CN110350874B - 一种具有谐波抑制能力的微带功率放大器 - Google Patents

一种具有谐波抑制能力的微带功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微带功率放大器，具有突出的带外谐波抑制能力，从而有效得减小元件尺寸。实施例测试结果表明：带外可以实现超过4次谐波的抑制，抑制程度超过55dB；最大附加效率为62％，最大输出功率为40.5dBm，附加效率大于60％的带宽可以达到100MHz。该微带功率放大器具有性能优越、尺寸小等优点。

Description

一种具有谐波抑制能力的微带功率放大器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有谐波抑制能力的微带功率放大器。
背景技术
功率放大器是射频发射系统中的主要部分。信号经过射频功率放大器，获得足够大的射频输出功率，才能馈送到天线发射出去。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率和效率。此外，其输出中的谐波分量应该尽可能小，以避免对其它系统产生干扰。在射频/微波等较高频段内，基于集总参数元件实现的功率放大器受限于器件难以实现。微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点，是应用广泛的一类高频传输线。微带线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。因此，在射频/微波等较高频段内，基于微带的功率放大器是一种重要的实现形式。
发明内容
为了克服传统的微带功率放大器的谐波抑制能力不足的缺点。本发明提供了一种新型的微带功率放大器，能够实现良好的谐波抑制功能。与现有的同类功率放大器相比，具有谐波抑制较好、尺寸减小等优点。
本发明所述的微带功率放大器拓扑结构如图1所示，其特征在于：输入信号通过输入端口(In)馈入，输入端口(In)通过第一电容(C1)连接到第一微带传输线节(1)，第一微带传输线节(1)通过电阻(R1)和第二电容(C2)的并联连接到第二微带传输线节(2)，第二微带传输线节(2)连接到第三微带传输线节(3),第三微带传输线节(3)连接到第四微带传输线节(4)，第四微带传输线节(4)连接到晶体管(T)左侧；栅极电压(Vgs)通过并联第四电容(C4)、第五电容(C5)和第六电容(C6)，连接到第八微带传输线节(8)，第八微带传输线节(8)再连接到第二微带传输线节(2)与第三微带传输线节(3)之间；晶体管(T)右侧连接第五微带传输线节(5)，第五微带传输线节(5)连接到第六微带传输线节(6)，第六微带传输线节(6)连接到第七微带传输线节(7)，第七微带传输线节(7)通过第三电容(C3)连接到第十微带传输线节(10)，第十微带传输线节(10)连接到第十一微带传输线节(11)；第十一微带传输线节(11)连接到第一微带平行耦合线节(P1)的左边线节，第一微带平行耦合线节(P1)的左边线节一端接地，另外一端连接第十二微带传输线节(12)，第一微带平行耦合线节(P1)的右边线节一端开路，另外一端连接第十三微带传输线节(13)；第十三微带传输线节(13)连接了第十四微带传输线节(14)，同时连接第十五微带传输线节(15)；第十五微带传输线节(15)连接到第二微带平行耦合线节(P2)的左边线节一端，左边线节的另外一端开路，第二微带平行耦合线节(P2)的右边线节一端短路，另外一端连接第十六微带传输线节(16)，同时右边线节连接第十七微带传输线节(17)；第十七微带传输线节(17)连接第十八微带传输线节(18)，第十八微带传输线节(18)连接到输出端口(Out)；漏极电压(Vds)通过并联第七电容(C7)、第八电容(C8)和第九电容(C9)，连接到第九微带传输线节(9)，第九微带传输线节(9)再连接到第五微带传输线节(5)与第六微带传输线节(6)之间。
