CN107659277A - 一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路 - Google Patents

一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路 Download PDF

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Abstract

一种用于GaN功率器件的双频宽带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的用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态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。本发明的一种用于GaN功率器件的双频宽带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；本发明通过合理的设计基波匹配网络，使放大器的两个频带具有较宽的工作带宽；该匹配电路结构简单，易于实现，具有良好的应用前景。

Description

一种用于GaN功率器件的双频宽带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。特别是涉及一种能够将两个频带的射频信号在各个频带中同时进行宽带阻抗匹配的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路。
背景技术
近年来，随着消费电子和军用电子的传输需求逐渐从语音服务转向包括图片和高清视频在内的多媒体等需要高速通信的方向，通信标准正在不短变化和修正，基于对已经建立起来的基站等通信设施的最大化利用，现代通信正在逐渐从传统的单频点通信转换到多模多带通信。这意味着，为了满足多标准多模式的通信需求，无线射频发射机不仅要兼容各种现存的通信标准，甚至要覆盖即将出现的通信标准
发射机中，功率放大器往往占据了很大比重的功率消耗，而功率放大器是频率相关性较强的电路模块，所以我们通常设计的功率放大器大多都只能支持一个频段工作，且在设计频段内功放效率、输出功率、增益等指标都能满足设计要求，但是一旦超过或者低于这个频段，射频功放的性能将急剧下降，有时甚至无法工作。对于多频段应用，传统的方法是将工作在另一个频段的功放和原来的功放并行连接并集成到同一个系统中，就是采用这种方法实现的四频带射频发射机结构。然而这种方法极大地提升了系统的复杂度和设计成本，也增加了系统的整体功耗。而解决此问题的一种重要途径是在一个系统中采用单路功放同时支持两个或者多个频带的工作，并且保证在每一个设计频带内都能获得较好的性能(如效率，输出功率，增益等)，有效降低了系统的复杂度和设计成本，也降低了系统的整体功耗。
以往的双频带功率放大器往往基于开关类功率放大器设计思想，苛刻的匹配条件使得双频中的每个频带都较窄，应用场景有限。因此，基于双频宽带功率放大器的需求，采用单个匹配电路同时满足双频宽带的匹配条件具有广阔的应用前景。本发明针对近两年移动通信基站逐渐大量使用的GaN功率器件进行设计，具有很大的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现双频宽带功率放大的用于GaN功率器件的双频宽带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功率器件的双频宽带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的用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态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。
所述第三微带线的输出端和第四微带线的输入端连接起到接地电容作用的第七微带线，所述第四微带线的输出端还连接起到接地电容作用的第八微带线。
所述的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。
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°。
用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路在两个频带内要满足下述条件：
1)一次谐波负载实部在双频宽带内满足load-pull最佳负载条件；
2)二次谐波负载实部趋近于零，呈现纯电抗特性。
本发明的一种用于GaN功率器件的双频宽带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；本发明通过合理的设计基波匹配网络，使放大器的两个频带具有较宽的工作带宽；该匹配电路结构简单，易于实现，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是阶跃阻抗线的原理图；
图2是本发明一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路的电路框图；
图3是本发明一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路做出详细说明。
本发明的一种用于GaN功率器件的双频宽带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宽带连续型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；使用阶跃阻抗线设计90°短路线进行二次谐波匹配，在不影响基波匹配的情况下在两个频带内进行二次谐波匹配；使用多段微带线设计基波阻抗匹配网络，保证两个频带都有较大的设计空间，从而实现基波的宽带匹配。
如图1所示为一种阶跃阻抗线结构，使用不同特征阻抗和电长度的两节微带线进行连接，从而可以获得双频带阻抗匹配的特性。具体分析如下：
在本发明中，主要涉及使用阶跃阻抗线将终端短路情况进行阻抗变换，对其进行分析，
Z'＝Z2tan(βl2)j (2)
将1式带入2式并展开可得
对于给定的频率f1和f2可以确定阶跃阻抗线的电长度与特性阻抗的关系，通过调节电长度与特性阻抗获得所需的匹配网络。
如图2所示，本发明的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，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的输入端的用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态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。
用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路在两个频带内要满足下述条件：
1)一次谐波负载实部在双频宽带内满足load-pull最佳负载条件；
2)二次谐波负载实部趋近于零，呈现纯电抗特性。
因此，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。
如图3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S，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R。
所述第三微带线TL3的输出端和第四微带线TL4的输入端连接起到接地电容作用的第七微带线TL7，所述第四微带线TL4的输出端还连接起到接地电容作用的第八微带线TL8。
所述的二次谐波电抗匹配网络3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°。
图3中所示的第三微带线TL3、第四微带线TL4、第七微带线TL7和第八微带线TL8为基波匹配模块，可以在两个频带内完成基波下负载到A的匹配。具体来说，在高频f2处，将第七微带线TL7设计为使从B点等效阻抗为近似开路状态，从而高频处基波阻抗主要由第三微带线TL3、第四微带线TL4和第八微带线TL8决定，而在低频f1处，第七微带线TL7则距离短路点更近，从而使第四微带线TL4和第八微带线TL8影响较小，基波阻抗主要由第三微带线TL3和第七微带线TL7决定，从而使基波匹配模块可以在两个频带内具有合理的基波阻抗，并且由于微带线较多，可以实现宽带的基波匹配。
第五微带线TL5和第六微带线TL6属于二次谐波电抗匹配网络，同时连接电源为电路提供漏极电压，第五微带线TL5和第六微带线TL6的电长度和在两个频段内都为70°～100°，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。
图3中所示的第一微带线TL1和第二微带线TL2为匹配变换模块，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。
图3中，信号经由第一微带线TL1、第二微带线TL2、第三微带线TL3和第四微带线TL4流向负载，晶体管输出连接至第一微带线TL1和第二微带线TL2；第五微带线TL5和第六微带线TL6连接至电源，第七微带线TL7和第八微带线TL8开路，第二微带线TL2、第五微带线TL5、第三微带线TL3连接于A点，第三微带线TL3、第四微带线TL4和第七微带线TL7连接于B点，第四微带线TL4和第八微带线TL8与负载相连。

Claims (7)

1.一种用于GaN功率器件的双频宽带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)的输入端的用于将二次谐波的短路状态转化为短路状态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)。
2.根据权利要求1所述的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，其特征在于，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(S)，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。
3.根据权利要求1所述的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，其特征在于，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(R)。
4.根据权利要求3所述的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，其特征在于，所述第三微带线(TL3)的输出端和第四微带线(TL4)的输入端连接起到接地电容作用的第七微带线(TL7)，所述第四微带线(TL4)的输出端还连接起到接地电容作用的第八微带线(TL8)。
5.根据权利要求1所述的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，其特征在于，所述的二次谐波电抗匹配网络(3)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。
6.根据权利要求5所述的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，其特征在于，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°。
7.根据权利要求1所述的一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路，其特征在于，用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路在两个频带内要满足下述条件：
1)一次谐波负载实部在双频宽带内满足load-pull最佳负载条件；
2)二次谐波负载实部趋近于零，呈现纯电抗特性。
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