CN107579717B - 用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路 - Google Patents

Abstract

一种用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，包括：相串联的匹配变换模块和基波匹配模块，以及输出端连接在所述匹配变换模块的输出端和基波匹配模块的输入端之间的二次谐波电抗匹配网络，其中，所述匹配变换模块的输入端连接晶体管封装输出端，所述基波匹配模块的输出端连接负载，所述二次谐波电抗匹配网络是由用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态的第一二次谐波电抗匹配网络，和用于将二次谐波的开路状态转化为短路状态的第二二次谐波电抗匹配网络。本发明匹配电路结构简单，易于实现，可同时实现两个频带的阻抗匹配，从而实现同时工作在双频带的要求，使放大器具有较高的工作效率。

Description

用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路

技术领域

本发明涉及一种功率放大器匹配电路。特别是涉及一种用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路。

背景技术

无线通信技术的快速发展和新的无线通信技术越来越要求通信收发机必须同时工作在多个频带来同时支持多个通信标准，以此来达到降低成本、缩小体积的目的。例如现有的移动通信、wifi等多支持多个通信标准，工作于多个频段，而大量通讯设备的射频部分往往使用多个工作于不同频率的功率放大器、低噪声放大器等模块配合滤波器进行分频段工作。

射频功率放大器是无线收发机中包含的必不可少的模块，它将射频信号进行放大、并通过负载天线辐射出去。并且，射频功率放大器是无线电路中最耗能的单元，因此，GaN基射频功率放大器的设计被要求高效率的工作。一般功放电路中设计只是对一个频带进行优化，达到性能最佳(高效，高输出功率等)。为了满足同时支持多频带或者多标准的工作频段的需求，越来越多的射频功率放大器要求其阻抗匹配电路同时支持多带工作以达到降低成本的目的。通常，采用通过开关切换多个功率放大器，或者采用可重构结构的功率放大器，是对于各个频带最优设计的最佳电路的解决方案，但是，这些结构只能在某一个时刻工作在一个频段，很难实现同时工作在多频带的要求，并且它还存在占用面积大，电路复杂，成本较高的缺点。

因此采用单个匹配电路同时满足两个既定频率点的阻抗匹配设计方法具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在两个频带都可以实现高效率信号放大的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路。

本发明所采用的技术方案是：一种用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，包括：相串联的匹配变换模块和基波匹配模块，以及输出端连接在所述匹配变换模块的输出端和基波匹配模块的输入端之间的二次谐波电抗匹配网络，其中，所述匹配变换模块的输入端连接晶体管封装输出端，所述基波匹配模块的输出端连接负载，所述二次谐波电抗匹配网络是由用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态的第一二次谐波电抗匹配网络，和用于将二次谐波的开路状态转化为短路状态的第二二次谐波电抗匹配网络。

所述的匹配变换模块是由第一微带线和第二微带线串联连接构成，所述第一微带线的输入端连接晶体管封装输出端，所述第二微带线的输出端和二次谐波电抗匹配网络的输出端共同连接基波匹配模块输入端。

所述的基波匹配模块是由第三微带线和第四微带线串联连接构成，所述第三微带线的输入端分别连接匹配变换模块中的第二微带线的输出端以及二次谐波电抗匹配网络的输出端，所述第四微带线的输出端连接负载。

所述的第一二次谐波电抗匹配网络是由第五微带线和第六微带线串联连接构成，所述第五微带线的输出端连接基波匹配模块中的第三微带线的输入端，所述第六微带线的输入端连接供电电源V。

在基波条件下，所述的第五微带线和第六微带线的电长度和在两个频段内均为70°～100°。

所述的第二二次谐波电抗匹配网络是由第七微带线和第八微带线串联连接构成，所述第七微带线的输出端连接基波匹配模块中的第三微带线的输入端。

在基波条件下，所述的第七微带线和第八微带线的电长度和在两个频段内均为30°～60°。

用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路在两个频带内要满足：

1)一次谐波负载实部在load-pull负载实部附近；

2)二次谐波负载实部近似为零，呈现纯电抗特性。

本发明的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，通过合理的设计各个模块的结构，可同时实现两个频带的阻抗匹配，从而实现同时工作在双频带的要求；本发明通过合理的添加匹配微带线，使放大器具有较高的工作效率；该匹配电路结构简单，易于实现。因此，本发明的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路的框图；

