CN109286376A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，包括输入双频控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、输出二次谐波双频J类控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络。本发明采用基于自偏结构的四堆叠晶体管结构，并结合了二次谐波双频J类控制网络，使得电路具有双频段的高效率、高增益、高功率、高线性度的输出能力。
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控制的高效率双频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双频带甚至多频模式、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双频带工作模式下高效率、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，主要体现在双频带工作模式、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，但是双频过驱动开关功率放大器的实现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；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方式，尤其限制了双频带的设计应用。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控制的高效率双频J类堆叠功率放大器，利用自偏置晶体管堆叠技术以及高效率双频J类控制技术，实现双频段下高效率、高增益、高功率、高线性度输出特性。
本发明的技术方案为：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，包括输入双频控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、输出二次谐波双频J类控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入双频控制网络的输入端为整个高效率双频J类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与四堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；输出二次谐波双频J类控制网络的输出端为整个高效率双频J类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与四堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与输入双频控制网络连接，漏极供电偏置网络分别与四堆叠自偏置功率放大网络以及输出二次谐波双频J类控制网络连接。
本发明的有益效果是：本发明采用基于自偏置结构的四堆叠晶体管结构，并结合了双频匹配的工作方式，使得电路可以在两个频段实现J类放大器的工作模式，具有高效率、高增益、高功率、高线性度的输出能力，且占用较小的电路尺寸。
进一步地，输入双频控制网络包括依次串联的电容C1、电感L2、电容C3和电阻R1，电容C1的一端与电感L2连接，其另一端为输入双频控制网络的输入端；电阻R1的一端与电容C3连接，其另一端为输入双频控制网络的输出端；电容C1和电感L2的连接节点还分别与接地电容C2以及接地电感L1连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的输入双频控制网络采用LCL谐振匹配枝节，能够同时在两个频段实现放大器电路的输入阻抗匹配。
进一步地，四堆叠自偏置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Md4、第二中间层晶体管Md3、第一中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极与微带线TL1的一端连接，微带线TL1的另一端为四堆叠自偏置功率放大网络的输入端；第一中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及接地电容C5连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端以及接地电阻R9连接；第二中间层晶体管Md3的栅极分别与电阻R4的一端以及接地电容C6连接，电阻R4的另一端分别与电阻R3的另一端以及电阻R5的一端连接；顶层晶体管Md4的漏极为四堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R6的一端以及接地电容C7连接，电阻R6的另一端分别与电阻R5的另一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与漏极供电偏置网络连接。
上述进一步方案的有益效果是：传统高效率开关功率放大器往往采用单一晶体管，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，与之相比，本发明采用的四堆叠放大网络可以有效提升功率容量和功率增益；同时，本发明采用的四堆叠自偏置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。
进一步地，输出二次谐波双频J类控制网络包括依次串联的电容C9、电容C10、电感L6和电感L7，电容C9的一端与电容C10连接，其另一端为输出二次谐波双频J类控制网络的输入端；电感L7的一端与电感L6连接，其另一端为输出二次谐波双频J类控制网络的输出端；电容C9和电容C10的连接节点还与接地电感L5连接，电感L6和电感L7的连接节点还与接地电容C11连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的输出二次谐波双频J类控制网络采用相互连接的CLC谐振匹配枝节以及LCL谐振匹配枝节，能够同时在基波和二次谐波两个频点实现J类放大器的阻抗匹配。
进一步地，栅极供电偏置网络包括电感L3，电感L3的一端与输入双频控制网络的输出端连接，其另一端分别与电阻R8的一端以及接地电容C8连接，电阻R8的另一端分别与接地电容C4以及低压偏置电源VG连接。
上述进一步方案的有益效果是：栅极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管Md1起到良好的栅极供电及偏置作用。
进一步地，漏极供电偏置网络包括电感L4，电感L4的一端与输出二次谐波双频J类控制网络的输入端连接，其另一端分别与接地电容C12、接地电容C13、电阻R7以及高压偏置电源VD连接。
上述进一步方案的有益效果是：漏极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md4起到良好的漏极供电及偏置作用。
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控制的高效率双频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控制的高效率双频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控制的高效率双频J类堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入双频控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、输出二次谐波双频J类控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入双频控制网络的输入端为整个高效率双频J类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与四堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；输出二次谐波双频J类控制网络的输出端为整个高效率双频J类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与四堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与输入双频控制网络连接，漏极供电偏置网络分别与四堆叠自偏置功率放大网络以及输出二次谐波双频J类控制网络连接。
