CN111600554A - 一种带宽可调式f类功率放大器 - Google Patents

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章国豪
唐浩
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Abstract

本发明公开了一种带宽可调式F类功率放大器，包括晶体管、谐波控制电路、寄生补偿电路、带宽可调的基波匹配网络和负载,谐波控制电路包括输入电压、短路传输线和开路传输线，短路传输线并联开路传输线形成偶次谐波短路电路，输入电压与偶次谐波短路电路串联；通过在谐波控制电路中将短路传输线和开路传输线进行并联形成偶次谐波短路电路，能够使得谐波控制电路只针对偶次谐波起作用，基波与奇次谐波处由于呈现开路而不会对电路产生影响，提高功率放大器的效率，此外，通过在谐波控制电路和带宽可调的基波匹配网络之间串联一个寄生补偿电路，能补偿掉Cout对三次谐波阻抗的影响，实现很好的三次谐波开路状态，确保了F类功率放大器的高效率特性。

Description

一种带宽可调式F类功率放大器
技术领域
本发明涉及无线通信功放技术领域，特别涉及一种带宽可调式F类功率放大器。
背景技术
功率放大器作为无线通信系统中重要的前端器件，是利用电源提供的直流能量将已调制的频带信号放大到所需要的功率值并送到天线中发射，保证在一定区域内的接收机可以收到满意的信号电平，其设计的好坏直接影响着整个电路系统。
F类功率放大器因其理想工作效率能够达到100％而受到了大量的关注，在现有技术方案中，F类输出匹配网络根据应用的频率范围，其实现形式既可以采用LC集总元件，也可以使用传输线，或者是两者的混合体，针对目前移动通信用的Sub-6GHz频段，兼顾性能、体积与成本因素，混合型结构一般是最优选择，如图1所述，通过并联LC振荡回路(L0-C0)调谐至载频，使其在工作带宽外的所有频率上如同短路，传输线的长度选择为载波波长λ的1/4就能等效实现无数个串联的奇次谐波振荡器，如此即可在晶体管漏极看到偶次谐波短路与奇次谐波开路的情况，从而实现对输出电流、电压波形的整形，理想上呈现出半正弦波电流与峰-峰值为2VDD的方波电压，两者之间没有重叠部分，这意味着没有能量损耗在功率管上，可实现100％的转换效率。
但是，现有的F类功率放大器存在以下缺陷：(1)在高频环境下，部分谐波分量可通过寄生电容Cout泄露，从而影响了奇次谐波开路的状态，也就造成效率的降低；(2)实际的晶体管均含有寄生的输出电容Cout，会使得基波阻抗发生偏移。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种带宽可调式F类功率放大器，能够解决现有F类功率放大器存在的影响奇次谐波开路状态、基波阻抗会发生偏移等缺陷。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种带宽可调式F类功率放大器，包括晶体管、谐波控制电路、寄生补偿电路、带宽可调的基波匹配网络和负载，所述谐波控制电路的输入端与所述晶体管的漏极输出端连接，所述谐波控制电路的输出端与所述寄生补偿电路的输入端连接，所述寄生补偿电路的输出端与所述带宽可调的基波匹配网络的输入端连接，所述带宽可调的基波匹配网络的输出端与所述负载连接，所述谐波控制电路包括输入电压、短路传输线和开路传输线，所述短路传输线并联所述开路传输线形成偶次谐波短路电路，所述输入电压与所述偶次谐波短路电路串联。
作为所述带宽可调式F类功率放大器的进一步可选方案，所述短路传输线的长度等于八分之一基波波长λ，所述开路传输线的长度等于八分之一基波波长λ，所述短路传输线和所述开路传输线的阻抗均为Z0。
作为所述带宽可调式F类功率放大器的进一步可选方案，所述带宽可调的基波匹配网络包括第一电感、第二电感、第一电容和第二电容，所述第一电感的第一端和第二电感的第一端构成共同端与所述寄生补偿电路的输出端连接，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端构成共同端接地。
