CN110890869A - 一种高效率宽频功率放大器及射频收发机 - Google Patents

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章秀银
陈航
徐金旭
孔志华
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Abstract

本发明公开了一种高效率宽频功率放大器及射频收发机，包括输入端口、宽频输入匹配电路、输入宽频直流偏置电路、功率放大晶体管、输出宽频直流偏置电路、低通滤波网络、辅助匹配传输线及输出负载；所述输入端口与宽频输入匹配电路的一端连接，其另一端与功率放大晶体管的栅极连接，所述功率放大晶体管的漏极分别与输出宽频直流偏置电路及低通滤波网络的一端连接，所述低通滤波网络的另一端、辅助匹配传输线及输出负载依次连接，所述输入宽频直流偏置电路与宽频输入匹配电路连接，所述功率放大晶体管的源极接地。本发明能够在很宽的频带范围内工作，适应多种通信频段，尺寸小、效率高等多种性能，适用于许多射频系统中。

Description

一种高效率宽频功率放大器及射频收发机
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种高效率宽频功率放大器及射频收发机。
背景技术
随着当前4G-LTE系统的部署和将来5G系统的推动，下一代无线通信系统需要工作在多个通信标准和通信频段以应对不同的应用场景。支持多模多频工作的通信系统也能极大的节省企业研发、更换和维护大量设备的成本。功率放大器是射频收发机中的关键组成部分，高效率是功率放大器的重要指标，因为它占基站能耗的40％-60％，其效率的提高将极大的延长设备电池的使用寿命，另一方面，在基站设备中功耗的降低将减小资源的消耗和二氧化碳的排放。高效率的宽频功率放大器在与未来无限通信标准的潜在兼容性方面具有很好地可拓展性，因此高效率宽频功放具有很重要的研究价值。
近年来，针对如何设计宽频功率放大器，学术界提出了一些解决方案，例如使用实频技术来实现宽频匹配网络，但是实频技术在带宽超过一倍频时实现困难，不仅如此所产生的网路也可能不满足实际的加工需求。此外，还有学者提出了切比雪夫低通滤波网络作用宽频功率放大器输入输出匹配网络，但是，这种方法所产生的滚降过于平缓，不利于抑制谐波。为了解决上述问题，有学者改进切比雪夫低通滤波网络使之形成椭圆型滤波响应，因此提高了谐波抑制效果。但是整个工作频段的阻抗匹配只是基于一个频点的阻抗，因此带宽只能限制在一个倍频内。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种高效率宽频功率放大器，本发明是基于低通滤波匹配网络，通过使用四分之一波长和半波长开路枝节可以产生椭圆型滤波响应并且能够实现超过2倍频的工作带宽以及超过3次谐波的宽频谐波抑制效果。
本发明的另一个目的是提供一种射频收发机。
本发明采用如下技术方案：
一种高效率宽频功率放大器，包括输入端口、宽频输入匹配电路、输入宽频直流偏置电路、功率放大晶体管、输出宽频直流偏置电路、低通滤波网络、辅助匹配传输线及输出负载；
所述输入端口与宽频输入匹配电路的一端连接，其另一端与功率放大晶体管的栅极连接，所述功率放大晶体管的漏极分别与输出宽频直流偏置电路及低通滤波网络的一端连接，所述低通滤波网络的另一端、辅助匹配传输线及输出负载依次连接，所述输入宽频直流偏置电路与宽频输入匹配电路连接，所述功率放大晶体管的源极接地。
所述宽频输入匹配网络包括依次连接的第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线及第七微带线。
所述低通滤波网络具有椭圆型滤波响应，包括两个四分之一波长的开路枝节、一段微带线及一个半波长的开路枝节，所述两个四分之一波长的开路枝节并联，再串联一段微带线后，与半波长的开路枝节并联。
所述半波长的开路枝节通过阶跃型阻抗来实现。
所述输入宽频直流偏置电路及输出宽频直流偏置电路的结构及尺寸相同。
所述输入宽频直流偏置电路及输出宽频直流偏置电路均包括一段等效四分之一波长的微带线、两个旁路电容以及两个扇形枝节，所述两个旁路电容及两个扇形枝节并联连接后与一段四分之一波长微带线串联。
所述辅助匹配传输线的长度和宽度由所述功率放大器的最佳阻抗匹配点决定。
所述等效四分之一波长的微带线通过阶跃阻抗实现。
所述低通滤波网络中一段串联微带线以及四分之一波长的开路枝节的宽度由所述宽频功率放大器的带外抑制决定。
一种射频收发机，包括权利要求1-9任一项所述的高效率宽频功率放大器。
本发明的有益效果：
(1)本发明阻抗匹配带宽宽，相比传统宽频匹配方案，本发明能够通过更为简单的结构实现超过2倍频的带宽；
(2)本发明谐波抑制效果好，相比于传统的切比雪夫低通匹配网络的平缓滚降，本发明通过宽频偏置电路实现更加陡峭的滚降，从而实现更好的谐波抑制，谐波抑制效果。
附图说明
图1是本发明一种基于低通滤波匹配网络的高效率宽频功率放大器的结构示意图；
