CN108667436A - 一种低损耗功率放大器的功率合成网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低损耗功率放大器的功率合成网络，包括：功率合成模块、电源滤波模块、阻抗匹配模块和稳定性模块。本发明的功率合成网络，结构紧凑，设计方法简单，功率容量大，插入损耗低，具有高次谐波抑制作用，既可以双侧加电，也可以根据实际使用情况选择从单侧加电，简化了外围电路；本发明的新型低损耗功率放大器功率合成网络可以广泛应用于平面大功率功率放大器的设计当中。
Description
技术领域
本发明涉及射频/微波电路设计领域，尤其是一种低损耗功率放大器的功率合成网络。
背景技术
功率合成器是高功率放大器的核心组成部分。功率放大器的输出功率来自于其使用的特定有源器件，这些有源器件包括phemt、HBT、FET或者HEMT等，对于同一种工艺来说，它们的输出功率与总栅宽成正比，而输入阻抗和输出阻抗与总栅宽成反比。增大总栅宽可以不断的提高输出功率，通常有两种方式，一种方式是增加栅指的数量n，另外一种方法单指宽度ugw，这两种方法在频率相对较低的时候比较有效，但是对于频率较高的微波毫米波频段，增加栅宽的方法很快便会遇到瓶颈，一个最直接的原因就是随着频率升高，对应波长会降低，寄生参数对性能的影响越来愈明显，增加栅指数量使得链接微带线长度增加，中间栅指与最外侧栅指之间存在明显相位差，这对于功率合成是极为不利的，而增加单指的栅宽则会增加寄生参数，降低增益；因此对于特定频率，可以选择的基本功率单元的尺寸往往是有限的，而实际的需求往往远大于该单元所能提供的输出功率，这时候便需要利用多个功率单元进行功率合成，实现更大的输出功率，这时候便需要用到功率合成网络。功率合成网络需要实现功率合成、阻抗匹配、电源滤波、提高稳定性等作用。N路相同的威尔金森功分器完全不适用与平面微波电路，而其他的方案，如二进制威尔金森功分器组合结构、正交耦合器双平衡式结构等传统的功率合成网络存在面积大、合成效率低、损耗大等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种低损耗功率放大器的功率合成网络，能够实现功率放大器的功率合成、阻抗匹配、电源滤波、提高稳定性等作用。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低损耗功率放大器的功率合成网络，包括：功率合成模块、电源滤波模块、阻抗匹配模块和稳定性模块；功率合成模块位于左侧，共有N组端口，对外分别连接大功率放大器末级的对应N组功率单元的输出端口；阻抗匹配模块位于右侧，一端接功率合成模块，另一端为输出端口，连接负载，实现功率放大器功率单元到负载的最大功率传输；电源滤波模块的一端接入功率合成模块，另外一端为直流电源端口，与外部直流电流相连接，为功率放大器墨末级功率单元提供静态工作点；稳定性模块分别位于N组输入端口两两之间。
优选的，功率合成模块共有N组输入端口，N为2的整数次幂，每个端口的源阻抗相同，为功率单元的最优负载阻抗的共轭阻抗。
优选的，电源滤波模块由功率合成模块第二级合成网络中间引出，共有N/2组，各组完全一致，并且两两保持对称。
优选地，电源滤波模块为分布式参数器件与集总参数器件组成的混合滤波电路，由匹配微带线、滤波电容、输出焊盘组成；匹配微带线一端接入功率合成模块，另一端接滤波电容以后再与输出焊盘相连。
优选地，电源滤波模块共有两个外部加电端口，并且两个加电端口物理上为直流直通特性。
优选地，电源滤波模块N组输入端口两两之间各有一个稳定性电阻，并且每个电阻的阻值相同。
优选的，阻抗匹配模块由一级LC匹配网络构成，实现功率合成网络输出阻抗与负载阻抗的匹配，电容作为隔直电容，串联电容为多级电容串联结构。
本发明的有益效果为：本发明的功率合成网络，结构紧凑，设计方法简单，功率容量大，插入损耗低，具有高次谐波抑制作用，既可以双侧加电，也可以根据实际使用情况选择从单侧加电，简化了外围电路；本发明的新型低损耗功率放大器功率合成网络可以广泛应用于平面大功率功率放大器的设计当中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的阻抗匹配结果示意图。
图3为本发明的输出S22结构示意图。
图4为本发明的损耗仿真结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种低损耗功率放大器的功率合成网络，包括：功率合成模块、电源滤波模块、阻抗匹配模块和稳定性模块；功率合成模块位于左侧，共有N组端口，对外分别连接大功率放大器末级的对应N组功率单元的输出端口；阻抗匹配模块位于右侧，一端接功率合成模块，另一端为输出端口，连接负载，实现功率放大器功率单元到负载的最大功率传输；电源滤波模块的一端接入功率合成模块，另外一端为直流电源端口，与外部直流电流相连接，为功率放大器墨末级功率单元提供静态工作点；稳定性模块分别位于N组输入端口两两之间。