图2是本发明用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路的电路原理图。

图中

S：晶体管封装输出端 R：负载

1：匹配变换模块 2：基波匹配模块

3：二次谐波电抗匹配网络

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路做出详细说明。

本发明的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，是基于高效率功率放大器技术，使用简单的微带线结构满足高效功率放大器的阻抗匹配条件，即基波阻抗满足load-pull条件，二次谐波阻抗满足电抗特性；使用45°开路线和90°短路线同时进行二次谐波匹配，提高二次谐波匹配带宽；使用阶跃阻抗线进行双频带阻抗变换，从而实现双频带阻抗匹配。

因此，如图1所示，在负载和晶体管输出之间加入了基波匹配网络将负载阻抗在两个频带内于A点匹配到合适的阻抗值；在A点加入了二次谐波电抗匹配网络，该网络在二次谐波中心频点呈现近似于短路的状态，从而在带内呈现电抗特性，而在基波处则尽量呈现开路状态，减小对基波匹配的影响；匹配变换模块则将该网络的二次谐波和基波阻抗在两个频段内分别匹配到合适的值，以使电路在两个频带内均有不错的大信号特性。

本发明的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，如图1所示包括：相串联的匹配变换模块1和基波匹配模块2，以及输出端连接在所述匹配变换模块1的输出端和基波匹配模块2的输入端之间的二次谐波电抗匹配网络3，其中，所述匹配变换模块1的输入端连接晶体管封装输出端S，所述基波匹配模块2的输出端连接负载R，所述二次谐波电抗匹配网络3是由用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态的第一二次谐波电抗匹配网络，和用于将二次谐波的开路状态转化为短路状态的第二二次谐波电抗匹配网络。

如图2所示，所述的匹配变换模块1是由第一微带线TL1和第二微带线TL2串联连接构成，所述第一微带线TL1的输入端连接晶体管封装输出端，所述第二微带线TL2的输出端和二次谐波电抗匹配网络3的输出端共同连接基波匹配模块2输入端。

所述的基波匹配模块2是由第三微带线TL3和第四微带线TL4串联连接构成，所述第三微带线TL3的输入端分别连接匹配变换模块1中的第二微带线TL2的输出端以及二次谐波电抗匹配网络3的输出端，所述第四微带线TL4的输出端连接负载。

所述的第一二次谐波电抗匹配网络是由第五微带线TL5和第六微带线TL6串联连接构成，所述第五微带线TL5的输出端连接基波匹配模块2中的第三微带线TL3的输入端，所述第六微带线TL6的输入端连接供电电源V。在基波条件下，所述的第五微带线TL5和第六微带线TL6的电长度和在两个频段内均为70°～100°。

所述的第二二次谐波电抗匹配网络是由第七微带线TL7和第八微带线TL8串联连接构成，所述第七微带线TL7的输出端连接基波匹配模块2中的第三微带线TL3的输入端。在基波条件下，所述的第七微带线TL7和第八微带线TL8的电长度和在两个频段内均为30°～60°。

本发明的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路在两个频带内要满足如下条件：

1一次谐波负载实部在load-pull负载实部附近；

2二次谐波负载实部近似为零，呈现纯电抗特性。

图2中所示，构成基波匹配模块的第三微带线TL3和第四微带线TL4，可以在两个频带内完成基波下负载到A的匹配。构成二次谐波电抗匹配网络的第五微带线TL5和第六微带线TL6，在基波条件下，从A点计算该网络的阻抗近似为开路，从而降低了对基波匹配的影响，在二次谐波条件下，从A点计算该网络的阻抗近似为短路，用以产生二次谐波的电抗条件。构成二次谐波电抗匹配网络的第七微带线TL7和第八微带线TL8，在基波条件下，从A点计算该网络的阻抗为电抗特性，会对基波匹配产生一定的影响，需要与基波匹配模块、匹配变换模块的性能妥善折中，在二次谐波条件下使得从A点计算该网络的阻抗近似为短路，可以产生二次谐波的电抗条件，通过与第五微带线TL5和第六微带线TL6长度的合理调节，可以在更大的带宽内维持较好的二次谐波匹配。构成匹配变换模块的第一微带线TL1和第二微带线TL2，通过合理设置其值，可以将A点所得到的基波和二次谐波阻抗在两个频段内匹配到一个更为合理的值。

