CN109525208A - 一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器 - Google Patents

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马建国
邹浩
傅海鹏
周绍华
张新
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Abstract

本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，双频带输入匹配电路分别与所述RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路连接，在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，所述RC稳定电路与晶体管的输入端连接；所述新型谐波控制电路与晶体管的输出端连接，所述新型谐波控制电路的输出端分别与双频带三次谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路的连接。双频带基波输出匹配电路不影响谐波控制电路部分的设计，控制谐波阻抗时的影响因素进一步降低。

Description

一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，为了满足信号质量、功率和效率方面的要求，具备宽带和多标准的收发机系统更具吸引力。这就要求收发机系统必须能够同时处理多个标准规定频率的不同信号。功率放大器(PA)是收发机系统中的关键组件之一，也是系统功耗和成本的主要影响因素，也需要具备同时处理多个频带信号的能力。可以采用两种技术方案：宽带高效功放和多频带高效功放技术；宽带高效功放可以在较宽的频带内获得一定的输出功率和效率等，但是往往无法在目标工作频带达到最佳性能，而且存在杂波信号干扰的问题；多频带高效功放技术的设计思想是在每一个目标频带都获得最佳性能，不存在频带浪费的问题。而双频带高效功放是多频带高效功放技术中最基本的一类，已成为研究热点。
但是，目前已有的双频带功率放大器没有实现优异的功率附加效率(PAE)性能。主要是由于它们工作在两个频带上的谐波控制电路结构复杂，或者没有考虑高次谐波的阻抗，或者使用的谐波阻抗控制方法不够精确，导致设计的双频带功率放大器的效率降低；在实际电路设计中，考虑到电路复杂度与功放性能的折中，一般只涉及二次谐波和三次谐波。
发明内容
本发明的主要目的就是针对上述问题，提供一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器结构。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其特征在于：包括晶体管、双频带输入匹配电路、RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路、新型谐波控制电路、双频带三次谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路；双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，双频带输入匹配电路分别与所述RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路连接，在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，所述RC稳定电路与晶体管的输入端连接；所述新型谐波控制电路与晶体管的输出端连接，所述新型谐波控制电路的输出端分别与双频带三次谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路的连接。
优选地，所述新型谐波控制电路由串联的传输线T9、传输线T10、传输线T13，并联的终端开路传输线T11、传输线T12构成，其中传输线T11和传输线T12接在传输线T10上；在低频带二次谐波2f1、三次谐波3f1，高频带二次谐波2f2、三次谐波3f2下，新型谐波控制电路提供从四个谐波阻抗的短路点到四个谐波频率下的晶体管最佳负载阻抗点的转换功能。
优选地，所述双频带三次谐波控制电路由串联的传输线T14、T15构成，在功放主链路连接处E点提供双频带三次谐波3f1和3f2的短路状态。
优选地，所述双频带栅极直流偏置电路双频带漏极直流偏置电路都由两段串联的传输线和两个并联的扇形传输线构成，在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件。
优选地，所述双频带输出匹配电路能在基波频率f1和f2处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。
本发明的有益效果是:(1)双频带基波输出匹配电路不影响谐波控制电路部分的设计，控制谐波阻抗时的影响因素进一步降低；(2)简化了谐波控制电路部分以及功放栅极和漏极的直流偏置电路结构；(3)控制了双频带下二次和三次谐波负载阻抗，进一步提高双频带功放的效率。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的电路结构图；
图3(a)是双频带漏极直流电路的部分结构示意图；
图3(b)是偏移双侧平行带线(Offset DSPSL)的横截面图；
图4是新型谐波控制电路的结构图；
图5是新型谐波控制电路在smith圆中的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。本发明提供的一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其原理框图如图1所示，其中，晶体管输入端由RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；晶体管输出端由新型谐波控制电路、双频带三次谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成。
图2所示为低频带基波f1，高频带基波f2的基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器的电路结构图。双频带输入匹配电路和双频带输出匹配电路都由三段串联的传输线和一段并联开路传输线构成，在两个工作频带处匹配晶体管最佳基波阻抗到50Ω；RC稳定电路与栅极偏置线连接的电阻R1用来保证功放的稳定性。