以一个8单元功率合成放大器为例，说明如何进行功率合成网络的设计，如图1所示，我们建立该功率合成网络，该网络共有8个输入端口，1个输出端口。输入端口即端口1到端口8，各端口对应功率放大器功率级的8个功率单元，每个输入端口的源阻抗相同，都为通过负载牵引系统所得到的所需要频段内最优阻抗的共轭形式；输出端口为端口9，该端口的负载阻抗Zl为50欧姆。
功率合成网络的作用首先是将8路功率输出进行功率合成，同时给功率单元提供所需要的最优负载阻抗，实现最优负载阻抗与50欧姆输出负载阻抗的阻抗变换，使得每个功率单元输出功率和附加效率达到最优。功放的输出功率比较大，因此功率合成网络的损耗对于提高功率和附加效率有的非常大的影响。
功率合成网络的线宽尽可能选择大一些，这样可以降低损耗，并且有利于匹配输入端口的低阻抗值，如图所示，L1-L4的微带线将8路输入何成为1路输出，并进行一定的阻抗预匹配；电容C4和C3可以增加匹配带宽，缩短功率合成所需要的微带线长度。
8路输入端口之间，分别放置了相同阻值的稳定性电阻，有效提高了个端口的隔离度，消除了奇模振荡的安全隐患。
偏置网络如图1中虚线框1内所示，由L3与L4之间引出，共有2组，物理上两两对称，使得8组功率单元进行馈电的时候不存在相位差。偏置网络由微带线L_bias和C_bias组成，L_bias不仅具有高频扼流作用，还在工作频带内进行阻抗匹配；C_bias与L_bias1共同为电路提供滤波作用，保证低频稳定。
匹配网络在整个电路的最右端，如图1中虚线框2内所示，为一阶LC匹配网路，只是用一阶匹配结构，可以有效的降低整个网络的损耗，提高功率放大器的输出功率和附加效率，值得注意的是，此处的串联电容采用了两个相同电容串联的方式，将电容可承受的最大电压摆幅提高了一倍。
对于功率放大器来说，各端口的相位一致性是非常重要的参数，虽然物理结构上尽量保证了整体网络的对称性，但是还是需要对整版电路进行电磁仿真。我们将仿真结果带入输出网络的仿真模板中，最终的设计结果如图2-图4所示：图2为阻抗匹配结果示意图，图中直线为目标匹配阻抗，圆弧为输出网络的最终的输入阻抗，由图可知，本输出合成网络极好的完成了阻抗匹配的目标，完全符合功率合成的阻抗要求；图3为整个输出网络的损耗，在所关心的频带内损耗小于0.35dB，充分证明了该网络的优异性能；图4为输出回波损耗，虽然输出回波损耗对于功率放大器并不是一个非常重要的指标，但是良好的输出回波损耗还是有利于功放的稳定性的，本网络也具有良好的输出回波特性。
Claims (7)
1.一种低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，包括：功率合成模块、电源滤波模块、阻抗匹配模块和稳定性模块；功率合成模块位于左侧，共有N组端口，对外分别连接大功率放大器末级的对应N组功率单元的输出端口；阻抗匹配模块位于右侧，一端接功率合成模块，另一端为输出端口，连接负载，实现功率放大器功率单元到负载的最大功率传输；电源滤波模块的一端接入功率合成模块，另外一端为直流电源端口，与外部直流电流相连接，为功率放大器墨末级功率单元提供静态工作点；稳定性模块分别位于N组输入端口两两之间。
2.如权利要求1所述的低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，功率合成模块共有N组输入端口，N为2的整数次幂，每个端口的源阻抗相同。
3.如权利要求1所述的低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，电源滤波模块由功率合成模块第二级合成网络中间引出，共有N/2组，各组完全一致，并且两两保持对称。
4.如权利要求1所述的低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，电源滤波模块为分布式参数器件与集总参数器件组成的混合滤波电路，由匹配微带线、滤波电容、输出焊盘组成；匹配微带线一端接入功率合成模块，另一端接滤波电容以后再与输出焊盘相连。
5.如权利要求1所述的低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，电源滤波模块共有两个外部加电端口，并且两个加电端口物理上为直流直通特性。
6.如权利要求1所述的低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，电源滤波模块N组输入端口两两之间各有一个稳定性电阻，并且每个电阻的阻值相同。
7.如权利要求1所述的低损耗功率放大器的功率合成网络，其特征在于，阻抗匹配模块由一级LC匹配网络构成，实现功率合成网络输出阻抗与负载阻抗的匹配，电容作为隔直电容，串联电容为多级电容串联结构。
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