CN111835291A - 高频放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高频放大器。一种高频放大器(1)，其包括：输入端子PIN；输出端子POUT；晶体管(5)，其被配置为放大施加到输入端子PIN的RF信号；匹配电路(9)和反射电路(7)，该匹配电路(9)用于RF信号的基波，该反射电路(7)用于相对于基波的谐波，匹配电路(9)和反射电路(7)被串联连接在晶体管(5)和输出端子POUT之间；提取电路(13)，其被配置为提取出现在输出端子POUT处的谐波；处理电路(15、17)，其被配置为调整由提取电路(13)提取的谐波的相位和强度；以及多路复用电路(19)，其被配置为将由处理电路(15、17)处理的谐波多路复用到由反射电路(7)反射的谐波并将被多路复用的谐波提供给晶体管(5)。

Description

高频放大器
技术领域
本公开涉及放大高频信号的高频放大器。
背景技术
放大诸如微波的高频波的常规高频放大器已经被用于各种用途，诸如无线电通信和雷达。这种高频放大器的示例包括能够高效操作以抑制功率损耗的F类放大器和逆F类放大器。例如，在日本未审查专利公开No.2005-204208中公开的放大器包括产生相对于要放大的基波信号的奇次谐波信号的奇次谐波信号产生电路，以及将奇次谐波信号多路复用到基波信号的矩形波信号产生电路。此外，在WO2017/122271A中公开的放大器包括将由第一晶体管放大的RF信号中包含的谐波供应至第二晶体管的谐波供应电路，以及将RF信号中包含的基波供应至第二晶体管的基波供应电路。
然而，上述在日本未审查专利公开No.2005-204208中公开的结构需要产生导致功耗增加的谐波信号的信号源。此外，在上述WO2017/122271A中公开的结构中，由于晶体管输出侧的寄生分量导致谐波向本征晶体管的端面衰减，并且谐波在本征晶体管的端面上的阻抗未能被设置为真正的最佳阻抗，这使得仅通过使用无源元件进行匹配就不可能充分提高整个放大器的功率效率。本公开提供了能够充分提高功率效率的高频放大器。
发明内容
根据本公开的一个方面的高频放大器包括：输入端子；输出端子；晶体管，该晶体管被配置为放大施加到输入端子的输入高频信号；匹配电路和反射电路，匹配电路用于输入高频信号的基波，反射电路用于相对于基波的谐波，匹配电路和反射电路串联连接在晶体管与输出端子之间；提取电路，该提取电路被配置为提取出现在输出端子处的谐波；处理电路，该处理电路被配置为调整由提取电路提取的谐波的相位和强度；以及多路复用电路，该多路复用电路被配置为将由处理电路处理的谐波多路复用到由反射电路反射的谐波并将被多路复用的谐波提供给晶体管。
附图说明
图1是示出根据实施例的高频放大器的示意性结构的框图；
图2是示出图1所示的高频放大器的结构的电路图；
图3A是示出当高频放大器未多路复用二次谐波时的输出功率和对于输入功率的功率附加效率(PAE)的图；和
图3B是示出当高频放大器多路复用二次谐波时的输出功率和对于输入功率的功率附加效率(PAE)的图。
具体实施方式
下面将参考附图给出本公开的实施例的描述。注意，在附图的描述中，相同的组件由相同的参考数字表示，并且将省略多余的描述。
[高频放大器的结构]
图1是示出根据实施例的高频放大器1的结构的框图。例如，高频放大器1用于无线电通信或雷达以放大高频信号。如图1所示，高频放大器1包括输入端子PIN、输出端子POUT、输入匹配电路3、晶体管5、谐波反射电路7、基波匹配电路9、谐波提取电路13和移相器15、放大器17以及多路复用电路19。输入端子PIN经由具有特性阻抗Z0的传输线23从高频信号源21接收高频信号(RF信号)。另一方面，输出端子POUT连接到具有特性阻抗Z0的负载25。谐波反射电路7、基波匹配电路9和谐波提取电路13在输入端子PIN与输出端子POUT之间串联连接。
输入匹配电路3将晶体管5的输入阻抗与传输线23的特性阻抗进行匹配。具体地，输入匹配电路3将当从晶体管5的控制端子(栅极端子)观察晶体管5时的阻抗与当从连接到传输线23的输入匹配电路3的端子观察晶体管时传输线23的特性进行匹配。
