CN108736832B

CN108736832B - 一种新型高效率逆f类功率放大器多次谐波匹配电路

Info

Publication number: CN108736832B
Application number: CN201710245488.8A
Authority: CN
Inventors: 马建国; 成千福; 刘畅; 朱守奎; 傅海鹏
Original assignee: Tianjin University Qingdao Ocean Engineering Research Institute Co ltd
Current assignee: Tianjin University Qingdao Ocean Engineering Research Institute Co ltd
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2024-04-26
Anticipated expiration: 2037-04-14
Also published as: CN108736832A

Abstract

一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路，晶体管输出端包括：用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线，用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为传输线，用于提供n(n≥3)次谐波零点的电长度为开路短截线，用于和电长度为开路短截线在基波频率下谐振的电长度为短路短截线及晶体管偏置电路；该匹配电路极大的提高了逆F类功率放大器的效率，对于实现接近理想的逆F类功率放大器提供了理论基础。

Description

一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路

技术领域

本发明涉及无线通信功放技术领域，尤其涉及一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路。

背景技术

在这个信息化的社会，信息的传输是社会生活中不可或缺的重要环节，因而通信技术也成为自上世纪 80 年代以来发展最迅速的领域之一。其中无线局域网、智能手机、蓝牙等通讯系统渐渐深入人们的日常生活，得到迅猛的发展。为了增加传输速率，在这些无线通信系统中功率损耗和功率附加效率成为研究的重点。

众所周知，无线通信系统旨在最小的功耗下实现信号的有效传输，因而整个系统的效率必然成为其研究设计的重要内容。其中，射频功率放大器是系统收发前端最重要的有源电路模块之一，也是整个系统中功率损耗最大的部分，其功率输出能力会直接影响到信号的发射和传输距离。作为整个系统中收发端的核心和前端部分，其工作性能必然会影响系统的整体通信质量。因此研究性能优良的高效率射频功率放大器是改善通讯系统性能，提高通信系统应用能力的重要方面。

为了提高射频功率放大器的工作效率，国内外的研究人员纷纷对效率较高的非线性功率放大器进行了一系列的理论研究和设计，其中理论效率可以达到 100%的E类和F类高效率射频功率放大器成为国内外的研究热点。

早在 1958 年，Tyler[1]就提出应用于低频信号传输的F类放大器的概念，并提出理想的四分之一波长传输线控制所有谐波的方法，同时他还注意到在甚高频（VHF）利用集总参数谐振器的种种困难。直到 1967 年，Snider[2]在理论分析处理最佳负载阻抗来处理所有谐波的阻抗分别实现为无穷大或为零，从而实现功率放大器将谐波信号功率转化为基波功率。2001年，美国爱荷华州立大学 F. H. Raab 等人理论分析了 F 类功率放大器在不同次谐波阻抗下的最大效率和输出功率，并采用 GaAs 晶体管设计 X 波段效率达到 55%的 8.4GHz F 类功率放大器[3].2010 年，德国汉诺威莱布尼茨大学射频和微波工程研究所设计人员采用 GaN 高电子迁移率晶体管设计了带有自适应匹配网络的 1GHz 最大功率附加效率为 82%的10W F 类功率放大器。可见对于F类功率放大器的研究是十分有意义的。本发明基于DONALD H.STEINBRECHER对于电长度为传输线可使复数阻抗变成实数阻抗的研究[4]及Yao Ding对于新型高效谐波控制功率放大器的研究[5]，创新性的提出了一种新型电路结构，不仅满足了基波匹配要求，而且对于晶体管寄生效应有了很好的补偿作用，满足了在晶体管内部等效电流源漏端所需要的阻抗要求。这种新型电路结构极大的提高了逆F类功率放大器的效率，对于实现接近理想的逆F类功率放大器提供了理论基础。

【参考文献】

[1] V. J. Tyler. A New High-efficiency High Power Amplifier[J]Marconi Rev.1958， 21(130): 96-109。

