CN111371420A - 一种siw滤波集成的f类功率放大器 - Google Patents

一种siw滤波集成的f类功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SIW滤波集成的F类功率放大器，包括输入匹配电路、栅极直流馈电网络、漏极直流馈电网络、场效应管、谐波抑制网络和滤波匹配电路，输入匹配电路将50欧姆阻抗匹配到晶体管的最佳源阻抗的共轭，使功率放大器获得最大功率；栅极直流馈电网络用于给场效应管的栅极施加电压VG，使其达到静态工作点；漏极直流馈电网络用于给场效应管的漏极施加电压，使其达到静态工作点；场效应管用于放大输入信号；谐波抑制网络用于抑制放大器输出的二次谐波和三次谐波，使其分别达到短路、开路条件；滤波匹配电路用于匹配谐波抑制网络的输出阻抗，使得场效应管达到最佳负载牵引阻抗。本发明适用于高频段工作，减小了电路复杂度，提升了工作效率。

Description

一种SIW滤波集成的F类功率放大器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种SIW滤波集成的F类功率放大器。
背景技术
在无线通信发射机中，功率放大器放大输出信号，通过滤波器滤除杂波后，由天线将信 号传输到较远的距离。传统的发射机将滤波器与功率放大器单独设计，导致电路面积大，集 成度低。滤波功率放大器对功率放大器和滤波器进行级联一体化设计，克服了上述问题，然 而，仍存在以下不足：1)现有滤波功率放大器多采用微带滤波器，微带电路带宽窄，不适用 于高频段及宽带电路的设计；2)现有滤波功率放大器多将滤波器的输入阻抗设计为实数阻抗， 而功率放大器的负载阻抗一般为复数阻抗，需通过中间电路连接滤波器与功率放大器，电路 复杂度高；3)现有滤波功率放大器一般采用AB类功放，功率附加效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SIW滤波集成的F类功率放大器。
实现本发明目的的技术解决方案：一种SIW滤波集成的F类功率放大器，包括输入匹配 电路、栅极直流馈电网络、漏极直流馈电网络、场效应管、谐波抑制网络和滤波匹配电路， 所述输入匹配电路将50欧姆阻抗匹配到晶体管的最佳源阻抗的共轭，使功率放大器获得最大 功率；所述栅极直流馈电网络用于给场效应管的栅极施加电压VG，使其达到静态工作点； 所述漏极直流馈电网络用于给场效应管的漏极施加电压，使其达到静态工作点；所述场效应 管用于放大输入信号；所述谐波抑制网络用于抑制放大器输出的二次谐波和三次谐波，使其 分别达到短路、开路条件；所述滤波匹配电路用于匹配谐波抑制网络的输出阻抗，使得场效 应管达到最佳负载牵引阻抗。
进一步的，所述栅极直流馈电网络包括栅极电阻、直流偏置电阻和栅极直流电压VG； 所述栅极电阻一端连接于输入匹配电路的输出端，一端连接于场效应管的栅极；所述直流偏 置电阻一端连接场效应管的栅极，一端连接于栅极直流电压VG。
进一步的，所述漏极直流馈电网络包括一条微带线和漏极直流电压VD；所述微带线一 端连接于场效应管的漏极，一端连接于漏极直流电压VD。
更进一步的，所述微带线长度为λg/4，其中λg为放大器二次谐波的波长。
进一步的，所述谐波抑制电路包含一条
Figure BDA0002311673160000011
微带线、一条
Figure BDA0002311673160000012
微带线和一条
Figure BDA0002311673160000013
微带线；所 述
Figure BDA0002311673160000014
微带线一端连接于场效应管的漏极，一端连接于
Figure BDA0002311673160000015
微带线与
Figure BDA0002311673160000016
微带线的一侧；所述
Figure BDA0002311673160000017
微带线一端连接于
Figure BDA0002311673160000021
微带线一侧，一端开路；所述
Figure BDA0002311673160000022
微带线一端连接于
Figure BDA0002311673160000023
微带线一侧，一 端开路。
