CN107911088A - 用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路 - Google Patents

用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路 Download PDF

Info

Publication number
CN107911088A
CN107911088A CN201711029281.3A CN201711029281A CN107911088A CN 107911088 A CN107911088 A CN 107911088A CN 201711029281 A CN201711029281 A CN 201711029281A CN 107911088 A CN107911088 A CN 107911088A
Authority
CN
China
Prior art keywords
impedance
microstrip line
power
frequencies
stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711029281.3A
Other languages
English (en)
Inventor
毛陆虹
蔡昊成
谢生
丛佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN201711029281.3A priority Critical patent/CN107911088A/zh
Publication of CN107911088A publication Critical patent/CN107911088A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，包括依次相连的用于在两个频率下对二次谐波阻抗为纯电抗条件进行匹配的二次谐波阻抗匹配模块和在两个频率下完成驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗的匹配的基波阻抗匹配模块，所述二次谐波阻抗匹配模块的输入端连接驱动级GaN晶体管的输出端，所述基波阻抗匹配模块的输出端连接功率级GaN晶体管的输入端。本发明结构简单，易于实现，可同时实现两个频率的阻抗匹配，从而实现同时工作在双频率的要求；可以在双频条件下实现驱动级类半正弦电压信号输出，从而降低功率级无效输出功率，提高功率放大器整体效率；并在两个频率下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配。

