CN109245735A - 一种基于二次谐波注入技术的高效率j类堆叠功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次谐波注入技术的高效率J类堆叠功率放大器，包括J类主功率放大网络、输入分流移相网络、二次谐波产生网络、二次谐波滤波及电流复用网络和二次谐波注入网络。本发明采用基于自偏结构的二堆叠J类功放结构，并结合了基于电流复用的二次谐波注入技术，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。
Description
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，具体涉及一种基于二次谐波注入技术的高效率J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超宽带、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超宽带、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，主要体现在超宽带、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基于二次谐波注入技术的高效率J类堆叠功率放大器，利用自偏置晶体管堆叠技术、J类功率放大技术以及高效率谐波注入技术，实现超宽带下高效率、高增益、高功率输出特性。
本发明的技术方案为：一种基于二次谐波注入技术的高效率J类堆叠功率放大器，包括J类主功率放大网络、输入分流移相网络、二次谐波产生网络、二次谐波滤波及电流复用网络和二次谐波注入网络；J类主功率放大网络的输入端与输入分流移相网络的输入端连接，共同作为整个高效率J类堆叠功率放大器的输入端，J类主功率放大网络的输出端为整个高效率J类堆叠功率放大器的输出端；输入分流移相网络的输出端与二次谐波产生网络的输入端连接，二次谐波产生网络的输出端与二次谐波滤波及电流复用网络的输入端连接，二次谐波滤波及电流复用网络的第一输出端与二次谐波注入网络的第一输入端连接，二次谐波滤波及电流复用网络的第二输出端与二次谐波注入网络的第二输入端连接，二次谐波注入网络的输出端与J类主功率放大网络连接。
本发明的有益效果是：本发明采用基于自偏结构的二堆叠J类功放结构，并结合了基于电流复用的二次谐波注入技术，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。
进一步地，J类主功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md2和底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极依次串联微带线TL4、电容C2、微带线TL2以及微带线TL1后作为J类主功率放大网络的输入端，微带线TL1和微带线TL2的连接节点还与接地电容C1连接，微带线TL4和电容C2的连接节点还与微带线TL3的一端连接，微带线TL3的另一端分别与电阻R1的一端以及接地电容C3连接，电阻R1的另一端与低压偏置电源VG1连接；底层晶体管Md1的漏极和顶层晶体管Md2的源极的连接节点还与微带线TL5的一端连接，微带线TL5的另一端与接地电容C4连接；顶层晶体管Md2的栅极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端以及接地电容C5连接，电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接；顶层晶体管Md2的漏极分别与微带线TL6的一端、电容C6的一端、电阻R6的一端、微带线TL7的一端以及二次谐波注入网络的输出端连接，微带线TL6的另一端分别与电容C6的另一端、电阻R6的另一端、电阻R4的另一端、接地电容C7以及高压偏置电源VD1连接，微带线TL7的另一端分别与电容C9的一端以及接地电容C8连接，电容C9的另一端为J类主功率放大网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用二堆叠J类功放结构，与现有开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势，同时本发明采用的J类主功率放大网络在底层晶体管的栅极以及顶层晶体管的栅极和漏极均加入了自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极和漏极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极和漏极供电结构。