进一步的，所述滤波匹配电路为SIW滤波器，所述SIW滤波器包括第一基片集成矩形 谐振腔、第二基片集成矩形谐振腔、第一馈线和第二馈线；所述第一馈线一端连接于第一基 片集成矩形谐振腔，一端连接谐波抑制网络；所述第一基片集成矩形谐振腔的一侧连接于第 一馈线，一侧为第一基片集成矩形谐振腔与第二基片集成矩形谐振腔的公共侧壁；所述第二 基片集成矩形谐振腔一侧为公共侧壁，一侧连接于第二馈线；所述第二馈线一端连接于第二 基片集成矩形谐振腔，一端连接于50欧姆的端口阻抗；所述公共侧壁上设置一个耦合窗。
进一步的，所述第一基片集成矩形谐振腔与所述第二基片集成矩形谐振腔平行耦合。
进一步的，所述SIW滤波器的基片矩形谐振腔的尺寸、馈线的尺寸和公共侧壁上窗口的 大小尺寸与滤波器的中心频率、带宽、外部品质因数和内部耦合系数相关。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)采用谐波抑制网络，与滤波器级联的同时 实现F类功率放大器的工作，提升滤波功率放大器的工作效率；2)采用SIW滤波器，减小 了微带寄生参数的影响，适用于高频段的工作；3)将SIW滤波器的输入阻抗设计为功率放 大器谐波抑制网络的复数输出阻抗，使得场效应管达到最佳负载牵引阻抗，实现了滤波器与 放大器的直接级联，省去中间电路，减小电路复杂度。
附图说明
图1为本发明SIW滤波集成的F类功率放大器的电路图。
图2为本发明栅极直流馈电网络和漏极直流馈电网络的结构示意图。
图3为本发明谐波抑制网络的结构示意图。
图4为本发明SIW滤波器的结构示意图。
图5为本发明单腔谐振器的结构示意图。
图6为本发明SIW滤波器的仿真图。
图7为本发明输出功率、功率附加效率、增益与输入的仿真图。
图8为本发明增益与频率的仿真图。
图9为本发明输出功率、功率附加效率与频率的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
结合图1、图2，本发明SIW滤波集成的F类功率放大器，包含输入匹配电路1、栅极直流馈电网络2、漏极直流馈电网络3、场效应管4、谐波抑制网络5和滤波匹配电路。其中：
所述输入匹配电路1用于将50欧姆阻抗匹配到功率放大器的最佳源阻抗的共轭，使功率 放大器获得最大功率。
所述栅极直流馈电网络2用于给场效应管的栅极施加电压VG，使其达到静态工作点， 并提高场效应管的稳定性；栅极直流馈电网络2包括栅极电阻R1、直流偏置电阻R2和栅极 直流电压VG；所述栅极电阻R1一端连接于输入匹配电路的输出端，一端连接于场效应管的 栅极；所述直流偏置电阻R2一端连接场效应管的栅极，一端连接于栅极直流电压VG。
所述漏极直流馈电网络3用于给场效应管的漏极施加电压VD，使其达到静态工作点， 并抑制交流信号对直流电源的影响；漏极直流馈电网络3包括一条微带线和漏极直流电压 VD；所述微带线一端连接于场效应管的漏极，一端连接于漏极直流电压VD，且微带线长度 为λg/4，λg为放大器二次谐波的波长。
所述场效应管4用于放大栅极直流馈电网络2输出的交流信号。
所述谐波抑制网络5用于抑制场效应管4的二次、三次输出谐波，使二次谐波达到短路， 三次谐波达到开路，从而提升功放的效率；谐波抑制网络5包括一条
Figure BDA0002311673160000031
微带线、一条
Figure BDA0002311673160000032
微 带线和一条
Figure BDA0002311673160000033
微带线；所述
Figure BDA0002311673160000034
微带线一端连接于场效应管的漏极，一端连接于
Figure BDA0002311673160000035
微带线与
Figure BDA0002311673160000036
微带线的一侧；所述
Figure BDA0002311673160000037
微带线一端连接于
Figure BDA0002311673160000038
微带线一侧，一端开路；所述
Figure BDA0002311673160000039
微带线一端 连接于
Figure BDA00023116731600000310
微带线一侧，一端开路。