本实施例中，选择CREE公司的CGH40010F晶体管进行匹配网络设计。CGH40010F晶体管偏置在-2.8V，CGH40010F的封装输出端如图2所示连接至第一微带线TL1和第二微带线TL2；第五微带线TL5和第六微带线TL6连接至28V电源，第八微带线TL8开路，第二微带线TL2、第五微带线TL5、第七微带线TL7、第三微带线TL3连接于A点，第三微带线TL3与第四微带线TL4连接并连接至负载，负载中使用10uf电容进行隔直。放大器工作在0.6-1GHz及2.6-3GHz两个频段且在两个频率工作状态良好。

本实施例中一组参数值如表1所示：

表1

Claims (3)

1.一种用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，其特征在于，包括：相串联的匹配变换模块（1）和基波匹配模块（2），以及输出端连接在所述匹配变换模块（1）的输出端和基波匹配模块（2）的输入端之间的二次谐波电抗匹配网络（3），其中，所述匹配变换模块（1）的输入端连接晶体管封装输出端（S），所述基波匹配模块（2）的输出端连接负载（R），所述二次谐波电抗匹配网络（3）是由用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态的第一二次谐波电抗匹配网络，和用于将二次谐波的开路状态转化为短路状态的第二二次谐波电抗匹配网络；其中，

所述的匹配变换模块（1）是由第一微带线（TL1）和第二微带线（TL2）串联连接构成，所述第一微带线（TL1）的输入端连接晶体管封装输出端，所述第二微带线（TL2）的输出端和二次谐波电抗匹配网络（3）的输出端共同连接基波匹配模块（2）输入端；

第一微带线（TL1）和第二微带线（TL2）串联构成阶跃阻抗线结构，提供双频带阻抗变换；

在负载和晶体管封装输出端（S）之间加入了基波匹配模块（2），将负载阻抗在两个频带内于匹配变换模块（1）、基波匹配模块（2）和二次谐波电抗匹配网络（3）相交的A点匹配到合适的阻抗值，用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路在两个频带内要满足：

一次谐波负载实部在load-pull负载实部附近；

二次谐波负载实部近似为零，呈现纯电抗特性；

所述的基波匹配模块（2）是由第三微带线（TL3）和第四微带线（TL4）串联连接构成，所述第三微带线（TL3）的输入端分别连接匹配变换模块（1）中的第二微带线（TL2）的输出端以及二次谐波电抗匹配网络（3）的输出端，所述第四微带线（TL4）的输出端连接负载；

第三微带线（TL3）和第四微带线（TL4）串联构成阶跃阻抗线结构，提供双频带阻抗变换；

所述的第一二次谐波电抗匹配网络是由第五微带线（TL5）和第六微带线（TL6）串联连接构成，所述第五微带线（TL5）的输出端连接基波匹配模块（2）中的第三微带线（TL3）的输入端，所述第六微带线（TL6）的输入端连接供电电源V；所述的第二二次谐波电抗匹配网络是由第七微带线（TL7）和第八微带线（TL8）串联连接构成，所述第七微带线（TL7）的输出端连接基波匹配模块（2）中的第三微带线（TL3）的输入端；

第五微带线（TL5）和第六微带线（TL6）串联构成阶跃阻抗线结构，提供双频带阻抗变换；

第五微带线（TL5）和第六微带线（TL6），在基波条件下，从A点计算的该网络阻抗近似为开路，在二次谐波条件下，从A点计算该网络的阻抗近似为短路；

第七微带线（TL7）和第八微带线（TL8）串联构成阶跃阻抗线结构，提供双频带阻抗变换；

第七微带线（TL7）和第八微带线（TL8）在基波条件下从A点计算该网络的阻抗电抗为特性，二次谐波条件下，从A点计算该网络的阻抗近似为短路，通过第五微带线（TL5）和第六微带线（TL6）长度的合理调节，在更大的带宽内维持较好的二次谐波匹配。

2.根据权利要求1所述的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，其特征在于，在基波条件下，所述的第五微带线（TL5）和第六微带线（TL6）的电长度和在两个频段内均为70°～100°。

3.根据权利要求1所述的用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路，其特征在于，在基波条件下，所述的第七微带线（TL7）和第八微带线（TL8）的电长度和在两个频段内均为30°～60°。

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