CN111313847B - 一种新型三频带高效率e类功率放大器 - Google Patents

一种新型三频带高效率e类功率放大器 Download PDF

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Abstract

一种新型三频带高效率E类功率放大器，提出了一种新型的三频带输入匹配电路，有效简化了晶体管输入端电路复杂度的同时，实现晶体管最佳源阻抗与50Ω的共轭匹配；该放大器设计的晶体管漏极偏置线集成了部分谐波控制电路，不仅有效简化了晶体管输出端谐波控制电路的复杂度，而且阻止了三个工作频带的基波信号流入直流偏置线中，减小工作信号的流失，从而提升三频带E类功率放大器的工作效率。

Description

一种新型三频带高效率E类功率放大器
技术领域
本发明属于功率放大器技术领域，尤其涉及一种新型三频带高效率E类功率放大器。
背景技术
随着移动通信技术的进一步发展，射频发射机的所有组件都需要具备覆盖多标准、多频带信号的能力。功率放大器作为射频发射机中最重要也是耗能最高的组件之一，也需要具备在多标准和多频带工作的能力。所以，高效率多频带功率放大器的设计已成为功放研究领域的热点，而高效率三频带功率放大器是其中最基本的一类。
E类功率放大器作为高效率功率放大器之一，由于其具有软开关操作、实现结构相对简单和消除导通开关损耗的优点，受到了科研工作者的广泛关注。但是，目前已有的三频带E类功率放大器没有实现优异的功率附加效率（PAE）性能。主要是由于现有的三频带E类功率放大器电路结构复杂，无法很好地平衡功放电路复杂度与功放性能之间的关系[1]。图1所示为传统的三频带E类功放的晶体管输出端的电路结构图；这种功放设计方法虽然考虑了多阶谐波，可以一定程度地提高功放效率，但设计出来的功放电路结构复杂，损耗也较大，对三频带功率放大器的效率也会产生一定的影响；另一个缺点是功放的直流偏置线没有对三个工作频带形成基波开路的条件，三个工作频带的基波信号会流入直流偏置线中，造成功放效率进一步下降。
综上所述，有必要提出一种新型的三频带E类功率放大器，以解决现有三频带E类功率放大器效率偏低的问题。
【参考文献】
[1]D. Kalim and R. Negra, "Multiharmonic triband load couplingnetwork using only transmission-lines for switching-mode power amplifiers,"2011 41st European Microwave Conference, Manchester, 2011, pp. 155-158.
[2]Q. Cai, W. Che, K. Ma and L. Gu, "A Simple Method of DesigningHigh-Efficiency Second-Harmonic-Tuned Power Amplifier," in IEEE Microwave andWireless Components Letters, vol. 27, no. 12, pp. 1149-1151, Dec. 2017.
[3]W.Che,et,al."Formula Derivation and Verification of CharacteristicImpedance for Offset Double-Sided Parallel Strip Line (DSPSL),"IEEE Microw.Wireless Compon. Lett,vol. 20, no. 6, pp. 304-306, June 2010。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明一种新型三频带高效率E类功率放大器，有效解决现有三频带E类功率放大器电路复杂度过高和直流偏置线没有考虑三个工作频带的基波开路条件导致的工作效率恶化问题。
一种新型三频带高效率E类功率放大器，晶体管输入端由RC稳定电路、三频带栅极直流偏置电路和三频带输入匹配电路构成；RC稳定电路位于晶体管和三频带输入匹配电路之间，用来保证功放的稳定性；三频带栅极直流偏置电路接在三频带输入匹配电路上；在三个工作频带 f 1、 f 2和 f 3处，三频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，其不会影响三频带输入匹配电路的正常工作。
晶体管输出端由三频带负载耦合电路、具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置电路构成。所述具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置电路接在三频带负载耦合电路上；在三个工作频带 f 1、 f 2和 f 3处，该电路提供基波开路和直流短路的条件，并且提供中频带 f 2和高频带 f 3的二次谐波控制功能。所述三频带负载耦合电路提供三个工作频带 f 1、 f 2和 f 3处的基波和二次谐波阻抗在晶体管漏极端的E类阻抗条件。
三频带输入匹配电路由3段串联的传输线T7、T10、T13，并联终端开路传输线T8、并联终端短路传输线T9，串联在一起的传输线T11、T12构成，其中T8、T9都并联接在T7和T10之间，T11并联接在T10和T13之间；功放晶体管在三个工作频带处呈现三个最佳基波源阻抗，三频带输入匹配电路同时实现三个最佳基波源阻抗与50Ω的匹配功能。
一种新型三频带高效率E类功率放大器，有益效果是：（1）提出了一种新型的三频带输入匹配电路，有效简化了晶体管输入端电路复杂度的同时，实现晶体管最佳源阻抗与50Ω的共轭匹配；（2）设计的晶体管漏极偏置线集成了部分谐波控制电路，不仅有效简化了晶体管输出端谐波控制电路的复杂度，而且阻止了三个工作频带的基波信号流入直流偏置线中，减小工作信号的流失，从而提升三频带E类功率放大器的工作效率。
附图说明
图1是传统的三频带E类功放的晶体管输出端电路结构图；
图2是本发明三频带高效率E类功率放大器的原理框图；
图3是本发明三频带高效率E类功率放大器的电路结构图；
图4是对1.9GHz输入信号的三次谐波进行负载牵引仿真的PAE变化趋势图；