图1所示的微带功率放大器所包含的部分匹配网络结构，如图2所示。为了简化分析图2中的部分匹配网络结构，采用图3所示的近似结构来进行等效分析。其中，YS和YL分别表示从所示方向看进去的输入导纳，Z0和θ0表示第十一微带传输线节(11)的特征阻抗和电长度，Z1e、Z1o和θ1表示第一微带平行耦合线节(P1)的偶模和奇模阻抗以及电长度，Z2和θ2表示第十二微带传输线节(12)的特征阻抗和电长度，Z3和θ3表示第十三微带传输线节(13)的特征阻抗和电长度，Z4和θ4表示第十四微带传输线节(14)的特征阻抗和电长度，Z5和θ5表示第十五微带传输线节(15)的特征阻抗和电长度，Z6e、Z6o和θ6表示第二微带平行耦合线节(P2)的偶模和奇模阻抗以及电长度，Z7和θ7表示第十六微带传输线节(16)的特征阻抗和电长度，Z8和θ8表示第十七微带传输线节(17)的特征阻抗和电长度；这些参数统称为电参数。
图3中的近似结构用图4中的集总参数等效电路来进行等效。进而，用图4中的集总参数等效电路来近似等效图2中的部分匹配网络结构。其中，L′1、L2、L3和L′4是电感；C′1、C2、C3和C′4是电容；Js1和JL4是导纳倒置器；K12、K23和K34是阻抗倒置器，且K12＝1/(ωC12)，K23＝ωL23-1/(ωC23)，K34＝1/(ωC34)，L23是电感，C12和C34是电容，ω是复频率变量。图4中集总参数等效电路的连接关系为：第一导纳倒置器(Js1)并联第一电感(L′1)和第一电容(C′1)，再与第二导纳倒置器(Js1)级联，第二导纳倒置器(Js1)与第一阻抗倒置器(K12)级联；第一阻抗倒置器(K12)串联第二电感(L2)和第二电容(C2)，再与第二阻抗倒置器(K23)级联；第二阻抗倒置器(K23)串联第三电感(L3)和第三电容(C3)，再与第三阻抗倒置器(K34)级联；第三阻抗倒置器(K34)与第三导纳倒置器(JL4)级联，第三导纳倒置器(JL4)并联第四电感(L′4)和第四电容(C′4)，再与第四导纳倒置器(JL4)级联。
图3中近似结构的电参数与图4中集总参数等效电路的元件值之间的关系，称之为等效关系，通过以下公式描述：
Figure BDA0002123431160000021
Figure BDA0002123431160000022
Figure BDA0002123431160000023
Figure BDA0002123431160000024
Figure BDA0002123431160000025
Figure BDA0002123431160000026
Figure BDA0002123431160000027
Figure BDA0002123431160000028
Figure BDA0002123431160000029
Figure BDA00021234311600000210
Figure BDA00021234311600000211
计算步骤为：①由YS、Z0和JS1，通过公式(1)计算得到θ0。②在角频率
Figure BDA00021234311600000212
处，θ1+θ2＝π/2，用公式(2)确定Z1e+Z1o；通过公式(3)求得Z1e-Z1o，从而分别确定Z1e和Z1o。③通过公式(4)确定Z2；通过公式(5)确定Z3，在角频率
Figure BDA0002123431160000031
处，θ1+θ3＝π/2。④通过公式(6)确定Z4；在频率
Figure BDA0002123431160000032
处，θ4＝π/2。⑤由YL、Z8和JL4，通过公式(7)计算得到θ8。⑥在角频率
Figure BDA0002123431160000033
处，θ6+θ7＝π/2，用公式(8)确定Z6e+Z6o；通过公式(9)求得Z6e-Z6o，从而分别确定Z6e和Z6o。⑦通过公式(10)确定Z7；通过公式(11)确定Z5，在角频率
Figure BDA0002123431160000034
处，θ5+θ6＝π/2。
本发明所述的微带功率放大器的有益效果是：可以保证一定效率和带宽的前提下，具有突出的谐波抑制能力；尺寸较小，设计过程简单，容易调试等显著优点。
附图说明
图1：微带功率放大器结构示意图；
图2：微带功率放大器所包含的部分匹配网络结构示意图；
图3：部分匹配网络结构的近似结构示意图；
图4：集总参数等效电路示意图；
图5：实施例一的仿真结果对比图；
图6：实施例二的标注示意图；
图7：实施例二的小信号测试结果图；
图8：当输入功率一定时，实施例二的输出功率和附加效率随频率变化图；
图9：当输入功率变化时，实施例二的输出功率、增益和功率附加效率测试结果图。
具体实施方式