所述滤波匹配电路用于匹配谐波抑制网络5的输出阻抗，使得场效应管4达到最佳负载 牵引阻抗，提高放大器输出功率和功率附加效率。滤波匹配电路采用SIW滤波器；结合图4， 所述SIW滤波器包括第一基片集成矩形谐振腔6、第二基片集成矩形谐振腔7、第一馈线和 第二馈线；所述第一馈线一端连接于谐波控制网络5，一端连接于第一基片集成矩形谐振腔6； 所述第一基片集成矩形谐振腔6的一侧连接于第一馈线，一侧为第一基片集成矩形谐振腔与 第二基片集成矩形谐振腔的公共侧壁，并在公共侧壁上开一个耦合窗；所述第二基片集成矩 形谐振腔7一侧为公共侧壁，一侧连接于第二馈线；所述第二馈线一端连接于第二基片集成 矩形谐振腔7，一端连接于端口阻抗50欧姆；进一步的，所述第一基片集成矩形谐振腔6与 所述第二基片集成矩形谐振腔7平行耦合。
下文针对SIW滤波器的设计过程及设计原理进行分析。设计过程分为2个阶段：第一阶 段实现滤波器的滤波特性，SIW滤波器的输入端口阻抗和输出端口阻抗均为50欧姆，不具备 功率放大器的输出匹配特性；此时第一基片集成谐振腔6和第二基片集成谐振腔7初始尺寸 相同，第一馈线与第二馈线初始尺寸相同，位置关于公共侧壁中心对称。第二阶段微调SIW 滤波器的基片矩形谐振腔的尺寸、馈线的尺寸与位置和公共侧壁上窗口的大小位置，使滤波 器的输入端口阻抗为谐波抑制网络5的输出阻抗，使得场效应管4达到最佳负载牵引阻抗， 滤波器实现放大器的输出匹配功能。
下文给出具体的设计过程：
第一阶段：根据设计指标(中心频率、带宽、外部品质因数Qe和内部耦合系数Mij)，确定SIW滤波器的基片矩形谐振腔的尺寸、馈线的尺寸和公共侧壁上窗口的大小尺寸。下文进行详细介绍：
第一步，根据SIW滤波器的设计频率，确定每个基片集成矩形谐振腔的初始尺寸基片。
集成矩形谐振腔是介质填充矩形谐振腔的一种，二者之间存在等效关系。因此在实际的 SIW滤波器设计中，先计算出介质填充矩形谐振腔的尺寸，再利用等效关系得出基片集成矩 形谐振腔的初始尺寸。第一基片集成谐振腔6和第二基片集成谐振腔7的初始尺寸相同，下 面以第一基片集成谐振腔6为例，结合图4进行介绍。
介质填充矩形谐振腔中的TEmnq模式与谐振频率fmnq有如下关系式：
Figure BDA0002311673160000041
其中，m、n、q分别表示电磁场沿x-、y-、z-方向上的模式数，c为光速，μr表示相对磁导 率，εr表示相对介电常数，L、W、H分别表示介质填充矩形谐振腔中的长、宽和高。由于介质填充矩形谐振腔的高为常数，因此，根据TEmnq的谐振频率，结合公式1可以确定介质填充矩形谐振腔中的长和宽。例如基片集成矩形谐振腔中采用TE101耦合，根据TE101的谐振频率即 可确定介质填充矩形谐振腔中的长和宽。
由于第一基片集成矩形谐振腔6与介质填充矩形谐振腔之间的等效关系，第一基片集成矩 形谐振腔6的初始尺寸表达式如下：
Figure BDA0002311673160000042
其中，w1为第一基片集成矩形谐振腔6的宽，l1为第一基片集成矩形谐振腔6的长，h1为 第一基片集成矩形谐振腔6的高，与基片板材的高度有关，是个常数，d为第一基片集成矩形 谐振腔6的金属通孔直径，p为相邻两孔之间的间距。因此，通过设计TE101频率得出介质填充 矩形谐振腔的尺寸W、L和H后，再结合设定的d和p，就可以进一步得到第一基片集成矩形谐 振腔6的初始尺寸w1、l1和h1。
由于第一基片集成谐振腔6和第二基片集成谐振腔7初始尺寸相同，第二基片集成矩形谐 振腔7的初始尺寸w2、l2和h2也由此得出。
第二步，根据外部品质因数Qe和内部耦合系数Mij指标，确定馈线的初始尺寸，以及窗 口的初始尺寸和初始位置；
外部品质因数Qe体现了SIW滤波器中TE101模式的外部耦合情况，第一馈线的耦合凹槽的 宽度wg1、耦合凹槽的深度lsi1、馈线探入的宽度wso1决定。为了排除内部耦合对外部耦合的影 响，采用单腔谐振器进行S参数仿真，如图5所示，提取外部品质因数Qe。外部品质因数Qe可如下表示：
Figure BDA0002311673160000051
其中，Qe I表示TE101模式的外部品质因数，Δf±90。 I表示
Figure BDA0002311673160000052
处±90°相位差对应的绝对带宽。 调节wg1、lsi1、wso1，使仿真提取出的Qe I满足设计指标，完成馈线初始尺寸和初始位置的确定。
由于第一馈线和第二馈线初始尺寸相同，位置关于公共侧壁中心对称，第二馈线的初始 尺寸wg2、lsi2、wso2也由此得出。
