CN108768323B - 一种高功率高效率高增益逆f类堆叠功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器，包括依次连接的输入阻抗匹配功率分配网络、漏源补偿型双路堆叠放大网络和输出逆F类阻抗匹配功率合成网络。本发明采用漏源补偿型双路堆叠晶体管结构，并结合了高效逆F类输出匹配及功率合成技术，使得电路具有高效率、高增益、高功率输出能力。

Description

一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器
技术领域
本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器的设计。
背景技术
随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的带宽一直是电路实现的技术瓶颈。
常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统AB类、C类，开关型D类、E类、F类功率放大器等，但是，这些高效率放大器的宽带特性仍然存在一些不足，主要体现在：传统AB类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；C类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低，宽带输出能力和效率较低；开关型D类、E类、F类功率放大器等需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。
发明内容
本发明的目的是提出一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器，利用漏源补偿型双路晶体管堆叠技术以及高效逆F类输出匹配及功率合成技术，实现高效率、高增益、高功率输出特性。
本发明的技术方案为：一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器，包括依次连接的输入阻抗匹配功率分配网络、漏源补偿型双路堆叠放大网络和输出逆F类阻抗匹配功率合成网络；输入阻抗匹配功率分配网络的输入端为整个逆F类堆叠功率放大器的输入端，其第一输出端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输入端连接；输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的输出端为整个逆F类堆叠功率放大器的输出端，其第一输入端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输出端连接，其第二输入端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输出端连接。
本发明的有益效果是：本发明采用漏源补偿型双路堆叠晶体管结构，抑制了堆叠结构在逆F类工作模式下的栅源泄露现象，同时结合了高效逆F类输出匹配及功率合成技术，使得电路具有高效率、高增益、高功率输出能力。
输入阻抗匹配功率分配网络包括隔直电容C1，隔直电容C1的一端为输入阻抗匹配功率分配网络的输入端，其另一端分别与微带线TL1的一端、微带线TL2的一端以及电容C2的一端连接；微带线TL1的另一端分别与微带线TL3的一端以及电容C4的一端连接，微带线TL2的另一端分别与微带线TL4的一端以及电容C5的一端连接，电容C2的另一端、电容C4的另一端以及电容C5的另一端连接在一起并接地；微带线TL3的另一端分别与微带线TL5的一端以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端为输入阻抗匹配功率分配网络的第一输出端，微带线TL5的另一端分别与接地电容C3以及第一低压偏置电源Vg1连接；微带线TL4的另一端分别与微带线TL6的一端以及电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端为输入阻抗匹配功率分配网络的第二输出端，微带线TL6的另一端分别与接地电容C6以及第二低压偏置电源Vg2连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入阻抗匹配功率分配网络能够实现对射频输入的信号进行等功率分配以及阻抗匹配，同时还可对漏源补偿型双路堆叠放大网络中两路堆叠功率放大电路的底层晶体管起到良好的栅极供电及偏置作用。
漏源补偿型双路堆叠放大网络包括第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路，第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路结构相同。第一路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M2和底层晶体管M1；底层晶体管M1的源极接地，其栅极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输入端；底层晶体管M1的漏极和顶层晶体管M2的源极之间通过微带线TL7连接；顶层晶体管M2的漏极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输出端，其源极和漏极之间通过电容C9连接，其栅极分别与电阻R4的一端以及第一栅极补偿电路连接；第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R3和补偿接地电容C8。