为了体现本发明的创造性和新颖性，下面借助于实施例进行深入技术方案的实施和效果。在分析过程中，将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。不失一般性，实施例选用一款常用微带基片，其相对介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm。
实施例一用于验证图4中集总参数等效电路与图2中部分匹配网络结构之间的等效性。不失一般性，当图4中集总参数等效电路的元件值为：JS1＝JL4＝0.0112S，L′1＝L′4＝2.6864·10-9H，C′1＝C′4＝2.3298·10-12F，
Figure BDA0002123431160000035
L2＝L3＝2.0019·10-9H，C2＝C3＝2.9268·10-12F，
Figure BDA0002123431160000036
使用等效关系(1)-(11)，按照计算步骤计算得到图2中部分匹配网络结构的电参数。根据前面所描述的计算步骤，得到：YS＝YL＝0.02S，Z0＝Z8＝100Ω，θ0＝θ8＝42.7873°@2.0GHz，Z1e＝Z6e＝36.2089Ω，Z1o＝Z6o＝26.7391Ω，θ1＝θ6＝67°@2.0GHz，Z2＝Z7＝31.4740Ω，θ2＝θ7＝22.6040°@2.0118GHz，Z3＝Z5＝30.7617Ω，θ3＝θ5＝20.3416°@2.0792GHz，Z4＝10.5494Ω，
Figure BDA0002123431160000037
实施例一中，图4中集总参数等效电路和图2中部分匹配网络结构的仿真结果如图5所示，两者吻合较好，验证了两者之间的等效性。
实施例二用于验证图1中的微带功率放大器，它的元器件和结构参数标注图如图6所示。不失一般性，选用GaN晶体管CGH40010F，漏极电压为28V，栅极电压为-3V。其它元件值取为：C1＝C2＝C3＝C6＝C7＝10pF，C4＝C9＝10μF，C5＝C8＝100pF，R1＝10Ω。微带结构参数为(单位：mm)：w1＝5.1，l1＝2.2，w2＝4，l2＝4.5，w3＝7.2，l3＝2.7，w4＝3.2，l4＝7.9，w5＝2，l5＝2，w6＝1.3，l6＝2.5，w7＝10，l7＝1.6，w8＝w9＝0.8，l8＝l9＝21.7，w10＝1.5，l10＝8，w11＝3.1，l11＝6.5，w12＝1.95，l12＝9.3，w13＝w15＝1.9，l13＝4.24，l15＝4.44，w14＝4.72，l14＝16.7，w16＝1.95，l16＝9.12，w17＝0.3，l17＝7.2，w18＝1.1，l18＝8，wp1＝1.9，lp1＝14.4，sp1＝0.12，wp2＝1.9，lp2＝14.6和sp2＝0.13。
实施例二的小信号测试结果如图7所示，通带内的小信号增益约为16.2dB。在通带右侧具有一个传输零点，在2.5GHz处的抑制超过40dB，从而具有突出的频率选择性。带外可以实现超过4次谐波的抑制，抑制程度超过55dB。
在输入功率为27dBm的情况下，图8描述了输出功率(Pout)和附加效率(PAE)随频率变化的曲线。测得的最大附加效率为62％，最大输出功率为40.5dBm，附加效率大于60％的带宽可以达到100MHz，即从1.92GHz到2.02GHz。图9显示了在中心频率为2GHz时，输入功率从12dBm增加到29dBm的情况下，输出功率(Pout)、增益(Gain)和附加效率(PAE)的测量值。当输入功率为27dBm时，附加效率(PAE)最高可达61.3％。
以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的微带功率放大器在保证一定带宽和效率的前提下，具有突出的谐波抑制能力，还具有尺寸较小、设计过程简单等优点，体现出显著的技术进步。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 (5)