Description

用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路
技术领域
本发明涉及一种匹配电路。特别是涉及一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路。
背景技术
随着现代无线通信技术的快速发展，新的通信协议和信道不断涌现。新的无线收发机往往需要工作在多频多模条件下，这就要求无线收发机中的功率放大模块可以工作在宽频或多频率下，以满足多种工作模式的要求。一般的，射频功率放大器是无线电路中最耗能的单元，占整体收发机耗能的75％以上，因此，一般要求射频功率放大器具有较高的工作效率。传统设计的多频率功率放大器往往需要兼顾效率和线性度，常常工作在AB类模式下，由于多频率的匹配电路通常会加大损耗，从而降低功率放大器的输出功率和效率，使得效率本就不高的AB类工作模式的功率放大器效率进一步下降，因此，双频率AB类功率放大器的应用并不普遍，早期无线收发机中的多频多模功率放大模块往往使用多个工作于独立频率的放大器组合而成。
近年来，随着E类、F类、J类等高效率功率放大器模式的兴起，传统双频率的功率放大器开始借鉴其设计思想，线性度较低和带宽较窄的双频E类和F类放大器往往用于脉冲通讯的雷达领域，或是与Doherty、ET等系统级功放设计方法结合，用于基站等领域，而双频宽带J类功率放大器则从带宽上对不同应用场景进行了补充。但由于广泛应用于该领域的CMOS、GaAs、LDMOS等材料晶体管的阻抗特性难以在双频率内很好的满足高效率功率放大器严苛的阻抗匹配条件，实际使用的双频率功率放大器仍然面临效率和输出功率不足的难题。
GaN作为近几年发展起来的第三代半导体材料，其相对GaAs材料而言，具有更高的击穿电压和更高的功率密度，使得GaN更适合用于大输出功率功率放大器的设计和实现。GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)器件通常采用20V甚至更高的偏置电压，功耗相同的情况下，工作电流只有GaAs晶体管的1/3，输出阻抗高，为实现大功率高效率功率放大器苛刻的阻抗匹配条件提供了方便。而近两年的研究表明，通过合理设计功率级与驱动级间的匹配网络，改善驱动级放大器进入功率级放大器的信号波形，放大器的效率可以得到进一步的提高。
对于功率放大器而言，工作效率往往主要由末级(功率级放大器)和次末级(驱动级放大器)的效率和增益决定。为了获得更高的工作效率，可以对功率级的输入电压采用二次谐波注入技术。现有的二次谐波注入方式可以分为并联注入、反馈注入和级联注入三种，其中，级联注入最为简便。最近一年的研究表明，对于功率级为J类放大器的功率放大器来说，将二次谐波注入应用于J类功率放大器中，可以在缩短漏源电流导通时间的情况下，使得漏极电压和电流交叠时间变短，降低了由电压和电流波形时域交叠引起的功率损耗，从而提高了效率。而J类放大器本身的输出电压就具有类半正弦波特性，使用J类放大器作为驱动级为J类功率级放大器提供输入信号是一种简单高效的二次谐波注入方式，在提高效率的同时保证了驱动级和功率级都具有宽带特性，从而降低了带内损耗，拓宽了频率。
综上所述，使用GaN功率器件结合合理的级间匹配电路，研究具有高输出功率和效率的双频率功率放大器有效的针对了基站、雷达等需要大功率高效率多模式输出领域的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以进一步提高双频率功率放大器的工作效率的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路。
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级间匹配电路，包括依次相连的用于在两个频率下对二次谐波阻抗为纯电抗条件进行匹配的二次谐波阻抗匹配模块和在两个频率下完成驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗的匹配的基波阻抗匹配模块，所述二次谐波阻抗匹配模块的输入端连接驱动级GaN晶体管的输出端，所述基波阻抗匹配模块的输出端连接功率级GaN晶体管的输入端。
所述的二次谐波阻抗匹配模块包括有相串联连接的第一微带线和第二微带线，用于在两个频率下将第二微带线的输出端的短路转换为纯电抗，所述第二微带线的输出端分别连接第六微带线和第七微带线，用于在两个频率下使第二微带线的输出端短路，所述第二微带线的输出端还构成二次谐波阻抗匹配模块的输出端连接所述基波阻抗匹配模块的输入端。
所述第六微带线在两个频率中的一个频率下的电长度为40～50°，所述第七微带线在两个频率中的另一个频率下的电长度为40～50°。
所述的基波阻抗匹配模块包括有用于在两个频率下将两个复数阻抗进行匹配的依次串联的第三微带线和第四微带线，所述第三微带线的输入端连接所述二次谐波阻抗匹配模块的输出端，所述第四微带线的输出端分别连接用于提供在两个频率下阻抗虚部变换所需的自由度的第五微带线、第八微带线和第九微带线，所述第九微带线的输出端连接所述功率级GaN晶体管的输入端。
本发明的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，可同时实现两个频率的阻抗匹配，从而实现同时工作在双频率的要求；本发明通过对驱动级输出阻抗的设计使其工作在J类放大器的功率放大器中，可以在双频条件下实现驱动级类半正弦电压信号输出，从而降低功率级无效输出功率，提高功率放大器整体效率；并在两个频率下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配。本发明的匹配电路结构简单，易于实现，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路的电路框图；
图2是阶跃阻抗线的原理图；
图3是本发明用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间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用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路做出详细说明。
本发明的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，主要涉及功率放大器中驱动级电路与功率级电路间的级间匹配电路。在驱动级GaN晶体管输出和功率级GaN晶体管输入之间根据设计共包含2个模块，分别为二次谐波阻抗匹配模块和基波阻抗匹配模块。根据本发明的设计思路，需要使匹配网络在两个频率内满足：
1、驱动级电路输出匹配网络工作在J类模式下，输出电压波形为类半正弦波形；
2、在两个频率下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配；
3、匹配电路简单且具有一定的设计自由度，匹配具有宽带特性。
因此，在驱动级GaN晶体管输出和功率级GaN晶体管输入之间加入了谐波阻抗匹配模块和基波阻抗匹配模块。
如图1所示，本发明的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，包括依次相连的用于在两个频率下对二次谐波阻抗为纯电抗条件进行匹配的二次谐波阻抗匹配模块2和在两个频率下完成驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗的匹配的基波阻抗匹配模块3，所述二次谐波阻抗匹配模块2的输入端连接驱动级GaN晶体管1的输出端，所述基波阻抗匹配模块3的输出端连接功率级GaN晶体管4的输入端。
如图2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，从而可以获得双频率阻抗匹配的特性。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3所示，所述的二次谐波阻抗匹配模块2包括有相串联连接的第一微带线TL1和第二微带线TL2，用于在两个频率下将第二微带线TL2的输出端A的短路转换为纯电抗，所述第二微带线TL2的输出端A分别连接第六微带线TL6和第七微带线TL7，用于在两个频率下使第二微带线TL2的输出端A短路，所述第二微带线TL2的输出端A还构成二次谐波阻抗匹配模块2的输出端连接所述基波阻抗匹配模块3的输入端。
所述第六微带线TL6在两个频率中的一个频率下的电长度为40～50°，所述第七微带线TL7在两个频率中的另一个频率下的电长度为40～50°。
如图3所示，所述的基波阻抗匹配模块3包括有用于在两个频率下将两个复数阻抗进行匹配的依次串联的第三微带线TL3和第四微带线TL4，所述第三微带线TL3的输入端连接所述二次谐波阻抗匹配模块2的输出端A，所述第四微带线TL4的输出端分别连接用于提供在两个频率下阻抗虚部变换所需的自由度的第五微带线TL5、第八微带线TL8和第九微带线TL9，所述第九微带线TL9的输出端连接所述功率级GaN晶体管4的输入端。
参考图3说明本发明的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路的工作原理，信号由驱动级GaN晶体管1输出经由二次谐波阻抗匹配模块2和基波阻抗匹配模块3到达功率级GaN晶体管4。下面使用f1、f2代表双频率的两个中心频率。具体来说，为了在二次谐波阻抗匹配模块2中，第六微带线TL6和第七微带线TL7分别使用四分之一阻抗转换，分别设计为第六微带线TL6在f1频率下具有40-50°的电长度，第七微带线TL7在f2频率下具有40-50°的电长度，从而在f1、f2的二倍频处，使开路点经由第六微带线TL6和第七微带线TL7的阻抗变换在A点转换为短路，并通过第一微带线TL1和第二微带线TL2转换为适当的电抗，实现了J类功率放大器在二次谐波处阻抗为纯电抗的设计要求。而对于基波来说，经过二次谐波阻抗匹配模块后，A点处的基波阻抗在两个频率内为复数，同样的，功率级GaN晶体管4所需的输入阻抗也在两个频率内为复数，这里需要使用匹配网络将两个频率内的复数进行匹配，具体电路如图3中所示的基波阻抗匹配模块3，第五微带线(TL5)、第八微带线(TL8)和第九微带线(TL9)提供了在两个频率下阻抗虚部变换所需的自由度，第三微带线(TL3)和第四微带线(TL4)在两个频率下将两个复数阻抗进行匹配。