第二路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M4和底层晶体管M3；底层晶体管M3的源极接地，其栅极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输入端；底层晶体管M3的漏极和顶层晶体管M4的源极之间通过微带线TL8连接；顶层晶体管M4的漏极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输出端，其源极和漏极之间通过电容C10连接，其栅极分别与电阻R6的一端以及第二栅极补偿电路连接；第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R7和补偿接地电容C7。电阻R4的另一端分别与电阻R6的另一端、电阻R8的一端以及接地电阻R5连接，电阻R8的另一端分别与电阻R9的一端以及电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端与顶层晶体管M2的漏极连接，电阻R10的另一端与顶层晶体管M4的漏极连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用漏源补偿型双路堆叠放大网络，可以帮助高效率开关功率放大器提升功率容量和功率增益。并且本发明采用的双路堆叠放大网络加入了自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。
输出逆F类阻抗匹配功率合成网络包括隔直电容C15，隔直电容C15的一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的输出端，其另一端分别与微带线TL10的一端、微带线TL11的一端以及电容C12的一端连接；微带线TL10的另一端分别与微带线TL9的一端以及第一谐振网络电路连接，微带线TL9的另一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的第一输入端，并与电容C11的一端连接；微带线TL11的另一端分别与微带线TL12的一端以及第二谐振网络电路连接，微带线TL12的另一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的第二输入端，并与电容C13的一端连接；电容C11的另一端、电容C12的另一端以及电容C13的另一端连接在一起并接地。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的输出匹配网络采用高效逆F类输出匹配及功率合成架构，能够实现对漏源补偿型双路堆叠放大网络放大后的两路信号进行功率合成及阻抗匹配，同时可以使得电路实现近似于三阶逆F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗，从而实现高功率及高效率指标。
第一谐振网络电路包括依次串联的第一LC谐振电路、微带线TL13、电阻R11和接地电容C17，第一LC谐振电路包括并联的电感L1和电容C14，其一端与微带线TL13连接，其另一端与微带线TL10连接；微带线TL13和电阻R11的连接节点还与第一低压偏置电源Vd1连接。第二谐振网络电路包括依次串联的第二LC谐振电路、微带线TL14、电阻R12和接地电容C18，第二LC谐振电路包括并联的电感L2和电容C16，其一端与微带线TL14连接，其另一端与微带线TL11连接；微带线TL14和电阻R12的连接节点还与第二低压偏置电源Vd2连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中，两个谐振网络电路能够对漏源补偿型双路堆叠放大网络放大后的两路信号实现基波频率射频开路、二次谐波开路以及三次谐波短路，从而实现近似于三阶逆F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器原理框图。
图2所示为本发明实施例提供的一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器电路图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器，如图1所示，包括依次连接的输入阻抗匹配功率分配网络、漏源补偿型双路堆叠放大网络和输出逆F类阻抗匹配功率合成网络；输入阻抗匹配功率分配网络的输入端为整个逆F类堆叠功率放大器的输入端，其第一输出端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输入端连接；输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的输出端为整个逆F类堆叠功率放大器的输出端，其第一输入端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输出端连接，其第二输入端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输出端连接。
如图2所示，输入阻抗匹配功率分配网络包括隔直电容C1，隔直电容C1的一端为输入阻抗匹配功率分配网络的输入端，其另一端分别与微带线TL1的一端、微带线TL2的一端以及电容C2的一端连接；微带线TL1的另一端分别与微带线TL3的一端以及电容C4的一端连接，微带线TL2的另一端分别与微带线TL4的一端以及电容C5的一端连接，电容C2的另一端、电容C4的另一端以及电容C5的另一端连接在一起并接地；微带线TL3的另一端分别与微带线TL5的一端以及电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端为输入阻抗匹配功率分配网络的第一输出端，微带线TL5的另一端分别与接地电容C3以及第一低压偏置电源Vg1连接；微带线TL4的另一端分别与微带线TL6的一端以及电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端为输入阻抗匹配功率分配网络的第二输出端，微带线TL6的另一端分别与接地电容C6以及第二低压偏置电源Vg2连接。