如图2所示，输入双频控制网络包括依次串联的电容C1、电感L2、电容C3和电阻R1，电容C1的一端与电感L2连接，其另一端为输入双频控制网络的输入端；电阻R1的一端与电容C3连接，其另一端为输入双频控制网络的输出端；电容C1和电感L2的连接节点还分别与接地电容C2以及接地电感L1连接。
四堆叠自偏置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Md4、第二中间层晶体管Md3、第一中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；底层晶体管Md1的源极接地，其栅极与微带线TL1的一端连接，微带线TL1的另一端为四堆叠自偏置功率放大网络的输入端；第一中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及接地电容C5连接，电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端以及接地电阻R9连接；第二中间层晶体管Md3的栅极分别与电阻R4的一端以及接地电容C6连接，电阻R4的另一端分别与电阻R3的另一端以及电阻R5的一端连接；顶层晶体管Md4的漏极为四堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R6的一端以及接地电容C7连接，电阻R6的另一端分别与电阻R5的另一端以及电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与漏极供电偏置网络连接。
输出二次谐波双频J类控制网络包括依次串联的电容C9、电容C10、电感L6和电感L7，电容C9的一端与电容C10连接，其另一端为输出二次谐波双频J类控制网络的输入端；电感L7的一端与电感L6连接，其另一端为输出二次谐波双频J类控制网络的输出端；电容C9和电容C10的连接节点还与接地电感L5连接，电感L6和电感L7的连接节点还与接地电容C11连接。
栅极供电偏置网络包括电感L3，电感L3的一端与输入双频控制网络的输出端连接，其另一端分别与电阻R8的一端以及接地电容C8连接，电阻R8的另一端分别与接地电容C4以及低压偏置电源VG连接。
漏极供电偏置网络包括电感L4，电感L4的一端与输出二次谐波双频J类控制网络的输入端连接，其另一端分别与接地电容C12、接地电容C13、电阻R7以及高压偏置电源VD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：
射频输入信号通过输入端IN进入高效率双频J类堆叠功率放大器的输入双频控制网络，经输入双频控制网络进行阻抗匹配后进入四堆叠自偏置功率放大网络进行放大，放大后的信号进入输出二次谐波双频J类控制网络进行输出匹配，最终形成射频输出信号到达输出端OUT。
输入双频控制网络中，采用由接地电感L1、接地电容C2以及电感L2构成的LCL谐振匹配枝节，能够同时在两个频段实现放大器电路的输入阻抗匹配。
本发明实施例采用四堆叠自偏置放大网络作为高效率双频J类堆叠功率放大器的核心架构，具有高功率、高增益以及良好的输入输出匹配。同时在四堆叠自偏置放大网络中，由电阻R2～R7以及R9共同构成了自偏置结构，因此四堆叠自偏置放大网络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。
输出二次谐波双频J类控制网络中，由电容C9、接地电感L5和电容C10共同构成了CLC谐振匹配枝节，由电感L6、接地电容C11和电感L7共同构成了LCL谐振匹配枝节，两个谐振匹配枝节相连接，能够同时在基波和二次谐波两个频点实现J类放大器的阻抗匹配。
栅极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管Md1起到良好的栅极供电及偏置作用，漏极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md4起到良好的漏极供电及偏置作用。
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、高线性度输出能力。
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控制的高效率双频J类堆叠功率放大器，其特征在于，包括输入双频控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、输出二次谐波双频J类控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；
所述输入双频控制网络的输入端为整个所述高效率双频J类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与四堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；
所述输出二次谐波双频J类控制网络的输出端为整个所述高效率双频J类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与四堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；
所述栅极供电偏置网络与输入双频控制网络连接，所述漏极供电偏置网络分别与四堆叠自偏置功率放大网络以及输出二次谐波双频J类控制网络连接。
2.根据权利要求1所述的高效率双频J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述输入双频控制网络包括依次串联的电容C1、电感L2、电容C3和电阻R1，所述电容C1的一端与电感L2连接，其另一端为输入双频控制网络的输入端；所述电阻R1的一端与电容C3连接，其另一端为输入双频控制网络的输出端；所述电容C1和电感L2的连接节点还分别与接地电容C2以及接地电感L1连接。
3.根据权利要求1所述的高效率双频J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述四堆叠自偏置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Md4、第二中间层晶体管Md3、第一中间层晶体管Md2以及底层晶体管Md1；
所述底层晶体管Md1的源极接地，其栅极与微带线TL1的一端连接，所述微带线TL1的另一端为四堆叠自偏置功率放大网络的输入端；
所述第一中间层晶体管Md2的栅极分别与电阻R2的一端以及接地电容C5连接，所述电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端以及接地电阻R9连接；
所述第二中间层晶体管Md3的栅极分别与电阻R4的一端以及接地电容C6连接，所述电阻R4的另一端分别与电阻R3的另一端以及电阻R5的一端连接；
所述顶层晶体管Md4的漏极为四堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R6的一端以及接地电容C7连接，所述电阻R6的另一端分别与电阻R5的另一端以及电阻R7的一端连接，所述电阻R7的另一端与漏极供电偏置网络连接。
4.根据权利要求1所述的高效率双频J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述输出二次谐波双频J类控制网络包括依次串联的电容C9、电容C10、电感L6和电感L7，所述电容C9的一端与电容C10连接，其另一端为输出二次谐波双频J类控制网络的输入端；所述电感L7的一端与电感L6连接，其另一端为输出二次谐波双频J类控制网络的输出端；所述电容C9和电容C10的连接节点还与接地电感L5连接，所述电感L6和电感L7的连接节点还与接地电容C11连接。
5.根据权利要求1所述的高效率双频J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述栅极供电偏置网络包括电感L3，所述电感L3的一端与输入双频控制网络的输出端连接，其另一端分别与电阻R8的一端以及接地电容C8连接，所述电阻R8的另一端分别与接地电容C4以及低压偏置电源VG连接。
6.根据权利要求3所述的高效率双频J类堆叠功率放大器，其特征在于，所述漏极供电偏置网络包括电感L4，所述电感L4的一端与输出二次谐波双频J类控制网络的输入端连接，其另一端分别与接地电容C12、接地电容C13、电阻R7以及高压偏置电源VD连接。
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