Claims (4)

1.一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，其特征在于，包括依次相连的用于在两个频率下对二次谐波阻抗为纯电抗条件进行匹配的二次谐波阻抗匹配模块(2)和在两个频率下完成驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗的匹配的基波阻抗匹配模块(3)，所述二次谐波阻抗匹配模块(2)的输入端连接驱动级GaN晶体管(1)的输出端，所述基波阻抗匹配模块(3)的输出端连接功率级GaN晶体管(4)的输入端。
2.根据权利要求1所述的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，其特征在于，所述的二次谐波阻抗匹配模块(2)包括有相串联连接的第一微带线(TL1)和第二微带线(TL2)，用于在两个频率下将第二微带线(TL2)的输出端(A)的短路转换为纯电抗，所述第二微带线(TL2)的输出端(A)分别连接第六微带线(TL6)和第七微带线(TL7)，用于在两个频率下使第二微带线(TL2)的输出端(A)短路，所述第二微带线(TL2)的输出端(A)还构成二次谐波阻抗匹配模块(2)的输出端连接所述基波阻抗匹配模块(3)的输入端。
3.根据权利要求2所述的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，其特征在于，所述第六微带线(TL6)在两个频率中的一个频率下的电长度为40～50°，所述第七微带线(TL7)在两个频率中的另一个频率下的电长度为40～50°。
4.根据权利要求1所述的用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路，其特征在于，所述的基波阻抗匹配模块(3)包括有用于在两个频率下将两个复数阻抗进行匹配的依次串联的第三微带线(TL3)和第四微带线(TL4)，所述第三微带线(TL3)的输入端连接所述二次谐波阻抗匹配模块(2)的输出端(A)，所述第四微带线(TL4)的输出端分别连接用于提供在两个频率下阻抗虚部变换所需的自由度的第五微带线(TL5)、第八微带线(TL8)和第九微带线(TL9)，所述第九微带线(TL9)的输出端连接所述功率级GaN晶体管(4)的输入端。
CN201711029281.3A 2017-10-26 2017-10-26 用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路 Pending CN107911088A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711029281.3A CN107911088A (zh) 2017-10-26 2017-10-26 用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711029281.3A CN107911088A (zh) 2017-10-26 2017-10-26 用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107911088A true CN107911088A (zh) 2018-04-13

Family

ID=61841892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711029281.3A Pending CN107911088A (zh) 2017-10-26 2017-10-26 用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107911088A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109286376A (zh) * 2018-10-18 2019-01-29 成都嘉纳海威科技有限责任公司 一种基于二次谐波控制的高效率双频j类堆叠功率放大器
CN109600118A (zh) * 2018-11-16 2019-04-09 天津大学 适用于f类高效功率放大器的谐波注入理论
CN110048682A (zh) * 2019-04-17 2019-07-23 杭州电子科技大学富阳电子信息研究院有限公司 一种基于多级二次谐波控制的宽带连续型功率放大器及设计方法
CN111181506A (zh) * 2020-01-20 2020-05-19 电子科技大学 一种具有新型输出匹配方法的宽带高效j类功率放大器