漏源补偿型双路堆叠放大网络包括第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路，第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路结构相同。
第一路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M2和底层晶体管M1；底层晶体管M1的源极接地，其栅极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输入端；底层晶体管M1的漏极和顶层晶体管M2的源极之间通过微带线TL7连接；顶层晶体管M2的漏极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输出端，其源极和漏极之间通过电容C9连接，其栅极分别与电阻R4的一端以及第一栅极补偿电路连接；第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R3和补偿接地电容C8。
第二路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M4和底层晶体管M3；底层晶体管M3的源极接地，其栅极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输入端；底层晶体管M3的漏极和顶层晶体管M4的源极之间通过微带线TL8连接；顶层晶体管M4的漏极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输出端，其源极和漏极之间通过电容C10连接，其栅极分别与电阻R6的一端以及第二栅极补偿电路连接；第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R7和补偿接地电容C7。电阻R4的另一端分别与电阻R6的另一端、电阻R8的一端以及接地电阻R5连接，电阻R8的另一端分别与电阻R9的一端以及电阻R10的一端连接，电阻R9的另一端与顶层晶体管M2的漏极连接，电阻R10的另一端与顶层晶体管M4的漏极连接。
输出逆F类阻抗匹配功率合成网络包括隔直电容C15，隔直电容C15的一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的输出端，其另一端分别与微带线TL10的一端、微带线TL11的一端以及电容C12的一端连接；微带线TL10的另一端分别与微带线TL9的一端以及第一谐振网络电路连接，微带线TL9的另一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的第一输入端，并与电容C11的一端连接；微带线TL11的另一端分别与微带线TL12的一端以及第二谐振网络电路连接，微带线TL12的另一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的第二输入端，并与电容C13的一端连接；电容C11的另一端、电容C12的另一端以及电容C13的另一端连接在一起并接地。
第一谐振网络电路包括依次串联的第一LC谐振电路、微带线TL13、电阻R11和接地电容C17，第一LC谐振电路包括并联的电感L1和电容C14，其一端与微带线TL13连接，其另一端与微带线TL10连接；微带线TL13和电阻R11的连接节点还与第一低压偏置电源Vd1连接。
第二谐振网络电路包括依次串联的第二LC谐振电路、微带线TL14、电阻R12和接地电容C18，第二LC谐振电路包括并联的电感L2和电容C16，其一端与微带线TL14连接，其另一端与微带线TL11连接；微带线TL14和电阻R12的连接节点还与第二低压偏置电源Vd2连接。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入基波信号通过输入端IN进入输入阻抗匹配功率分配网络进行等功率分配及输入阻抗匹配后，形成两路信号分别进入漏源补偿型双路堆叠放大网络进行放大，经漏源补偿型双路堆叠放大网络放大后的两路信号再进入输出逆F类阻抗匹配功率合成网络进行输出阻抗匹配及等功率合成，最终形成射频输出信号到达输出端OUT。
其中输入阻抗匹配功率分配网络采用电容C2、C4和C5以及微带线TL1和TL2构成了两个π形CLC匹配电路，实现对功率分配后的两路信号进行阻抗匹配。同时由电容C3/C6和微带线TL5/TL6构成的两个枝节可以分别对漏源补偿型双路堆叠放大网络中底层晶体管M1/M3起到良好的栅极供电及偏置作用。
漏源补偿型双路堆叠放大网络作为本发明的核心架构，用于对功率分配后的两路信号进行放大，可以帮助高效率开关功率放大器提升功率容量和功率增益。同时漏源补偿型双路堆叠放大网络中，由电阻R4～R6以及R8～R10构成了自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。
输出匹配网络采用高效逆F类输出匹配及功率合成架构，能够实现对漏源补偿型双路堆叠放大网络放大后的两路信号进行功率合成及阻抗匹配，同时，第一谐振网络电路和第二谐振网络电路能够分别对漏源补偿型双路堆叠放大网络放大后的两路信号实现基波频率射频开路、二次谐波开路以及三次谐波短路，从而实现近似于三阶逆F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗，进而实现高功率及高效率指标。
本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容的大小是综合考虑整个电路的增益、效率和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在电路小型化条件下的高效率、高增益、高功率输出能力。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高功率高效率高增益逆F类堆叠功率放大器，其特征在于，包括依次连接的输入阻抗匹配功率分配网络、漏源补偿型双路堆叠放大网络和输出逆F类阻抗匹配功率合成网络；