图5（a）是具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置线的电路结构图；
图5（b）是具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置线的S参数仿真结果；
图6是本发明提出的三频带输入匹配电路结构图；
图7（a）是三频带输入匹配电路中采用偏移双侧平行带线技术的电路结构图；
图7（b）是偏移双侧平行带线（Offset DSPSL）的横截面图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
本发明提供了一种新型三频带高效率E类功率放大器，其原理框图如图2所示，其中，晶体管输入端由RC稳定电路、三频带栅极直流偏置电路和三频带输入匹配电路构成；晶体管输出端由三频带负载耦合电路、具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置电路构成。
图3所示为低频带基波 f 1 ，中频带基波 f 2 ，高频带基波 f 3 的三频带高效率E类功率放大器的电路结构图。RC稳定电路与栅极偏置线连接的电阻 R 1 用来保证功放的稳定性。三频带栅极直流偏置电路由一段主传输线T1，并联开路传输线T2、T3，并联的扇形线T4构成；该电路在三个工作频带 f 1、 f 2和 f 3处提供基波开路和直流短路的条件。
三频带负载耦合电路由4个串联的传输线T18、T20、T21、T22和2个并联开路传输线T19、T23构成，其中T19接在T18、T20之间；该电路提供三个工作频带 f 1、 f 2和 f 3处的基波和二次谐波阻抗在晶体管漏极端的E类阻抗条件 。
图4为对1.9GHz输入信号的三次谐波进行负载牵引仿真的PAE变化趋势图；本发明提出的三频带E类功率放大器之所以没有考虑三次谐波对功放效率的影响，以1.9GHz输入信号为例，对CREE公司生产的CGH40010F晶体管进行三次谐波负载牵引仿真，根据Smith圆图中的PAE变化趋势，最低效率为81.843%，最高效率为86.343%，表明在高频下，三次谐波对功放效率没有显著的影响，所以出于对电路复杂度与功放效率的折中考虑，设计功放时可以不考虑三次谐波对功放效率的影响。
图5（a）所示为具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置线的电路结构图，由一段主传输线T6，并联的扇形传输线T5和4个并联开路传输线T14、T15、T16、T17构成；该电路在其与功放主链路的连接处C点，提供三个工作频带 f 1、 f 2和 f 3处的基波开路和直流短路条件，以及中频带 f 2和高频带 f 3的二次谐波短路状态；以低频带1.9GHz，中频带2.6GHz和高频带3.3GHz为例，在传输线宽全部设置成2.4mm的情况下，并联开路传输线的长分别为T17：10.56mm，T15：2.2354mm，T16：7.33mm，T14：28.52mm；扇形线T5的长为20.75mm，主传输线T6中C和D点之间的长为17.514mm，D和E点之间的长度为4.75mm，E和F点之间的长为33.73mm。图5（b）是具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置线的S参数仿真结果；可以看到低频带1.9GHz，中频带2.6GHz和高频带3.3GHz信号的S21值都接近于0dB，形成了基波开路的条件；2.6GHz以及3.3GHz的二次谐波信号5.2GHz和6.6GHz的S21值都在-40dB以下，该电路可以很好地实现中频带 f 2和高频带 f 3的二次谐波短路状态。
图6为本发明提出的三频带输入匹配电路结构图；该电路提供在三个工作频带处匹配晶体管最佳基波源阻抗到50Ω的功能。假设低频带基波 f 1 下的晶体管最佳源阻抗为ZS1，中频带基波 f 2 下的晶体管最佳源阻抗为ZS2，高频带基波 f 3 下的晶体管最佳源阻抗为ZS3，具体工作方式如下所述：
（1）通过调节串联传输线T7和并联开路传输线T8的电长度和特征阻抗，在低频带 f 1下，匹配ZS1到50Ω；同时并联短路传输线T9的电长度在 f 1下要表现为90o；T10和T13的特征阻抗为50Ω；在 f 1和 f 2下，串联的T11和T12在A点整体表现为开路状态；这样一来，T9、T10、T13、T11和T12就不会影响到ZS1与50Ω的匹配；
（2）调节串联传输线T10的电长度以及并联短路传输线T9的特征阻抗，在中频带 f 2下，匹配ZS2到50Ω；
（3）调节串联传输线T13的电长度以及T11、T12的特征阻抗，在高频带 f 3下，匹配ZS3到50Ω。
图7（a）为三频带输入匹配电路中采用偏移双侧平行带线技术的电路结构图；这个由两段串联传输线T11、T12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T11、T12的特征阻抗分别为 Z 5、 Z 6，电长度分别为 θ 5、 θ 6，使用文献[2]的设计流程，它们的计算方式如式（1）-（3）所示：
 （1）
 （2）
 （3）
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 Z 5/ Z 6有些大。例如，对于低频带 f 1=1.9GHz和中频带 f 2=3.3GHz。m= f 2/ f 1=1.74，θ5=θ6=π/(1+1.74)=0.365π=65.7o，Z5/Z6=tan(65.7o)*tan(65.7o)=4.88。假设传输线T12的特征阻抗Z6的值选为30Ω，则传输线T11的特征阻抗 Z 5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T11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[3]。图7（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7（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。