例如，晶体管5是放大RF信号的场效应晶体管(FET)。以下描述将以FET用作晶体管来给出，但是相同的描述适用于双极性晶体管。RF信号经由传输线23和输入匹配电路3输入至用作晶体管5的输入的栅极。晶体管5的源极接地并且其漏极经由谐波反射电路7和基波匹配电路9连接至输出端子POUT。
谐波反射电路7和基波匹配电路9均由传输线形成并且具有特定的阻抗和特定的长度。谐波反射电路7传输包含在晶体管5的输出中的基波分量并且将谐波分量向晶体管5反射。基波匹配电路9将当从晶体管5的漏极的端面观察输出端子POUT时的阻抗匹配到允许优化诸如晶体管5的输出功率和功率附加效率的设计参数的最优负载阻抗。
通常，从输入端子PIN输入的RF信号不仅包含基波还包含谐波分量。此外，晶体管5的输入和输出特性是非线性的，并且即使当输入不包含失真(没有谐波分量)的RF信号时，在放大RF信号所导致的信号中会出现明显的谐波分量。谐波反射电路7将这个谐波分量向晶体管5反射并且仅传输基波。基波匹配电路9对这样传输的基波上的最优负载阻抗执行阻抗匹配。
谐波提取电路13提取已经通过基波匹配电路9的谐波分量并且在输出端子POUT处出现。谐波反射电路7反射在晶体管5的输出处出现的大部分谐波分量；然而，原则上不可能使传输量为零。此外，基波匹配电路9仅传输基波并且还反射或吸收除基波之外的谐波分量；然而，不可能使在基波匹配电路9的输出处的谐波分量为零。在输出端子POUT处会出现一个很小但明显的谐波分量。谐波提取电路13提取出现在输出端子POUT处的谐波分量，使移相器(处理电路)15通过旋转相位来调整谐波分量的相位，并且使放大器(处理电路)17通过放大或衰减谐波分量来调整谐波分量的强度。然后，经过如上所述处理的谐波分量由用于谐波的多路复用电路19多路复用到由谐波反射电路7反射的谐波，并且被多路复用的谐波被提供给晶体管5的漏极。
如上所述，晶体管5的输出信号总是包含这样的谐波分量。当经由诸如输出传输线的外部电路将谐波分量提供给负载25时，在晶体管5或外部电路的漏极电阻中消耗了额外的功率。因此，优选的是当从晶体管5的漏极输出观察负载25时将用于谐波的反射强度被设置得更高。这等效于没有谐波分量被输出到外部电路的情况。此外，反射谐波使得在晶体管5的漏极的端面引起波形整形能够抑制功率损耗。
然而，仅包括基波匹配电路的常规输出匹配电路不能充分提高谐波分量的反射强度。即使与基波进行了最优匹配，谐波分量也不一定被赋予最优反射条件。此外，谐波反射电路和基波匹配电路串联连接的结构可以使谐波反射电路将用于基波的匹配条件从最优值发生偏移。谐波反射电路和基波匹配电路中的一个可以成为使另一个的最优条件恶化的元件。
此外，晶体管5通常包括元件部分(包括在半导体元件中的部分)和作为元件部分的一部分向外延伸并且将元件部分连接到外部电路的部分(键合线、键合垫、引线端子等)。对于元件部分，即使当对于基波和谐波都满足匹配条件和反射条件时，使用形成为包括键合线、键合垫、引线端子等的实际设备的电路使得难以获得令人满意的匹配条件和反射条件的组合。
根据本实施例，提供了出现在输出端子POUT处的谐波分量被放大或衰减然后被提供给晶体管5的漏极输出的结构，从而提高了晶体管5的谐波反射强度，并且增加了在输出端子POUT处出现的基波分量。
参考图2将给出高频放大器1的具体电路结构的描述。
如图2所示，高频放大器1包括主传输线和副传输线，主传输线包括传输线21a至21d以及由电感器和电容器的并联电路表示的平面波导31，并且连接在晶体管5与输出端子POUT之间，副传输线从主传输线的节点C2经由晶体管17a延伸到主传输线的节点C4。
谐波反射电路7连接到位于基波匹配电路9与多路复用电路19之间的主传输线的节点C1，并且包括长度等于λ/8的传输线7a。在此，λ表示基波的波长，并且λ/8等于二次谐波的波长的四分之一。传输线7a的一端开放；因此，可以认为主传输线上的节点C1对于二次谐波分量而言是短路的并且因此形成了通过主传输线传播的二次谐波的反射电路。