作为所述带宽可调式F类功率放大器的进一步可选方案，所述谐波控制电路还包括第三电容，所述第三电容的第一端与所述谐波控制电路的输入电压连接，所述第三电容的第二端接地。
作为所述带宽可调式F类功率放大器的进一步可选方案，所述F类功率放大器还包括第四电容，所述第四电容的第一端与所述带宽可调的基波匹配网络的输出端连接，所述第四电容的第二端与所述负载连接。
作为所述带宽可调式F类功率放大器的进一步可选方案，所述寄生补偿电路为寄生补偿带线，所述寄生补偿带线阻抗为Z0，所述寄生补偿带线的电长度通过以下公式可求得：
Figure BDA0002532429940000031
其中，θ为寄生补偿带线的电长度，ω为基波角频率，Cout为晶体管的等效输出寄生电容。
本发明的有益效果是：通过在谐波控制电路中将短路传输线和开路传输线进行并联形成偶次谐波短路电路，能够使得谐波控制电路只针对偶次谐波起作用，而基波与奇次谐波处由于呈现开路而不会对电路产生影响，从而提高功率放大器的效率，此外，通过在谐波控制电路和带宽可调的基波匹配网络之间串联一个寄生补偿电路，能补偿掉Cout对三次谐波阻抗的影响，实现很好的三次谐波开路状态，确保了F类功率放大器的高效率特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。
图1为现有F类功率放大器控制晶体管漏极的电路原理图；
图2为本发明一种带宽可调式F类功率放大器的电路原理图；
图3为本发明一种带宽可调式F类功率放大器中偶次谐波短路电路的示意图；
图4为本发明一种带宽可调式F类功率放大器中L2-C2串联谐振器等效为电容Ceq的电路示意图；
图5为本发明一种带宽可调式F类功率放大器中将π形匹配网络中的第一电感适当地分为两个面对面的L形电路图；
附图标记说明：1、谐波控制电路；2、寄生补偿电路；3、带宽可调的基波匹配网络；4、负载；5、第四电容；11、短路传输线；12、开路传输线；13、第三电容；31、第一电感；32、第二电感；33、第一电容；34、第二电容。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-3，一种带宽可调式F类功率放大器，包括晶体管、谐波控制电路1、寄生补偿电路2、带宽可调的基波匹配网络3和负载4，所述谐波控制电路1的输入端与所述晶体管的漏极输出端连接，所述谐波控制电路1的输出端与所述寄生补偿电路2的输入端连接，所述寄生补偿电路2的输出端与所述带宽可调的基波匹配网络3的输入端连接，所述带宽可调的基波匹配网络3的输出端与所述负载4连接，所述谐波控制电路1包括输入电压、短路传输线11和开路传输线12，所述短路传输线11并联所述开路传输线12形成偶次谐波短路电路，所述输入电压与所述偶次谐波短路电路串联。
在本实施例中，通过在谐波控制电路中将短路传输线11和开路传输线12进行并联形成偶次谐波短路电路，能够使得谐波控制电路只针对偶次谐波起作用，而基波与奇次谐波处由于呈现开路而不会对电路产生影响，从而提高功率放大器的效率，此外，通过在谐波控制电路1和带宽可调的基波匹配网络3之间串联一个寄生补偿电路2，能补偿掉Cout对三次谐波阻抗的影响，实现很好的三次谐波开路状态，确保了F类功率放大器的高效率特性。
优选的，所述短路传输线11的长度等于八分之一基波波长λ，所述开路传输线12的长度等于八分之一基波波长λ，所述短路传输线11和所述开路传输线12的阻抗均为Z0。
在本实施例中，通过设置短路传输线11和开路传输线12的长度均为八分之一基波波长λ，并设置短路传输线11和开路传输线12的阻抗均为Z0，依据负载开、短路时的短截线特征方程，能够求得图3中TL1和TL2在节点X处的输入阻抗分别为Z1和Z2，并求出Z1和Z2并联后的阻抗，其中，Z1和Z2分别为：
Z1＝jZ0 tan(θ)