Claims (1)

1.一种新型三频带高效率E类功率放大器，其特征在于：晶体管输入端由RC稳定电路、三频带栅极直流偏置电路和三频带输入匹配电路构成；RC稳定电路位于晶体管和三频带输入匹配电路之间，用来保证功放的稳定性；三频带栅极直流偏置电路接在三频带输入匹配电路上；在三个工作频带 f1 、 f2 和 f3 处，三频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，其不会影响三频带输入匹配电路的正常工作；三频带输入匹配电路提供三个工作频带下的晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能；晶体管输出端由三频带负载耦合电路、具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置电路构成；所述具有谐波控制功能的三频带漏极直流偏置电路接在三频带负载耦合电路上；在三个工作频带 f1 、 f2 和 f3 处，该电路提供基波开路和直流短路的条件，并且提供中频带 f2 和高频带 f3 的二次谐波控制功能；所述三频带负载耦合电路提供三个工作频带 f1 、 f2 和 f3 处的基波和二次谐波阻抗在晶体管漏极端的E类阻抗条件；
三频带输入匹配电路由3段串联的传输线T7 、T10 、T13 ，并联终端开路传输线T8 、并联终端短路传输线T9 ，串联在一起的传输线T11 、T12 构成，其中T8 、T9 都并联接在T7和T10 之间，T11 并联接在T10 和T13 之间；功放晶体管在三个工作频带处呈现三个最佳基波源阻抗，三频带输入匹配电路同时实现三个最佳基波源阻抗与50Ω的匹配功能。
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