内部耦合系数Mij体现了SIW滤波器中TE101模式的内部耦合情况，主要由公共侧壁上窗口 的宽度wc决定。基于TE101模式磁场分布规律，当wc增大时，两个模式的耦合系数均逐渐增大， 但耦合系数比不变。采用双腔谐振器进行S参数仿真，提取内部耦合系数Mij。内部耦合系数Mij可表示如下：
Figure BDA0002311673160000053
式中fp1和fp2表示通带内两个分裂的谐振峰的谐振频率。
基于磁场分布规律，调整wc，选择内部耦合系数Mij满足要求的窗口宽度，完成窗口初始 尺寸的确定。
由于在外部品质因数和耦合系数的提取均为独立的，忽略其他因素的影响，因此参数应 进一步优化。
第二阶段：通过微调SIW双频带滤波器的基片矩形谐振腔的尺寸、馈线的尺寸和公共侧 壁上窗口的大小，使滤波器的输入端口阻抗为谐波抑制网络5的输出阻抗，使得场效应管4 匹配到最佳负载牵引阻抗，滤波器实现放大器的输出匹配功能。
为了使滤波器输入端口阻抗为谐波抑制网络5的输出阻抗，即一个复数阻抗 (Zin2＝R+jX)，通过复数阻抗和耦合系数的变换关系，得到新的耦合矩阵和外部品质因数Q’e和内部耦合系数M’ij，微调SIW双频带滤波器的基片矩形谐振腔的尺寸、馈线的尺寸和公共侧壁 上窗口的大小。
复数阻抗和耦合系数的变换关系式如下：
Figure BDA0002311673160000061
其中，M’S1表示新的输入端和第1个谐振腔之间的耦合系数，M’SL表示新的输入端和输出 端之间的耦合系数，M’11表示新的第1个谐振腔和第1个谐振腔之间的耦合系数，M12表示第1 个谐振腔和第2个谐振腔之间的耦合系数，M2L表示第2个谐振腔和输出端之间的耦合系数。
新的内部耦合系数M’ij为：
Figure BDA0002311673160000062
构成的滤波器的耦合矩阵为：
Figure BDA0002311673160000063
新的外部品质因数Q’e为：
Figure BDA0002311673160000064
其中，FBW表示滤波器的设计带宽。
本发明将SIW滤波器与F类功率放大器联合设计，除了实现放大、滤波作用，适用于高频 段工作，减小了电路损耗，提升了工作效率。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，采用GaN的CGH40010F晶体管，设计一种中心频率1.8 GHz的SIW滤波器集成的F类功率放大器。栅极直流偏置网络中栅极电阻R1为1欧姆，直流偏置电阻R2为82欧姆，栅极直流电压VG为-3.1V。漏极直流馈电网络中微带线长为25.65mm，漏极直流电压VD为28V。利用ADS仿真软件对场效应管放大结构进行负载牵引， 可得功率放大器最佳负载牵引阻抗为(28.6+j*22.2)ohm，其通过谐波抑制网络后的输出阻抗为 (21.47+j*27)ohm。
当SIW滤波器的输入端口阻抗等于通过谐波抑制网络后的输出阻抗值时，实现滤波功率 放大器的设计。此时SIW滤波器的尺寸如下所示：w1为89mm，l1为52mm，h1为0.508mm，w2为89mm，l2为50.5mm，h2也为0.508mm，d为1.00mm，p为1.00mm；lsi1为22.5mm， wso1为6.25mm，wg1为1.375mm，lsi2为18mm，wso2为6.75mm，wg2为1.125mm，wc为 23.1mm。ls1表示输入端口微带线过渡段长度，为25mm；ls2表示输出端口微带线过渡段长度， 为20mm；ws表示50欧姆微带线宽度，为1.18mm。
如图6所示，为SIW滤波器在输入阻抗为(28.6+j*22.2)ohm@1.8GHz时的传输特性曲线， 可知通带的中心频率为1.8GHz，插入损耗为0.51dB@1.8GHz，该滤波器的3dB带宽分别为 6.67％。图7所示为功率放大器的功率附加效率PAE、输出功率Pdel、增益Gain与输入功率的 关系曲线，当输入功率在28dBm时，放大器趋于饱和，此时的PAE为70.3％，输出功率Pdel为 40.07dBm，3dB压缩点的增益为12.07dB。如图8所示，在通带频段1～1.96GHz内，放大器的增 益均在12dB左右。图9所示为功率放大器在输入功率为28dBm时的功率附加效率，可见在滤波 器的滤波频带范围内功率附加效率较高，且在中心频率处效率均在70％左右，且在通带内的 效率均大于60％。