图2是本发明的测试的漏极效率和增益分别在0.8、1.3、1.8、2.3、2.8GHz随输出功率变化结果图；
图3是本发明的输出功率、增益和漏极效率在整个频带的测试结果图。
图4是本发明的测试与仿真的输出功率随频率变化的结果。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1及图2所示，一种高效率宽频功率放大器，包括输入端口、宽频输入匹配电路、宽频直流偏置电路、功率放大晶体管、低通滤波网络及辅助匹配传输线，所述宽频直流偏置电路包括输入宽频直流偏置电路及输出宽频直流偏置电路。
所述输入端口与宽频输入匹配电路的一端连接，其另一端与功率放大晶体管的栅极连接，所述功率放大晶体管的漏极分别与输出宽频直流偏置电路及低通滤波网络的一端连接，所述低通滤波网络的另一端、辅助匹配传输线及输出负载依次连接，所述输入宽频直流偏置电路与宽频输入匹配电路连接，所述功率放大晶体管的源极接地。
本实施例中所述波长均是指工作频带的中心频率的波长。
所述宽频输入匹配电路由依次连接的第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6及第七微带线7构成，所述第三微带线通过第一电容C1通过第二微带线2与输入端口1连接。所述宽频输入匹配电路中的微带线的宽度和长度有实际牵引得到的最佳源阻抗得到，所述第七微带线的另一端与功率放大晶体管T的栅极连接。
所述输入宽频直流偏置电路及输出宽频直流偏置电路的结构尺寸均相同。
所述输入宽频直流偏置电路连接在第六微带线及第七微带线之间，包括一段等效四分之一波长的微带线、两个旁路电路以及两个扇形枝节，所述两个旁路电容及两个扇形枝节并联连接后与一段等效四分之一波长的微带线串联，本实施例的实现方式：包括第九微带线9、第十微带线10、第二旁路电容C2、第三旁路电容C3、第一扇形枝节11、第二扇形枝节12及第十三微带线13，所述第九微带线及第十微带线构成等效四分之一波长线，该微带线通过阶跃阻抗实现，具体连接方式为：第九微带线的一端与第六及第七微带线之间连接，其另一端与第十微带线的一端串联连接，所述第十微带线的另一端分别与第一旁路电容C2、第一扇形枝节11、第二扇形枝节12连接，所述第一旁路电容C2的另一端接地，所述第十三微带线的另一端分别与第一旁路电容C2、第一扇形枝节11、第二扇形枝节12连接，其另一端分别与第二旁路电容C3及电压VG连接，其中VG为-3.1V。
所述输出宽频直流偏置电路分别与第十四微带线14的一端及第二十微带线20的一端连接，所述第十四微带线的另一端与功率放大晶体管的漏极连接，所述功率放大晶体管的源极接地，其中第十四微带线及第二十微带线起到调整谐波阻抗的作用，其长度和宽度由功率放大晶体管的最佳二次谐波阻抗匹配点决定。
所述输出宽频直流偏置电路包括一段等效四分之一波长的微带线、两个旁路电路以及两个扇形枝节，所述两个旁路电容及两个扇形枝节并联连接后与一段四分之一波长微带线串联，其中等效四分之一波长的线通过阶跃阻抗来实现(第十五微带线和第十六微带线)，并且在通带右侧引入零点来实现更为陡峭的滚降，从而可以实现更好的谐波抑制。
本实施例中输出宽频直流偏置电路具体包括第十五微带线15、第十六微带线16、第三旁路电容C4、第四旁路电容C5、第三扇形枝节17、第四扇形枝节18及第十九微带线19。所述第十五微带线的一端连接于第十四微带线及第二十微带线之间，另一端与第十六微带线的一端连接，其第十六微带线的另一端分别与第四旁路电容及两个扇形枝节连接，也就是说旁路电容与两个扇形枝节是并联关系，所述第十九电容的一端分别与两个扇形枝节连接，其另一端分别与第三旁路电容及电压VD连接，其中VD为28V。
所述低通滤波网络包括两个并联的四分之一波长开路枝节(第二十一和第二十二微带线)、一段串联微带线(第二十三微带线)，以及并联一个半波长开路枝节(第二十四微带线)，所述半波长开路枝节通过阶跃型阻抗来实现。
所述的一段串联微带线(第二十三微带线)和并联的四分之一波长开路枝节的宽度由所述宽频功率放大器的带外抑制决定。
本发明通过使用四分之一波长和半波长开路枝节同样可以产生椭圆型滤波响应并且能够实现超过2倍频的工作带宽以及超过3次谐波的宽频谐波抑制效果
本实施例中将具有椭圆型滤波响应的低通滤波网络作为功率放大器的宽频输出匹配网络，并通过一段辅助匹配传输线来协助低通滤波网络来实现宽频阻抗匹配。同时通过输出部分的宽频直流偏置电路可以在距离通带右侧很近的距离产生一个零点，从而产生十分陡峭的滚降，提供谐波抑制的效果。
本实施例中，所述低通滤波网络包括第二十一微带线21、第二十二微带线22、第二十三微带线23及第二十四微带线24。所述第二十三微带线分别与第二十一微带线、第二十二微带线及第二十微带线连接，所述第二十三微带线的另一端分别于第二十四微带线24及辅助匹配传输线连接。
所述辅助匹配连接线由第二十五微带线25构成，长度和宽度有所述功率放大器晶体管的最佳阻抗匹配点决定,所述第二十五微带线通过第二电容C6及第二十六微带线26与负载连接。
