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)对不同频段进行网络匹配，由于这种放大器使用开关转换的方法在两个频段进行匹配，这就导致开关处插入损耗高，不同频带间隔离度差等缺点。第二种是在匹配网络两个频率点实现阻抗匹配，这种方法往往能得到很高的效率，可是因为在每个频段恰好匹配，所以往往通带内带宽很窄，且平坦性很差。因此，提供一种能改善双通带放大器的带内平坦度与通带间的隔离度双通带放大器就很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的带内平坦度差与通带间的隔离度差的技术问题。提供一种新的双通带放大器，该双通带放大器具有带内平坦度高与通带间的隔离度高的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种双通带放大器，所述双通带放大器工作在L-S波段，包括依次连接的输入匹配电路、放大管、放大器匹配输出电路及带阻电路；所述输入匹配电路用于50欧姆到放大管的阻抗匹配；所述放大器匹配输出电路用于放大管到50欧姆的阻抗匹配。
本发明的工作原理：本发明提出工作在1GHz-3GHz的超宽带放大器，然后在超宽带放大器的输出端级联带阻滤波器。本发明采用四级电路设计，第一级是输入匹配电路，采用变阻抗滤波器的设计方法，通过将50Ω的阻抗变换到任意阻抗实现与放大管的输入匹配。第二级是放大管，可采用Cree公司的GaN-HEMT-CGH40010F放大器，该放大器工作在DC-6GHz频段，工作电压为28V，输出功率大于10W。第三级是放大器输出匹配电路，也采用变阻抗滤波器设计方法，实现了1-3GHz内的一款带通滤波器，同时达到了阻抗变换的目的。最后一级设计了一款高性能的带阻滤波器，其中心频率为1.85GHz，级联在输出匹配电路后，可实现两个分别工作于1-1.6GHz和2-3GHz的高隔离度高增益平坦度的宽带通带，两个通带的相对带宽分别为46％和40％。
上述方案中，为优化，进一步地，所述带阻电路为带阻滤波器，带阻滤波器为SIR带阻腔体滤波器。
进一步地，所述SIR带阻腔体滤波器包括外腔体，位于外腔体内的主传输线，与主传输线阻抗匹配连接、位于外墙体内的SIR谐振器。
进一步地，所述SIR谐振器包括高阻抗传输线、低阻抗传输线及阶跃结合面，阶跃结合面位于低阻抗传输线端的开路面、高阻抗传输线和低阻抗传输线之间。
进一步地，所述带阻滤波器的中心频率为1.85GHz。
进一步地，所述双通带放大器包括1GHz-1.6GHz和2GHz-3GHz的通带。
进一步地，所述放大管为GAN-HEMT-CGH40010F。
进一步地，所述输入匹配电路与放大器匹配输出电路均为微带线电路。
匹配电路采用变阻抗滤波器的设计方法，变阻抗滤波器的输入输出阻抗由计算所得，并可以通过诺顿变换将任一阻抗值匹配到50Ω，省略匹配电路从而减小电路尺寸，到达匹配与滤波相结合的目的。
计算得中心频率ω0＝1.73GHz。并通过ADS的负载牵引可得到最佳输入输出阻抗，选出最佳输入输出阻抗。由输入输出阻抗和中心频率的值可计算3阶低通原型的归一化参数
根据范诺宽带匹配网络的设计，经过深入研究得到了图中g值的解析式：
g0＝1
g1＝Qω/g0 gj＝1/gj-1(kj-1，j)2，j＝2...n
其中，θ＝π/2n，c＝2(1/Qω)sin(π/2n)，
rn＝0.32。
低通原型归一化参数后变换低通原型为带通滤波器，串联元件用串联谐振电路代替，并联原件用并联谐振电路代替，将其转换为带通网络：
其中ωc＝ω2-ω1。
本发明利用匹配网络中的元件进行诺顿变换，解决存在的匹配端电阻R的值不一定是50Ω，造成其与50Ω负载的失配的问题，最终得到负载为50Ω。
本发明的有益效果：
效果一，通带间的隔离度高；
效果二，带内平坦度高；
效果三，采用变阻抗滤波器的设计方法，可以省略匹配电路部分，有效减小了电路尺寸，降低了损耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，双通带放大器原理结构示意图。
图2，SIR带阻腔体滤波器示意图。
图3，SIR带阻腔体滤波器的测试结果S参数示意图。
图4，微带线的双通带放大器增益测试结果。
图5，微带线的双通带放大器效率测试结果
图6，将集总元件转换为微带线后的双通带放大器示意图。
图7，输入匹配电路示意图。
图8，放大器匹配输出电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。
实施例1
本实施例提供一种双通带放大器，所述双通带放大器工作在L-S波段，如图1，包括依次连接的输入匹配电路、放大管、放大器匹配输出电路及带阻电路；所述输入匹配电路用于50欧姆到放大管的阻抗匹配；所述放大器匹配输出电路用于放大管到50欧姆的阻抗匹配。