[2] D. M.Snider. A Theoretical Analysis and Experimental Confirmationof the Optimally Loaded and Overdriven RF Power Amplifier[J]. IEEETransactions on Electron Devices，1967，4(12): 851-857。

[3] M. D. Weiss， F. H. Raab. et al. Linearity of X-Band Class-F PowerAmplifiers in High-Efficiency Transmitters[J]. IEEE Transaction MicrowaveTheory Tech.，2001，49(6): 1174-1179。

[4] DONALD H.STEINBRECHER， “An Interesting Impedance Match Network，”IEEE Transaction Microwave Theory and Techniques. June.1967。

[5] Yao Ding ，Yong-Xin Guo ， Falin Liu “A New Method to Design HighEfficiency Power Amplifier UsingDual-Band Transformer，” inProceedings of theAsia-Pacific Microwave Conference .2011。

发明内容

一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路，极大的提高了逆F类功率放大器的效率，对于实现接近理想的逆F类功率放大器提供了理论基础。

一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路，晶体管输出端包括：用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线，用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为传输线，用于提供n(n≥3)次谐波零点的电长度为/>开路短截线，用于和电长度为开路短截线在基波频率下谐振的电长度为/>短路短截线及晶体管偏置电路。其主要特征在于：所述用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为/>传输线位于晶体管输出端和用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为/>传输线之间。所述用于提供n(n≥3)次谐波零点的电长度为/>开路短截线以及用于和电长度为/>开路短截线在基波频率下谐振的电长度为/>短路短截线并联在用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为传输线的两端，并联短截线的具体位置由调谐可知。所述晶体管偏置电路并联在用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为/>传输线的一侧，该晶体管偏置电路不仅可以提供偏置电路，同时还可以提供二次谐波短路和基波开路。而晶体管偏置电路的具体位置也由调谐可知。所述功率放大结构为共射极的功放管，所述功放管的输入端为基极，输出端为集电极。所述新型高效率逆F功率放大器多次谐波匹配电路结构原理图如图1所示。

所述的用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线如图2所示。假设参考阻抗是一个复数阻抗，即Z=R+jX.当所选电长度为/>传输线的特征阻抗为该参考阻抗模值时，即：

则根据传输线输入阻抗公式：

有：

化简（3），可得：

因此，电长度为传输线可实现由复数阻抗到实数阻抗的阻抗变换。

根据上述推导，在晶体管的输出端通过所述的用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线，将晶体管的复数基波阻抗转换到实数阻抗。而电长度为/>传输线可将该实数阻抗匹配到负载阻抗，即：

所以，通过电长度为传输线和电长度为/>传输线可将晶体管在基波频率下的复数阻抗变换到负载阻抗上。

所述的晶体管偏置电路仅针对逆F类结构在二次谐波下晶体管内部等效电流源漏端阻抗为的特点。所述的晶体管偏置电路采用电长度为/>传输线，从而使得基波阻抗为，而二次谐波阻抗为0。另一方面由于晶体管的输出端有封装寄生效应，因此在晶体管漏端封装参考面的二次谐波阻抗并不为/>。所以，在电长度为/>传输线端点得到二次谐波阻抗为0的条件之后，仍需要在电长度为/>传输线的位置上进行调谐，使得其满足在晶体管漏端封装参考面的二次谐波阻抗条件。

所述的用于提供n(n≥3)次谐波零点的电长度为开路短截线及用于和电长度为/>开路短截线在基波频率下谐振的电长度为/>短路短截线仅针对本电路结构在偶次谐波下晶体管内部等效电流源漏端阻抗为/>，奇次谐波下晶体管内部等效电流源漏端阻抗为0的特点。所述的电长度为/>开路短截线可在n次谐波频率下，为n次谐波提供零点。而所述的电长度为/>短路短截线则在基波频率下与所述的电长度为/>开路短截线构成谐振，从而使得所述用于提供n次谐波零点的电长度为/>开路短截线及电长度为/>短路短截线对于基波阻抗的贡献为/>。另一方面由于晶体管的输出端有封装寄生效应，因此在晶体管漏端封装参考面的奇次谐波阻抗不是0，偶次谐波阻抗也不是/>。所以，在电长度为/>开路短截线端点得到n次谐波阻抗为0的条件之后，仍需要在电长度为/>传输线的位置上进行调谐，得到其满足在晶体管漏端封装参考面n次谐波的阻抗条件。所述的一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路在考虑电路实现的复杂程度和经济效益下，具体实施仅针对三次谐波及以下的阻抗条件构造电路结构。但所述的一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路并不仅针对低次谐波。如果电路结构需要，可以根据具体情况选择n的取值，适当增加并联短截线。