在本发明中，利用宽频滤波匹配网络、宽频直流偏置电路联合辅助传输线实现宽频范围内的阻抗匹配，同时还能实现高频部分的谐波抑制。
图1展示所述的一种基于低通滤波匹配网络的高效率宽频功率放大器实施例框图，实施例中选用的功率放大晶体管T为Cree公司的GaN HEMT CGH40010F，该功率放大晶体管包括栅极G、漏极D和源极S,电路的输入端、输出端、栅极G直流偏置电压VG和漏极D直流偏置电压VD如图1中所标注，具体参数为：VG＝-3.1V，VD＝28V。
本实例的一种基于低通滤波匹配网络的高效率宽频功率放大器，加工选用PCB电路板介质材料的参数如下：εr＝2.2,h＝0.813,tanδ＝0.0027。
由图2可以看出，功放在所测频点下达到饱和输出时的效率大于60％，增益大于10dB。
图3展示了所述的一种基于低通滤波匹配网络的高效率宽频功率放大器的输出功率、增益和漏极效率在整个频带的测试结果，在0.5GHz-3.2GHz频带范围内漏极效率为56.7％-74.9％，输出功率为38.6dBm-42.87dBm，增益为8dB-15.67dB，
图4展示测试和仿真的输出功率随频率变化的结果，其中测试和仿真的输出功率在4.2GHz之前拟合良好，并且从3.4GHz开始有明显的谐波抑制，从仿真结果来看，谐波抑制可达10GHz。
所述宽频直流偏置电路不影响射频信号通道，所述低通滤波匹配网络用于实现宽频阻抗变换和高频部分的谐波抑制，它具有椭圆型滤波响应，所述辅助匹配传输线用于协助低通滤波匹配网络来实现宽频阻抗匹配。对比与传统的低通滤波网络，本发明所使用的低通滤波匹配网络配合上偏置电路在实现宽频阻抗匹配的功能的同时，能够实现更加陡峭的滚降和更好的谐波抑制。
综上所述，本发明所提出的一种基于低通滤波匹配网络的高效率宽频功率放大器，能够在很宽的频带范围内工作，适应多种通信频段，尺寸小、效率高等多种性能，适用于许多射频系统中。
上述任意一种高效率宽频功率放大器都可以应用在射频收发机及集成电路上。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，包括输入端口、宽频输入匹配电路、输入宽频直流偏置电路、功率放大晶体管、输出宽频直流偏置电路、低通滤波网络、辅助匹配传输线及输出负载；
所述输入端口与宽频输入匹配电路的一端连接，宽频输入匹配电路另一端与功率放大晶体管的栅极连接，所述功率放大晶体管的漏极分别与输出宽频直流偏置电路及低通滤波网络的一端连接，所述低通滤波网络的另一端、辅助匹配传输线及输出负载依次连接，所述输入宽频直流偏置电路与宽频输入匹配电路连接，所述功率放大晶体管的源极接地。
2.根据权利要求1所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述宽频输入匹配网络包括依次连接的第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线及第七微带线。
3.根据权利要求1所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述低通滤波网络具有椭圆型滤波响应，包括两个四分之一波长的开路枝节、一段微带线及一个半波长的开路枝节，所述两个四分之一波长的开路枝节并联，再串联一段微带线后，与半波长的开路枝节并联。
4.根据权利要求3所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述半波长的开路枝节通过阶跃型阻抗来实现。
5.根据权利要求1所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述输入宽频直流偏置电路及输出宽频直流偏置电路的结构及尺寸相同。
6.根据权利要求5所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述输入宽频直流偏置电路及输出宽频直流偏置电路均包括一段等效四分之一波长的微带线、两个旁路电容以及两个扇形枝节，所述两个旁路电容及两个扇形枝节并联连接后与一段四分之一波长微带线串联。
7.根据权利要求1所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述辅助匹配传输线的长度和宽度由所述功率放大器的最佳阻抗匹配点决定。
8.根据权利要求6所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述等效四分之一波长的微带线通过阶跃阻抗实现。
9.根据权利要求3所述的一种高效率宽频功率放大器，其特征在于，所述低通滤波网络中一段串联微带线以及四分之一波长的开路枝节的宽度由所述宽频功率放大器的带外抑制决定。
10.一种射频收发机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的高效率宽频功率放大器。
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