其中，L-S波段为频率范围是1GHz-3GHz的频段，双通带包括两个通带，分别是1GHz-1.6GHz和2GHz-3GHz的通带。
具体地，所述放大管为GAN-HEMT-CGH40010F。
具体地，所述带阻电路为带阻滤波器，带阻滤波器为SIR带阻腔体滤波器。
具体地，输入匹配电路如图7，为低通滤波器电路，包括与输入端50欧姆并联的电容C1取值2.1pF，电感L2取值1.98nH，电容C2取值0.415pF，电容C3取值1.97pF，电感L3取值4nH，电感L2与电容C2间串联有电感L1，取值3.67nH，电容C2与电容C3间串联有电容C4为2.22pF。
放大器匹配输出电路如图8，GAN-HEMT-CGH40010F的输出阻抗为27欧姆，与GAN-HEMT-CGH40010F输出端并联的电容C5，C6，电感L4，电容C7，C8，C10，电感L6；其中电容C7与C8间串联有电感L5，电容C8与电容C10间串联有电容C9。其中，电容C5取1.5pF，C6取0.1pF，电感L4取4.44nH，电容C7取0.13pF，电感L5取2.476nH，电容C8取0.837nH，电容C9取2.357pF，电容C10取0.64pF，电感L6取6.303nH。
具体地，如图2，所述SIR带阻腔体滤波器包括外腔体，位于外腔体内的主传输线，与主传输线阻抗匹配连接、位于外墙体内的SIR谐振器。其中，SIR谐振器包括高阻抗传输线、低阻抗传输线及阶跃结合面，阶跃结合面位于低阻抗传输线端的开路面、高阻抗传输线和低阻抗传输线之间。高阻抗传输线和低阻抗传输线的特性阻抗分别为z1和z2，等效电长度分别为θ1，θ2，定义从主传输线看进去的输入阻抗为Zin，为了研究方便，令θ＝θ1＝θ2，
其中S＝jtanθ。
如图3为SIR带阻腔体滤波器的测试结果S参数，SIR带阻腔体滤波器的中心频率为1.85GHz。从放大器输出端观察相当于接了一个双通带滤波器。因为带阻滤波器抑制了二次谐波，反而会增加通带内的效率使通带效率可达到60％以上，且有良好的隔离度。最终通过测试，双通带内的平坦度控制在±0.2dB以内，通带内增益达到40.5dBm以上。
优选地，为提高集成度，如图6，利用等效转移矩阵将集总的电容电感转化为微带线，输入匹配电路与放大器匹配输出电路均为微带线电路。
本实施例中采用的，带阻滤波器的中心频率为1.85GHz，级联在输出匹配电路后，测试结果如图4及图5。图4为增益测试结果，图5为效率测试结果。图4中，点m3频率为3GHz，Gain为12.092dB。图5中点m2频率为1GHz，效率PAE＝61.06％，点m4频率为3GHz，效率PAE＝56.54。
可实现两个分别工作于1-1.6GHz和2-3GHz的高隔离度高增益平坦度的宽带通带，两个通带的相对带宽分别为46％和40％。
本实施例在设计放大器时采用变阻抗滤波器的设计方法，可以省略匹配电路部分，有效减小了电路尺寸，降低了损耗。在设计双通带放大器时，本发明避开了传统的设计双通带滤波器的方法，采用在1-3GHz放大器及L-S波段放大器末级级联带阻滤波器的方法，这种设计方法可以保持两个频段超宽带高增益平坦度的优点，且同时具有高隔离度的优势。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种双通带放大器，其特征在于：所述双通带放大器工作在L-S波段，包括依次连接的输入匹配电路、放大管、放大器匹配输出电路及带阻电路；
所述输入匹配电路用于50欧姆到放大管的阻抗匹配；
所述放大器匹配输出电路用于放大管到50欧姆的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的双通带放大器，其特征在于：所述带阻电路为带阻滤波器，带阻滤波器为SIR带阻腔体滤波器。
3.根据权利要求2所述的双通带放大器，其特征在于：所述SIR带阻腔体滤波器包括外腔体，位于外腔体内的主传输线，与主传输线阻抗匹配连接、位于外墙体内的SIR谐振器。
4.根据权利要求3所述的双通带放大器，其特征在于：所述SIR谐振器包括高阻抗传输线、低阻抗传输线及阶跃结合面，阶跃结合面位于低阻抗传输线端的开路面、高阻抗传输线和低阻抗传输线之间。
5.根据权利要求2-4任一所述的双通带放大器，其特征在于：所述带阻滤波器的中心频率为1.85GHz。
6.根据权利要求5所述的双通带放大器，其特征在于：所述双通带放大器包括1GHz-1.6GHz和2GHz-3GHz的通带。
7.根据权利要求1-4任一或6所述的双通带放大器，其特征在于：所述放大管为GAN-HEMT-CGH40010F。
8.根据权利要求1所述的双通带放大器，其特征在于：所述输入匹配电路与放大器匹配输出电路均为微带线电路。
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