所述输入阻抗匹配功率分配网络的输入端为整个所述逆F类堆叠功率放大器的输入端，其第一输出端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输入端连接，其第二输出端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输入端连接；
所述输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的输出端为整个所述逆F类堆叠功率放大器的输出端，其第一输入端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输出端连接，其第二输入端与漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输出端连接；
所述输入阻抗匹配功率分配网络包括隔直电容C1，所述隔直电容C1的一端为输入阻抗匹配功率分配网络的输入端，其另一端分别与微带线TL1的一端、微带线TL2的一端以及电容C2的一端连接；
所述微带线TL1的另一端分别与微带线TL3的一端以及电容C4的一端连接，所述微带线TL2的另一端分别与微带线TL4的一端以及电容C5的一端连接，所述电容C2的另一端、电容C4的另一端以及电容C5的另一端连接在一起并接地；
所述微带线TL3的另一端分别与微带线TL5的一端以及电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端为输入阻抗匹配功率分配网络的第一输出端，所述微带线TL5的另一端分别与接地电容C3以及第一低压偏置电源Vg1连接；
所述微带线TL4的另一端分别与微带线TL6的一端以及电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端为输入阻抗匹配功率分配网络的第二输出端，所述微带线TL6的另一端分别与接地电容C6以及第二低压偏置电源Vg2连接；
所述漏源补偿型双路堆叠放大网络包括第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路，所述第一路二堆叠功率放大电路和第二路二堆叠功率放大电路结构相同；
所述第一路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M2和底层晶体管M1；所述底层晶体管M1的源极接地，其栅极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输入端；所述底层晶体管M1的漏极和顶层晶体管M2的源极之间通过微带线TL7连接；所述顶层晶体管M2的漏极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第一输出端，其源极和漏极之间通过电容C9连接，其栅极分别与电阻R4的一端以及第一栅极补偿电路连接；所述第一栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R3和补偿接地电容C8；
所述第二路二堆叠功率放大电路包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管M4和底层晶体管M3；所述底层晶体管M3的源极接地，其栅极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输入端；所述底层晶体管M3的漏极和顶层晶体管M4的源极之间通过微带线TL8连接；所述顶层晶体管M4的漏极为漏源补偿型双路堆叠放大网络的第二输出端，其源极和漏极之间通过电容C10连接，其栅极分别与电阻R6的一端以及第二栅极补偿电路连接；所述第二栅极补偿电路包括串联的栅极稳定电阻R7和补偿接地电容C7；
所述电阻R4的另一端分别与电阻R6的另一端、电阻R8的一端以及接地电阻R5连接，所述电阻R8的另一端分别与电阻R9的一端以及电阻R10的一端连接，所述电阻R9的另一端与顶层晶体管M2的漏极连接，所述电阻R10的另一端与顶层晶体管M4的漏极连接；
所述输出逆F类阻抗匹配功率合成网络包括隔直电容C15，所述隔直电容C15的一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的输出端，其另一端分别与微带线TL10的一端、微带线TL11的一端以及电容C12的一端连接；
所述微带线TL10的另一端分别与微带线TL9的一端以及第一谐振网络电路连接，所述微带线TL9的另一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的第一输入端，并与电容C11的一端连接；所述微带线TL11的另一端分别与微带线TL12的一端以及第二谐振网络电路连接，所述微带线TL12的另一端为输出逆F类阻抗匹配功率合成网络的第二输入端，并与电容C13的一端连接；所述电容C11的另一端、电容C12的另一端以及电容C13的另一端连接在一起并接地。
2.根据权利要求1所述的逆F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述第一谐振网络电路包括依次串联的第一LC谐振电路、微带线TL13、电阻R11和接地电容C17，所述第一LC谐振电路包括并联的电感L1和电容C14，其一端与微带线TL13连接，其另一端与微带线TL10连接；所述微带线TL13和电阻R11的连接节点还与第一低压偏置电源Vd1连接；
所述第二谐振网络电路包括依次串联的第二LC谐振电路、微带线TL14、电阻R12和接地电容C18，所述第二LC谐振电路包括并联的电感L2和电容C16，其一端与微带线TL14连接，其另一端与微带线TL11连接；所述微带线TL14和电阻R12的连接节点还与第二低压偏置电源Vd2连接。
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