Figure BDA0002532429940000051
其中，θ表示电长度，其与传输线长度存在关系：
Figure BDA0002532429940000052
因此，由Z1和Z2并联得到的Zpeak可表示成：
Figure BDA0002532429940000061
由于c＝λf，将上式进一步整理得：
Figure BDA0002532429940000062
其中，f0表示基波工作频率；
通过与现有的F类功率放大器相比，由于现有的F类功率放大器采用长度为λ/4的传输线，而本发明的功率放大器采用的上下对称布置的长度为λ/8的传输线，在长度上较λ/4缩减了一半，同时短路线TL1还兼具VDD供电线的作用，实现了版图紧凑化的目的，避免了现有方案可能出现的扁长条形结果，此外，依据上述阻抗方程，有利于在零极点处提供更好的谐波阻抗峰化，并实现对应更优的终端状态，节约了成本；
需要说明的是，图中TL1表示短路传输线11，TL2表示开路传输线12。
优选的，所述带宽可调的基波匹配网络3包括第一电感31、第二电感32、第一电容33和第二电容34，所述第一电感31的第一端和第二电感32的第一端构成共同端与所述寄生补偿电路2的输出端连接，所述第一电感31的第二端与所述第一电容33的第一端连接，所述第二电感32的第二端与所述第二电容34的第一端连接，所述第一电容33的第二端和所述第二电容34的第二端构成共同端接地；其中，第一电感31为L1,第二电感32为L2，第一电容33为C1，第二电容34为C2。
在本实施例中，所述基波匹配网络为带宽可调的π形基波匹配网络，即带宽可调式π形匹配网络将50Ω负载变换到基波最优阻抗Ropt，但由于Cout和补偿带线TL3构成的类似单级L形匹配网络的影响，在B点处的基波阻抗将变换为ZT，又因为此时TL1～TL3的设计参数根据前述内容可以确定，这样ZT也就是一个确定值。换言之，考虑了寄生电容与本发明的补偿带线作用后，基波匹配网络要完成的是50Ω到ZT共轭值ZT *的变换。在基波频率ω0下，L2-C2串联谐振器可等效为一个电容Ceq，其与L1、C1共同构成了π形匹配网络，如图4所示；
为简单起见，假设ZT *为一个纯电阻RT，我们可以将π形匹配中的串联电感L1适当地分为两部分后，从整体上就能将该网络视作两个面对面的L形电路，如图5所示；
所谓的“适当”将导致两个L形电路具有不同的品质因子，假设左边的为Q，右边的为A，且Q>A，这样π形网络的品质因子将由子L形电路中品质因子的最大者所决定，也就是Q，另外，网络的品质因子Q与带宽BW存在关系：
Figure BDA0002532429940000071
在已知工作频率f0的情况下，匹配网络带宽的大小将取决于Q，设计者根据指标要求选定合适的Q值后，网络中所有元件的参数便可根据以下等式确定：
Figure BDA0002532429940000072
Figure BDA0002532429940000073
Figure BDA0002532429940000074
当需要变换到复阻抗时，计算公式将变得非常复杂，此时可以借助Smith圆图与等Q线进行辅助设计；
此外，通过第二电感32和第二电容34组成串联谐振器，通过所述串联谐振器谐振在3f0从而使图2中的B点呈现三次谐波短路，再借助寄生补偿带线TL3与晶体管输出寄生电容Cout的阻抗变换使图2中的A点达成三次谐波开路的状态，从而使得放大器的漏极效率能够达到80％。
需要说明的是，考虑到在实际电路设计中不可能实现理想谐波阻抗条件，当谐波控制网络包含3次和4次谐波时，放大器的漏极效率已经能够达到80％，包含更高次的谐波分量不但会加大电路设计难度，增加功率损耗，而且对效率提高的作用也非常有限，所以为保持整体输出匹配网络的简单易实现性，本发明对奇数次谐波的利用仅控制到3次；此外，相比现有方案，本发明将三次谐波控制电路融入到基波匹配网络中，此举既实现了所需的基波阻抗变换，并达成B点处表征为三次谐波短路态，同时还能对带宽进行调节。