进一步地，输入分流移相网络包括微带线TL8、接地电容C11以及电容C12；微带线TL8的一端为输入分流移相网络的输入端，其另一端分别与电容C12的一端以及接地电容C11连接，电容C12的另一端为输入分流移相网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中的输入分流移相网络用于从射频输入信号中分流出一部分信号并做移相处理，作为后续二次谐波信号的基波信号。
进一步地，二次谐波产生网络包括晶体管Md3，晶体管Md3的源极接地，其栅极为二次谐波产生网络的输入端，并与微带线TL9的一端连接，微带线TL9的另一端分别与电阻R7的一端以及接地电容C13连接，电阻R7的另一端与低压偏置电源VG2连接；晶体管Md3的漏极为二次谐波产生网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中的二次谐波产生网络采用带栅极自偏结构的晶体管，用于产生二次谐波。
进一步地，二次谐波滤波及电流复用网络包括依次串联的微带线TL10、电容C15以及微带线TL11，微带线TL10的一端与电容C15连接，其另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的输入端，并与电感L1的一端连接，微带线TL10和电容C15的连接节点还与接地电容C14连接，电容C15和微带线TL11的连接节点还与电容C16的一端连接，电容C16的另一端与接地电感L2连接，微带线TL11的一端与电容C15连接，其另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的第一输出端，并与接地电容C17连接，电感L1的另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的第二输出端，并与接地电容C18连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中的二次谐波滤波及电流复用网络用于对二次谐波产生网络产生的二次谐波进行滤波及电流复用，且具有低功耗的特点。
进一步地，二次谐波注入网络包括晶体管Md4，晶体管Md4的源极为二次谐波注入网络的第二输入端，其栅极为二次谐波注入网络的第一输入端，并与微带线TL12的一端连接，微带线TL12的另一端分别与电阻R8的一端以及接地电容C19连接，电阻R8的另一端与低压偏置电源VG3连接；晶体管Md4的漏极分别与电感L3的一端以及电容C20的一端连接，电感L3的另一端和电容C20的另一端相连接作为二次谐波注入网络的输出端。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中的二次谐波注入网络采用高效率谐波注入技术，利用电流复用结构降低直流功耗，并将滤波后的二次谐波注入到J类主功率放大网络中，进一步提高了整个J类堆叠功率放大器的效率。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种基于二次谐波注入技术的高效率J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基于二次谐波注入技术的高效率J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基于二次谐波注入技术的高效率J类堆叠功率放大器，如图1所示，包括J类主功率放大网络、输入分流移相网络、二次谐波产生网络、二次谐波滤波及电流复用网络和二次谐波注入网络；J类主功率放大网络的输入端与输入分流移相网络的输入端连接，共同作为整个高效率J类堆叠功率放大器的输入端，J类主功率放大网络的输出端为整个高效率J类堆叠功率放大器的输出端；输入分流移相网络的输出端与二次谐波产生网络的输入端连接，二次谐波产生网络的输出端与二次谐波滤波及电流复用网络的输入端连接，二次谐波滤波及电流复用网络的第一输出端与二次谐波注入网络的第一输入端连接，二次谐波滤波及电流复用网络的第二输出端与二次谐波注入网络的第二输入端连接，二次谐波注入网络的输出端与J类主功率放大网络连接。
如图2所示，J类主功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md2和底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极依次串联微带线TL4、电容C2、微带线TL2以及微带线TL1后作为J类主功率放大网络的输入端，微带线TL1和微带线TL2的连接节点还与接地电容C1连接，微带线TL4和电容C2的连接节点还与微带线TL3的一端连接，微带线TL3的另一端分别与电阻R1的一端以及接地电容C3连接，电阻R1的另一端与低压偏置电源VG1连接；底层晶体管Md1的漏极和顶层晶体管Md2的源极的连接节点还与微带线TL5的一端连接，微带线TL5的另一端与接地电容C4连接；顶层晶体管Md2的栅极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端以及接地电容C5连接，电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接；顶层晶体管Md2的漏极分别与微带线TL6的一端、电容C6的一端、电阻R6的一端、微带线TL7的一端以及二次谐波注入网络的输出端连接，微带线TL6的另一端分别与电容C6的另一端、电阻R6的另一端、电阻R4的另一端、接地电容C7以及高压偏置电源VD1连接，微带线TL7的另一端分别与电容C9的一端以及接地电容C8连接，电容C9的另一端为J类主功率放大网络的输出端。