双频带漏极直流偏置电路由两段串联的传输线T16、T17，两个并联的扇形传输线T18、T19构成；在两个工作频带f1和f2处，两个并联的扇形线T18、T19提供基波在B点的短路状态，由串联的传输线T16、T17将B点的基波短路状态转换到A点的基波开路状态。
图3(a)所示为双频带漏极直流电路的部分结构示意图，这个由两段串联传输线T16、T17构成的简单结构可以实现在两个任意频率下从零到无限大的阻抗变换的目标；假设传输线T16、T17的特征阻抗分别为Z5、Z6，电长度分别为θ5、θ6，使用载于《IEEE微波和无线组件快报》的文献“一种设计高效二次谐波调谐功率放大器的简便方法”的设计流程，它们的计算方式如式(1)-(3)所示：
但是对于某些特定频率而言，谐波控制电路的两个串联传输线之间的阻抗比Z5/Z6有些大。例如，对于低频带f1＝1.9GHz和高频带f2＝3.3GHz。m＝f2/f1＝1.74，θ5＝θ6＝π/(1+1.74)＝0.365π＝65.7°，Z5/Z6＝tan(65.7°)*tan(65.7°)＝4.88。假设传输线T17的特征阻抗Z6的值选为30Ω，则传输线T16的特征阻抗Z5的值接近于147Ω。当使用的基板材料为RO5880，相对介电常数εr＝2.2，厚度为31mil，在传输线T14的特征阻抗为147Ω的情况下，线宽为0.21mm，接近印刷电路板工艺的制造极限，而且高特征阻抗的微带传输线的高功率处理能力有限。双侧平行带线(DSPSL)由介质基板中两个相对侧的金属薄片组成，这两个金属薄片完全相同，它可以实现具有各种特征阻抗的传输线路；当偏移介质基板顶部和底部的金属薄片，得到的偏移双侧平行带线(Offset DSPSL)可以很容易地实现特征阻抗高达250Ω的微带线，而不需要减小金属薄片的宽度。图3(a)中的黑色矩形表示偏移双侧平行带线的底部金属薄片。图3(b)是偏移双侧平行带线(Offset DSPSL)的横截面图；εr是介质基板的相对介电常数，h是介质基板的厚度，w是金属薄片宽度，d是偏移距离。
同样采用偏移双侧平行带线(Offset DSPSL)技术的包括双频带栅极直流偏置电路和双频带三次谐波控制电路。双频带栅极直流偏置电路由串联的传输线T5、T6，两个并联的扇形线T7、T8构成，在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件；双频带三次谐波控制电路由串联的传输线T14、T15构成，在功放主链路连接处E点提供两个工作频带的三次谐波3f1和3f2的短路状态。
图4为本发明提出的新型谐波控制电路。图5是新型谐波控制电路在smith圆中的工作示意图。在低频带二次谐波2f1、三次谐波3f1，高频带二次谐波2f2、三次谐波3f2下，该电路提供从四个谐波阻抗的短路点到四个谐波频率下的晶体管最佳负载阻抗点的转换功能。具体工作方式如下所述：
(1)并联开路传输线T11提供在C点的低频带二次谐波2f1的短路状态，通过调节传输线T9的特征阻抗和电长度，传输线T10的特征阻抗Z和电长度θ1，从C点的短路状态转换到2f1下的晶体管最佳负载阻抗点。如图5所示，空心的圆形为2f1下的晶体管最佳负载阻抗点。
(2)并联开路传输线T12提供在D点的高频带二次谐波2f2的短路状态；通过调节传输线T11的电长度、传输线T10的电长度θ2，从D点的短路状态转换到2f2下的晶体管最佳负载阻抗点。如图5所示，空心的五角形为2f2下的晶体管最佳负载阻抗点。
(3)在两个工作频带的三次谐波3f1、3f2下，通过调节传输线T10的电长度θ3、并联开路传输线T12的特征阻抗、传输线T13的特征阻抗和电长度，从E点的短路状态转换到3f1和3f2下的晶体管最佳负载阻抗点。如图5所示，黑色圆形3f1下晶体管最佳负载阻抗点，黑色五角形为3f2下晶体管最佳负载阻抗点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其特征在于：包括晶体管、双频带输入匹配电路、RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路、新型谐波控制电路、双频带三次谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路；双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，双频带输入匹配电路分别与所述RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路连接，在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，所述RC稳定电路与晶体管的输入端连接；所述新型谐波控制电路与晶体管的输出端连接，所述新型谐波控制电路的输出端分别与双频带三次谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路的连接。
2.根据其权利要求1所述的一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其特征在于：所述新型谐波控制电路由串联的传输线T9、传输线T10、传输线T13，并联的终端开路传输线T11、传输线T12构成，其中传输线T11和传输线T12接在传输线T10上；在低频带二次谐波2f1、三次谐波3f1，高频带二次谐波2f2、三次谐波3f2下，新型谐波控制电路提供从四个谐波阻抗的短路点到四个谐波频率下的晶体管最佳负载阻抗点的转换功能。
3.根据其权利要求1所述的一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其特征在于：所述双频带三次谐波控制电路由串联的传输线T14、T15构成，在功放主链路连接处E点提供双频带三次谐波3f1和3f2的短路状态。
4.根据其权利要求1所述的一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其特征在于：所述双频带栅极直流偏置电路双频带漏极直流偏置电路都由两段串联的传输线和两个并联的扇形传输线构成，在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件。
5.根据其权利要求1所述的一种基于谐波控制的新型双频带高效率功率放大器，其特征在于：所述双频带输出匹配电路能在基波频率f1和f2处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。
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