谐波提取电路13包括两条长度等于基波的λ/4的传输线13a、13b。传输线13b的一端开放并且另一端连接到传输线13a的一端，并且传输线13a的另一端经由主传输线上的节点C2连接到输出端子POUT。结果，位于副传输线上的两条传输线13a、13b之间的节点C3可以被认为对于基波是短路的。另一方面，节点C3对二次谐波开放。由于传输线13a的长度等于基波的λ/4，因此连接到主传输线上的传输线13a的另一端的节点C2对于基波和二次谐波均是开放的。
传输线13a和两条传输线21c和21d形成基波匹配电路9。特别地，由于形成用于二次谐波的反射电路的传输线7a插入主传输线，因此要求被传输线7a干扰的主传输线的特性阻抗与来自传输线7a的主传输线的下游侧的基波相匹配。由于两条传输线13a、13b的长度等于二次谐波的波长的一半，所以形成基波匹配电路9的传输线13a、21c、21d不影响二次谐波。结果，未被传输线7a反射而泄漏的一些二次谐波从节点C2流入副传输线。
通过节点C3流入副传输线的二次谐波经由传输线15a、17b到达放大或衰减二次谐波的晶体管17a，然后经由传输线17c、15b到达多路复用电路19。晶体管17a在类型和尺寸上与晶体管5相同。传输线15a、15b形成使流入副传输线的二次谐波的相位偏移的移相器15。此外，传输线15a的一端连接到包括电阻器、电感器和电容器的滤波电路29。滤波电路29插入在谐波提取电路13与晶体管17a之间以移除流入副传输线的基波分量以防止晶体管17a受到基波分量的影响。通常，基波分量在幅度上压倒性地大于二次谐波分量。尽管形成基波匹配电路9的传输线21c、21d、13a抑制了基波向副传输线的流入，但是滤波电路29阻止了流入副传输线的基波分量到达晶体管17a。因此，希望滤波电路29具有具备优异频率截止特性的滤波器结构。传输线17c的另一端连接到形成移相器15的传输线15b的一端。
多路复用电路19包括两条传输线19a、19b，每条传输线的长度等于基波的λ/4。即，传输线19a、19b的长度等于二次谐波的波长的一半。传输线19b的一端开放并且另一端连接到传输线19a的一端。传输线19a的另一端连接到位于主传输线上的晶体管5和传输线7a之间的节点C4。由于传输线19b的一端是开放的，因此位于两条传输线19a、19b之间的节点C5可以被认为对于基波是短路的并且对于二次谐波是开放的。结果，可以认为主传输线上的节点C4对基波和二次谐波都是开放的。即，多路复用电路19展现出与谐波提取电路13中包括的两条传输线13a、13b展现出的相同的效果。即，主传输线上的传输线21a、21b和传输线19a用作基波的匹配电路，并且对二次谐波没有任何影响。
上述的高频放大器1能够在调节二次谐波的振幅和相位之后从晶体管5的输出中提取二次谐波并将二次谐波反馈到晶体管5的漏极。这使得能够使在晶体管5的漏极处的二次谐波的强度更高并使出现在输出端子POUT处的基波相对更高，其反过来能够提高高频放大器1整体的功率效率。更具体地，与谐波处理电路仅由无源电路形成的结构相比，这能够使二次谐波的反射强度更高并且减少由于波形整形而导致的热损失，其反过来能够提高高频放大器1的功率效率。
图3A和图3B示出了高频放大器1中的输出功率和对于输入功率的功率附加效率(PAE)的评价结果。图3A是在本实施例中未对二次谐波进行多路复用时的输出功率和PAE的评价结果，并且图3B是在本实施例中二次谐波被多路复用时的输出功率和PAE的评价结果。在每个曲线图中，曲线G1表示相对于输入功率的输出功率的变化，并且曲线G2表示相对于输入功率的PAE。如曲线图所示，尽管在每个曲线图中当输入功率为20dBm时的输出功率大约等于31dBm，但是在包括用于二次谐波的多路复用电路的本实施例中，最大功率附加效率从常规效率的62％提高到了约73％。
根据本实施例，将二次谐波返回到晶体管5的漏极使得能够等效地放大由谐波反射电路7反射的二次谐波以返回到晶体管5，其反过来能够提高用于基波的效率。即，在高频放大器1中，由传输线7a反射的谐波，以及通过谐波提取电路13、移相器15、放大器17和多路复用电路19在振幅和相位上提取和调整的谐波被多路复用到晶体管5的漏极处的输出。这使得能够充分增加在晶体管5的本征部分的端面处的谐波的电压反射系数Γ。