输入分流移相网络包括微带线TL8、接地电容C11以及电容C12；微带线TL8的一端为输入分流移相网络的输入端，其另一端分别与电容C12的一端以及接地电容C11连接，电容C12的另一端为输入分流移相网络的输出端。
二次谐波产生网络包括晶体管Md3，晶体管Md3的源极接地，其栅极为二次谐波产生网络的输入端，并与微带线TL9的一端连接，微带线TL9的另一端分别与电阻R7的一端以及接地电容C13连接，电阻R7的另一端与低压偏置电源VG2连接；晶体管Md3的漏极为二次谐波产生网络的输出端。
二次谐波滤波及电流复用网络包括依次串联的微带线TL10、电容C15以及微带线TL11，微带线TL10的一端与电容C15连接，其另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的输入端，并与电感L1的一端连接，微带线TL10和电容C15的连接节点还与接地电容C14连接，电容C15和微带线TL11的连接节点还与电容C16的一端连接，电容C16的另一端与接地电感L2连接，微带线TL11的一端与电容C15连接，其另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的第一输出端，并与接地电容C17连接，电感L1的另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的第二输出端，并与接地电容C18连接。
二次谐波注入网络包括晶体管Md4，晶体管Md4的源极为二次谐波注入网络的第二输入端，其栅极为二次谐波注入网络的第一输入端，并与微带线TL12的一端连接，微带线TL12的另一端分别与电阻R8的一端以及接地电容C19连接，电阻R8的另一端与低压偏置电源VG3连接；晶体管Md4的漏极分别与电感L3的一端以及电容C20的一端连接，电感L3的另一端和电容C20的另一端相连接作为二次谐波注入网络的输出端。
下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：
射频输入信号通过输入端IN进入高效率J类堆叠功率放大器，其中一部分信号进入J类主功率放大网络中进行放大，另一部分信号由输入分流移相网络分流出并进行移相操作后，依次经过二次谐波产生网络、二次谐波滤波及电流复用网络和二次谐波注入网络，形成二次谐波波形，通过高效率谐波注入技术将其注入到J类主功率放大网络中，进一步提高了整个J类堆叠功率放大器的效率；最终由J类主功率放大网络放大后的信号和注入的二次谐波信号共同合成射频输出信号到达输出端OUT。
本发明实施例采用自偏置二堆叠J类功放结构作为核心架构，与现有开关功率放大器相比在效率和功率方面有较大的优势。同时本发明采用的J类主功率放大网络在底层晶体管Md1的栅极采用微带线TL3、电阻R1以及接地电容C3构成自偏置结构，在顶层晶体管Md2的栅极采用电阻R2～R7以及接地电容C5构成自偏置结构，在顶层晶体管Md2的漏极采用微带线TL6、电容C6～C7以及电阻R6构成自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极和漏极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极和漏极供电结构。此外，本发明实施例在底层晶体管Md1的漏极和顶层晶体管Md2的源极之间采用微带线TL5以及接地电容C4构成的枝节，能够实现底层晶体管Md1的漏极电压的波形整形。
本发明实施例中的二次谐波滤波及电流复用网络采用微带线TL10～TL11、电容C14～C17以及接地电感L2共同构成二次谐波滤波支路(带通LC滤波器)，用于滤除二次谐波以外的信号，实现后续精确的二次谐波注入；同时采用电感L1和接地电容C18共同构成电流复用支路，用于实现晶体管Md3和Md4复用一个供电电流，降低了直流功耗，具有低功耗的特点。
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、带宽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 (6)
1.一种基于二次谐波注入技术的高效率J类堆叠功率放大器，其特征在于，包括J类主功率放大网络、输入分流移相网络、二次谐波产生网络、二次谐波滤波及电流复用网络和二次谐波注入网络；