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001102879A (ja) * 1999-09-28 2001-04-13 Kyocera Corp 高周波用電力増幅器
CN101162928A (zh) * 2006-10-13 2008-04-16 松下电器产业株式会社 高频功率放大器
CN103391051A (zh) * 2013-07-03 2013-11-13 吴江市同心电子科技有限公司 一种微带线匹配低噪声放大器
CN204721318U (zh) * 2015-06-23 2015-10-21 中国科学技术大学 一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器
CN105471397A (zh) * 2015-12-11 2016-04-06 锐迪科创微电子（北京）有限公司 一种双频射频功率放大模块
CN106208975A (zh) * 2009-08-19 2016-12-07 高通股份有限公司 数字可调级间匹配电路
WO2017008512A1 (zh) * 2015-07-14 2017-01-19 中兴通讯股份有限公司 Doherty功放电路
CN205945658U (zh) * 2016-07-27 2017-02-08 杭州电子科技大学 一种高效宽带有序的谐波匹配结构
CN206004631U (zh) * 2016-07-05 2017-03-08 成都泰格微电子研究所有限责任公司 2.7‑3.5GHz、2W的GaN单片功率放大器
CN107147448A (zh) * 2017-04-21 2017-09-08 天津大学 一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001102879A (ja) * 1999-09-28 2001-04-13 Kyocera Corp 高周波用電力増幅器
CN101162928A (zh) * 2006-10-13 2008-04-16 松下电器产业株式会社 高频功率放大器
CN106208975A (zh) * 2009-08-19 2016-12-07 高通股份有限公司 数字可调级间匹配电路
CN103391051A (zh) * 2013-07-03 2013-11-13 吴江市同心电子科技有限公司 一种微带线匹配低噪声放大器
CN204721318U (zh) * 2015-06-23 2015-10-21 中国科学技术大学 一种室温、极低温两用的宽频带低噪声放大器
WO2017008512A1 (zh) * 2015-07-14 2017-01-19 中兴通讯股份有限公司 Doherty功放电路
CN105471397A (zh) * 2015-12-11 2016-04-06 锐迪科创微电子（北京）有限公司 一种双频射频功率放大模块
CN206004631U (zh) * 2016-07-05 2017-03-08 成都泰格微电子研究所有限责任公司 2.7‑3.5GHz、2W的GaN单片功率放大器
CN205945658U (zh) * 2016-07-27 2017-02-08 杭州电子科技大学 一种高效宽带有序的谐波匹配结构
CN107147448A (zh) * 2017-04-21 2017-09-08 天津大学 一种高灵敏度的宽带光接收机前端电路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHENG QIAN-FU等: "Two-Stage High-Efficiency Concurrent Dual-Band Harmonic-Tuned Power Amplifier", 《 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109286376A (zh) * 2018-10-18 2019-01-29 成都嘉纳海威科技有限责任公司 一种基于二次谐波控制的高效率双频j类堆叠功率放大器
CN109600118A (zh) * 2018-11-16 2019-04-09 天津大学 适用于f类高效功率放大器的谐波注入理论
CN109600118B (zh) * 2018-11-16 2023-01-13 天津大学 适用于f类高效功率放大器的谐波注入理论
CN110048682A (zh) * 2019-04-17 2019-07-23 杭州电子科技大学富阳电子信息研究院有限公司 一种基于多级二次谐波控制的宽带连续型功率放大器及设计方法
CN111181506A (zh) * 2020-01-20 2020-05-19 电子科技大学 一种具有新型输出匹配方法的宽带高效j类功率放大器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104300925B (zh) 一种高效率f类/逆f类功率放大器
CN107911088A (zh) 用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器级间匹配电路
CN104953963B (zh) 一种高阶f类功率放大电路及射频功率放大器
WO2016201894A1 (zh) 一种基于寄生补偿的j类功率放大电路及射频功率放大器
CN105811895B (zh) 基于谐波终端优化高效率k波段mmic功率放大器
CN204119176U (zh) 一种高效率f类/逆f类功率放大器
Ji et al. Concurrent dual-band class-E power amplifier using composite right/left-handed transmission lines
CN108718188A (zh) 一种宽带高效率Doherty功率放大器及其设计方法
CN107547050A (zh) 一种双级双频带高效功率放大器
CN104753476A (zh) 多模多频功率放大器
CN110708701B (zh) 一种宽带射频功放设计方法及5g低频段射频功放
CN109546977B (zh) 一种双频带高效逆f类功率放大器
CN107547057A (zh) 基于双线结构的逆f类功率放大器
CN113162554A (zh) 一种基于谐波控制的混合高效功率放大器及其设计方法
CN107809218A (zh) 用于GaN功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路
JP2009130472A (ja) 逆ｆ級増幅回路
CN104836533A (zh) 一种功率放大器及其实现方法
CN107659277A (zh) 一种用于GaN功率器件的双频宽带功率放大器匹配电路
CN110971194B (zh) 一种基于谐波控制的高效双频带功率放大器
CN208063141U (zh) S-band功率放大器
CN204615766U (zh) 一种功率放大器
CN207124611U (zh) 双线逆f类功率放大器
CN112838833A (zh) 基于发夹式微带带通滤波器的f类功率放大器及设计方法
CN107579717B (zh) 用于GaN功率器件的双频带高效率功率放大器匹配电路
Zhang et al. A dual-band high-efficiency power amplifier based on novel impedance matching and harmonic control structure

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180413