1.一种微带功率放大器，其特征在于：输入信号通过输入端口(In)馈入，输入端口(In)通过第一电容(C1)连接到第一微带传输线节(1)，第一微带传输线节(1)通过电阻(R1)和第二电容(C2)的并联连接到第二微带传输线节(2)，第二微带传输线节(2)连接到第三微带传输线节(3),第三微带传输线节(3)连接到第四微带传输线节(4)，第四微带传输线节(4)连接到晶体管(T)左侧；栅极电压(Vgs)通过并联第四电容(C4)、第五电容(C5)和第六电容(C6)，连接到第八微带传输线节(8)，第八微带传输线节(8)再连接到第二微带传输线节(2)与第三微带传输线节(3)之间；晶体管(T)右侧连接第五微带传输线节(5)，第五微带传输线节(5)连接到第六微带传输线节(6)，第六微带传输线节(6)连接到第七微带传输线节(7)，第七微带传输线节(7)通过第三电容(C3)连接到第十微带传输线节(10)，第十微带传输线节(10)连接到第十一微带传输线节(11)；第十一微带传输线节(11)连接到第一微带平行耦合线节(P1)的左边线节，第一微带平行耦合线节(P1)的左边线节一端接地，另外一端连接第十二微带传输线节(12)，第一微带平行耦合线节(P1)的右边线节一端开路，另外一端连接第十三微带传输线节(13)；第十三微带传输线节(13)连接了第十四微带传输线节(14)，同时连接第十五微带传输线节(15)；第十五微带传输线节(15)连接到第二微带平行耦合线节(P2)的左边线节一端，左边线节的另外一端开路，第二微带平行耦合线节(P2)的右边线节一端短路，另外一端连接第十六微带传输线节(16)，同时右边线节连接第十七微带传输线节(17)；第十七微带传输线节(17)连接第十八微带传输线节(18)，第十八微带传输线节(18)连接到输出端口(Out)；漏极电压(Vds)通过并联第七电容(C7)、第八电容(C8)和第九电容(C9)，连接到第九微带传输线节(9)，第九微带传输线节(9)再连接到第五微带传输线节(5)与第六微带传输线节(6)之间。
2.根据权利要求1所述的微带功率放大器，在通带右侧具有一个传输零点。
3.根据权利要求1所述的微带功率放大器，带外可以实现超过4次谐波的抑制。
4.根据权利要求1所述的微带功率放大器，基于微带基片，其相对介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm；选用GaN晶体管CGH40010F，漏极电压为28V，栅极电压为-3V；其它元件值取为：C1＝C2＝C3＝C6＝C7＝10pF，C4＝C9＝10μF，C5＝C8＝100pF，R1＝10Ω；微带结构参数为：w1＝5.1mm，l1＝2.2mm，w2＝4mm，l2＝4.5mm，w3＝7.2mm，l3＝2.7mm，w4＝3.2mm，l4＝7.9mm，w5＝2mm，l5＝2mm，w6＝1.3mm，l6＝2.5mm，w7＝10mm，l7＝1.6mm，w8＝w9＝0.8mm，l8＝l9＝21.7mm，w10＝1.5mm，l10＝8mm，w11＝3.1mm，l11＝6.5mm，w12＝1.95mm，l12＝9.3mm，w13＝w15＝1.9mm，l13＝4.24mm，l15＝4.44mm，w14＝4.72mm，l14＝16.7mm，w16＝1.95mm，l16＝9.12mm，w17＝0.3mm，l17＝7.2mm，w18＝1.1mm，l18＝8mm，wp1＝1.9mm，lp1＝14.4mm，sp1＝0.12mm，wp2＝1.9mm，lp2＝14.6mm和sp2＝0.13mm；附加效率大于60％的带宽可以达到100MHz，即从1.92GHz到2.02GHz，带外可以实现超过4次谐波的抑制，抑制程度超过55dB。
5.根据权利要求1所述的微带功率放大器，所包含的部分匹配网络结构可用一个集总参数等效电路来近似等效，集总参数等效电路的连接关系为：第一导纳倒置器并联第一电感(L′1)和第一电容(C′1)，再与第二导纳倒置器级联，第二导纳倒置器与第一阻抗倒置器(K12)级联；第一阻抗倒置器(K12)串联第二电感(L2)和第二电容(C2)，再与第二阻抗倒置器(K23)级联；第二阻抗倒置器(K23)串联第三电感(L3)和第三电容(C3)，再与第三阻抗倒置器(K34)级联；第三阻抗倒置器(K34)与第三导纳倒置器级联，第三导纳倒置器并联第四电感(L′4)和第四电容(C′4)，再与第四导纳倒置器级联；等效关系为：
Figure QLYQS_1
Figure QLYQS_2
Figure QLYQS_3
Figure QLYQS_4
Figure QLYQS_5
Figure QLYQS_6
Figure QLYQS_7
Figure QLYQS_8
Figure QLYQS_9
Figure QLYQS_10
Figure QLYQS_11
。
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