所述J类主功率放大网络的输入端与输入分流移相网络的输入端连接，共同作为整个所述高效率J类堆叠功率放大器的输入端，所述J类主功率放大网络的输出端为整个所述高效率J类堆叠功率放大器的输出端；
所述输入分流移相网络的输出端与二次谐波产生网络的输入端连接，所述二次谐波产生网络的输出端与二次谐波滤波及电流复用网络的输入端连接，所述二次谐波滤波及电流复用网络的第一输出端与二次谐波注入网络的第一输入端连接，所述二次谐波滤波及电流复用网络的第二输出端与二次谐波注入网络的第二输入端连接，所述二次谐波注入网络的输出端与J类主功率放大网络连接。
2.根据权利要求1所述的高效率J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述J类主功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md2和底层晶体管Md1；
所述底层晶体管Md1的源极接地，其栅极依次串联微带线TL4、电容C2、微带线TL2以及微带线TL1后作为J类主功率放大网络的输入端，所述微带线TL1和微带线TL2的连接节点还与接地电容C1连接，所述微带线TL4和电容C2的连接节点还与微带线TL3的一端连接，所述微带线TL3的另一端分别与电阻R1的一端以及接地电容C3连接，所述电阻R1的另一端与低压偏置电源VG1连接；
所述底层晶体管Md1的漏极和顶层晶体管Md2的源极的连接节点还与微带线TL5的一端连接，所述微带线TL5的另一端与接地电容C4连接；
所述顶层晶体管Md2的栅极与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端以及接地电容C5连接，所述电阻R3的另一端分别与电阻R4的一端以及接地电阻R5连接；
所述顶层晶体管Md2的漏极分别与微带线TL6的一端、电容C6的一端、电阻R6的一端、微带线TL7的一端以及二次谐波注入网络的输出端连接，所述微带线TL6的另一端分别与电容C6的另一端、电阻R6的另一端、电阻R4的另一端、接地电容C7以及高压偏置电源VD1连接，所述微带线TL7的另一端分别与电容C9的一端以及接地电容C8连接，所述电容C9的另一端为J类主功率放大网络的输出端。
3.根据权利要求1所述的高效率J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述输入分流移相网络包括微带线TL8、接地电容C11以及电容C12；所述微带线TL8的一端为输入分流移相网络的输入端，其另一端分别与电容C12的一端以及接地电容C11连接，所述电容C12的另一端为输入分流移相网络的输出端。
4.根据权利要求1所述的高效率J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述二次谐波产生网络包括晶体管Md3，所述晶体管Md3的源极接地，其栅极为二次谐波产生网络的输入端，并与微带线TL9的一端连接，所述微带线TL9的另一端分别与电阻R7的一端以及接地电容C13连接，所述电阻R7的另一端与低压偏置电源VG2连接；所述晶体管Md3的漏极为二次谐波产生网络的输出端。
5.根据权利要求1所述的高效率J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述二次谐波滤波及电流复用网络包括依次串联的微带线TL10、电容C15以及微带线TL11，所述微带线TL10的一端与电容C15连接，其另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的输入端，并与电感L1的一端连接，所述微带线TL10和电容C15的连接节点还与接地电容C14连接，所述电容C15和微带线TL11的连接节点还与电容C16的一端连接，所述电容C16的另一端与接地电感L2连接，所述微带线TL11的一端与电容C15连接，其另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的第一输出端，并与接地电容C17连接，所述电感L1的另一端为二次谐波滤波及电流复用网络的第二输出端，并与接地电容C18连接。
6.根据权利要求1所述的高效率J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述二次谐波注入网络包括晶体管Md4，所述晶体管Md4的源极为二次谐波注入网络的第二输入端，其栅极为二次谐波注入网络的第一输入端，并与微带线TL12的一端连接，所述微带线TL12的另一端分别与电阻R8的一端以及接地电容C19连接，所述电阻R8的另一端与低压偏置电源VG3连接；所述晶体管Md4的漏极分别与电感L3的一端以及电容C20的一端连接，所述电感L3的另一端和电容C20的另一端相连接作为二次谐波注入网络的输出端。
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