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、简化、替代、组合，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，包括输入匹配电路(1)、栅极直流馈电网络(2)、漏极直流馈电网络(3)、场效应管(4)、谐波抑制网络(5)和滤波匹配电路，所述输入匹配电路(1)将50欧姆阻抗匹配到晶体管的最佳源阻抗的共轭，使功率放大器获得最大功率；所述栅极直流馈电网络(2)用于给场效应管(4)的栅极施加电压VG，使其达到静态工作点；所述漏极直流馈电网络(3)用于给场效应管(4)的漏极施加电压，使其达到静态工作点；所述场效应管(4)用于放大输入信号；所述谐波抑制网络(5)用于抑制放大器输出的二次谐波和三次谐波，使其分别达到短路、开路条件；所述滤波匹配电路用于匹配谐波抑制网络(5)的输出阻抗，使得场效应管(4)达到最佳负载牵引阻抗。
2.根据权利要求1所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述栅极直流馈电网络(2)包括栅极电阻(R1)、直流偏置电阻(R2)和栅极直流电压VG；所述栅极电阻(R1)一端连接于输入匹配电路的输出端，一端连接于场效应管的栅极；所述直流偏置电阻(R2)一端连接场效应管的栅极，一端连接于栅极直流电压VG。
3.根据权利要求1所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述漏极直流馈电网络(3)包括一条微带线和漏极直流电压VD；所述微带线一端连接于场效应管(4)的漏极，一端连接于漏极直流电压VD。
4.根据权利要求3所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述微带线长度为λg/4，其中λg为放大器二次谐波的波长。
5.根据权利要求1所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述谐波抑制电路(5)包含一条
Figure FDA0002311673150000011
微带线、一条
Figure FDA0002311673150000012
微带线和一条
Figure FDA0002311673150000013
微带线；所述
Figure FDA0002311673150000014
微带线一端连接于场效应管的漏极，一端连接于
Figure FDA0002311673150000015
微带线与
Figure FDA0002311673150000016
微带线的一侧；所述
Figure FDA0002311673150000017
微带线一端连接于
Figure FDA0002311673150000018
微带线一侧，一端开路；所述
Figure FDA0002311673150000019
微带线一端连接于
Figure FDA00023116731500000110
微带线一侧，一端开路。
6.根据权利要求1所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述滤波匹配电路为SIW滤波器，所述SIW滤波器包括第一基片集成矩形谐振腔(6)、第二基片集成矩形谐振腔(7)、第一馈线和第二馈线；所述第一馈线一端连接于第一基片集成矩形谐振腔(6)，一端连接谐波抑制网络(5)；所述第一基片集成矩形谐振腔(6)的一侧连接于第一馈线，一侧为第一基片集成矩形谐振腔与第二基片集成矩形谐振腔的公共侧壁；所述第二基片集成矩形谐振腔(7)一侧为公共侧壁，一侧连接于第二馈线；所述第二馈线一端连接于第二基片集成矩形谐振腔(7)，一端连接于50欧姆的端口阻抗；所述公共侧壁上设置一个耦合窗。
7.根据权利要求6所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述第一基片集成矩形谐振腔(6)与所述第二基片集成矩形谐振腔(7)平行耦合。
8.根据权利要求6所述的SIW滤波集成的F类功率放大器，其特征在于，所述SIW滤波器的基片矩形谐振腔的尺寸、馈线的尺寸和公共侧壁上窗口的大小尺寸与滤波器的中心频率、带宽、外部品质因数和内部耦合系数相关。
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