此外，在高频放大器1中，谐波提取电路13包括传输线13a、13b，并且多路复用电路19包括传输线19a、19b。这种结构允许谐波提取电路13和多路复用电路19将谐波提取并多路复用到输出而不会影响晶体管5的输出的基波的传播特性。
高频放大器1进一步包括滤波电路29。这使得能够从晶体管5的输出有效地提取谐波并将谐波反馈至输出。
此外，根据本实施例，从晶体管5的漏极提取与基波频率的两倍相对应的二次谐波并反馈该二次谐波。这种结构可以在晶体管5的漏极处有效地产生转换为伪矩形波的电压信号。
此外，根据本实施例，放大器17包括尺寸与晶体管5相同的晶体管17a。这种结构允许两个晶体管的设计参数具有共性。
本发明的原理已经根据优选实施例进行了描述和说明，本领域技术人员应理解可以在不脱离这种原理的情况下对本发明进行布置和细节上的修改。本发明不限于根据本实施例公开的特定结构。因此，要求保护来源于权利要求的范围和精神的所有修改和改变。
根据上述实施例，二次谐波由谐波提取电路13从晶体管5的输出中提取，并且由此提取的二次谐波被多路复用到晶体管的输出；然而，二次谐波可以是任何谐波诸如三次谐波或四次谐波。此外，可以使用另一种结构，其中提供多个谐波处理电路诸如根据上述实施例的副传输线，并且每个处理对应于不同谐波中的一个。即使是这样的结构，也可以充分地增加晶体管5的本征部分的端面处的谐波的电压反射系数Γ以提高功率效率。

Claims (7)

1.一种高频放大器，包括：
输入端子；
输出端子；
晶体管，所述晶体管被配置为放大被施加到所述输入端子的输入高频信号；
匹配电路和反射电路，所述匹配电路用于所述输入高频信号的基波，所述反射电路用于相对于所述基波的谐波，所述匹配电路和所述反射电路在所述晶体管与所述输出端子之间被串联连接；
提取电路，所述提取电路被配置为提取出现在所述输出端子处的谐波；
处理电路，所述处理电路被配置为调整由所述提取电路提取的所述谐波的相位和强度；以及
多路复用电路，所述多路复用电路被配置为将由所述处理电路处理的所述谐波多路复用到由所述反射电路反射的所述谐波，并将多路复用的谐波提供给所述晶体管。
2.根据权利要求1所述的高频放大器，其中，
所述谐波是所述基波的二次谐波。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的高频放大器，其中，
所述反射电路是一端与在所述晶体管和所述匹配电路之间延伸的传输线相连接并且另一端开放的传输线，所述反射电路具有等于所述谐波的波长的四分之一的长度。
4.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的高频放大器，其中，
所述提取电路包括：：
一个传输线，该一个传输线的一端开放，并且该一个传输线具有等于所述基波的波长的四分之一的长度；以及
另一个传输线，该另一个传输线具有等于所述基波的波长的四分之一的长度，并且该另一个传输线的一端被连接至所述一个传输线的另一端，而该另一个传输线的另一端被连接至所述输出端子。
5.根据权利要求1至权利要求3中的任意一项所述的高频放大器，其中，
所述多路复用电路包括：
一个传输线，该一个传输线的一端开放，并且该一个传输线具有等于所述基波的波长的四分之一的长度；以及
另一个传输线，该另一个传输线具有等于所述基波的波长的四分之一的长度，并且该另一个传输线的一端被连接至所述一个传输线的另一端，而该另一个传输线的另一端被连接至在所述晶体管和所述匹配电路之间延伸的传输线。
6.根据权利要求1至权利要求5中的任意一项所述的高频放大器，其中，
所述处理电路包括：
另一晶体管，该另一晶体管被配置为放大或衰减被提取的谐波；以及
传输线，该传输线被配置为偏移被提取的谐波的相位，并且所述另一晶体管和所述晶体管的尺寸相同。
7.根据权利要求6所述的高频放大器，其中，
所述处理电路进一步包括滤波器，所述滤波器被设置在所述提取电路和所述另一晶体管之间，所述滤波器被配置为移除所述基波。
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