一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路，通过加入电长度为传输线的电路结构和电长度为/>传输线的电路结构，不仅满足了基波匹配条件，而且对于晶体管封装寄生效应有了很好的补偿作用，满足了在晶体管内部等效电流源漏端所需要的阻抗要求。

附图说明

图1是新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路的电路结构原理图；

图2是用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线的原理框图；

图3是新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路的具体实施方案图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实际设计中，晶体管选用型号为Cree CGH40010F的10 W GaN HEMT 晶体管。对该晶体管由制造商提供的寄生分量的具体数值如下：晶体管漏极和源极之间的寄生电容 C_ds= 1.2 pF，寄生电感 L_d = 0.55 nH，封装寄生电容C_p = 0.2 pF。

根据上述理论推导，具体实施仅针对三次谐波及以下的阻抗条件采用微带线构造电路结构。具体电路图如3所示。传输线TL₁-TL₂组成了用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线，传输线TL₃-TL₄组成了用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为/>传输线。

针对CGH40010F HEMT晶体管，可对其进行ADS仿真，利用loadpull技术得到基波频率下晶体管漏端封装参考面的阻抗Zout=23.2+j*27.0。根据上述理论推导，，即电长度为/>传输线的特征阻抗为35.6/>。另一方面，根据上述理论推导，，即电长度为/>传输线的特征阻抗为25.7/>。

所述电长度为传输线TL₅的晶体管偏置电路在所述电长度为/>传输线的具体位置可在loadpull系统下调谐决定。同理，所述的电长度为/>开路短截线TL₆和所述的电长度为/>短路短截线TL₇在所述电长度为/>传输线的具体位置也可由loadpull系统下调谐决定。具体仿真结果为：所述电长度为/>传输线TL₅的晶体管偏置电路在所述电长度为传输线距晶体管1.4°的位置下；所述的电长度为/>开路短截线TL₆和所述的电长度为短路短截线TL₇在所述电长度为/>传输线距所述电长度为/>传输线43.7°的位置下。而所述电长度为/>传输线TL₅、所述的电长度为/>开路短截线TL₆和所述的电长度为/>短路短截线TL₇的特征阻抗均为50Ω。此外，所有旁路电容在实际实现时均采用Murata 公司GQM18 系列的10pF电容。

Claims

1.一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路，其特征在于：晶体管输出端包括：用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线，用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为 />传输线，用于提供n≥3次谐波零点的电长度为 />开路短截线，用于和电长度为 />开路短截线在基波频率下谐振的电长度为 />短路短截线及晶体管偏置电路；

所述用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为传输线位于晶体管输出端和用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为 />传输线之间；所述用于提供n≥3次谐波零点的电长度为 />开路短截线以及用于和电长度为 />开路短截线在基波频率下谐振的电长度为 />短路短截线并联在用于将实数阻抗匹配到负载阻抗的电长度为 />传输线的两端，并联短截线的具体位置由调谐可知；所述晶体管偏置电路并联在用于将复数阻抗变成实阻抗的电长度为 />传输线的一侧；晶体管偏置电路提供偏置电路，同时还提供二次谐波短路和基波开路；晶体管偏置电路的具体位置由调谐确定。

2.根据权利要求1所述一种新型高效率逆F类功率放大器多次谐波匹配电路，其特征在于：功率放大结构为共射极的功放管，功放管的输入端为基极，输出端为集电极。