优选的，所述谐波控制电路1还包括第三电容13，所述第三电容13的第一端与所述谐波控制电路1的输入电压连接，所述第三电容13的第二端接地。
在本实施例中，通过在谐波控制电路1设置有第三电容13，能够起到旁路到地的作用，选取较大的旁路电容的容值从而使其基本不会对阻抗匹配网络造成影响。
优选的，所述F类功率放大器还包括第四电容5，所述第四电容5的第一端与所述带宽可调的基波匹配网络3的输出端连接，所述第四电容5的第二端与所述负载4连接。
在本实施例中，通过设置第四电容5于带宽可调的基波匹配网络3和负载4之间，能够起到隔直流的作用。
优选的，所述带宽可调式F类功率放大器的进一步可选方案，所述寄生补偿电路2为寄生补偿带线，所述寄生补偿带线阻抗为Z0，所述寄生补偿带线的电长度通过以下公式可求得：
Figure BDA0002532429940000081
其中，θ为寄生补偿带线的电长度，ω为基波角频率，Cout为晶体管的等效输出寄生电容。
在本实施例中，晶体管的寄生参数Cout在制造商提供的器件数据手册中获取，选定合适的特征阻抗Z0后，TL3的电长度便随之确定，本发明仅通过对TL3电长度的调节，便能补偿掉Cout对三次谐波阻抗的影响，方法简单有效，借助直观的计算式快速确定好初值，保证了工程设计效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带宽可调式F类功率放大器，包括晶体管、谐波控制电路(1)、寄生补偿电路(2)、带宽可调的基波匹配网络(3)和负载(4)，其特征在于，所述谐波控制电路(1)的输入端与所述晶体管的漏极输出端连接，所述谐波控制电路(1)的输出端与所述寄生补偿电路(2)的输入端连接，所述寄生补偿电路(2)的输出端与所述带宽可调的基波匹配网络(3)的输入端连接，所述带宽可调的基波匹配网络(3)的输出端与所述负载(4)连接，所述谐波控制电路(1)包括输入电压、短路传输线(11)和开路传输线(12)，所述短路传输线(11)并联所述开路传输线(12)形成偶次谐波短路电路，所述输入电压与所述偶次谐波短路电路串联。
2.根据权利要求1所述的一种带宽可调式F类功率放大器，其特征在于，所述短路传输线(11)的长度等于八分之一基波波长λ，所述开路传输线(12)的长度等于八分之一基波波长λ，所述短路传输线(11)和所述开路传输线(12)的阻抗均为Z0。
3.根据权利要求2所述的一种带宽可调式F类功率放大器，其特征在于，所述带宽可调的基波匹配网络(3)包括第一电感(31)、第二电感(32)、第一电容(33)和第二电容(34)，所述第一电感(31)的第一端和第二电感(32)的第一端构成共同端与所述寄生补偿电路(2)的输出端连接，所述第一电感(31)的第二端与所述第一电容(33)的第一端连接，所述第二电感(32)的第二端与所述第二电容(34)的第一端连接，所述第一电容(33)的第二端和所述第二电容(34)的第二端构成共同端接地。
4.根据权利要求3所述的一种带宽可调式F类功率放大器，其特征在于，所述谐波控制电路(1)还包括第三电容(13)，所述第三电容(13)的第一端与所述谐波控制电路(1)的输入电压连接，所述第三电容(13)的第二端接地。
5.根据权利要求4所述的一种带宽可调式F类功率放大器，其特征在于，所述F类功率放大器还包括第四电容(5)，所述第四电容(5)的第一端与所述带宽可调的基波匹配网络(3)的输出端连接，所述第四电容(5)的第二端与所述负载(4)连接。
6.根据权利要求5所述的一种带宽可调式F类功率放大器，其特征在于，所述寄生补偿电路(2)为寄生补偿带线，所述寄生补偿带线阻抗为Z0，所述寄生补偿带线的电长度通过以下公式可求得：
Figure FDA0002532429930000021
其中，θ为寄生补偿带线的电长度，ω为基波角频率，Cout为晶体管的等效输出寄生电容。
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