CN114070336B - 一种超宽带tr组件高效率低谐波发射电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路及实现方法，所述发射电路包括GaN大功率开关、功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道；GaN大功率开关连接公共端口P1和功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA，所述功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA与收发公共通连接，所述收发公共通与公共端口P2连接；所述大功率开关除实现收发切换功能外，还会在控制信号的作用下实现工作频段的重构，实现对发射信号带内二次谐波的抑制。本发明具备结构简单、低插损、高效率等优点。

Description

一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路及实现方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，更为具体的，涉及一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路及实现方法。

背景技术

超宽带TR组件一般相对带宽有三个倍频程，其发射时发射通道的末级功率放大器产生的二次谐波会落在带内，导致二次谐波的抑制较差，一般只有10dBc。为提高其带内的二次谐波抑制度，一般会在末级功率放大器的输出端接谐波波抑制电路，原理框图见附图1所示，其工作原理是当发射通道的末级功率放大器输出的射频基波信号在低频段时谐波抑制电路会工作在谐波抑制态，当发射通道的末级功率放大器输出的射频基波信号在高频段时谐波抑制电路会工作在直通状态，从而既保证了TR组件的超宽带特性，又能够使TR组件发射具备低谐波特征，但是在TR组件内末级功率放大器输出端接谐波抑制的电路会降低功率放大器的输出功率，存在发射效率下降的缺点。

基于以上分析，现有的超宽带TR组件低谐波发射技术存在发射效率低的缺点，不能够满足新一代超宽带TR组件的技术要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路及实现方法，具备结构简单、低插损、高效率等优点。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，包括GaN大功率开关、功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道；GaN大功率开关连接公共端口P1和功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA，所述功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA与收发公共通连接，所述收发公共通与公共端口P2连接；所述大功率开关除实现收发切换功能外，还会在控制信号的作用下实现工作频段的重构，实现对发射信号带内二次谐波的抑制。

进一步地，所述GaN大功率开关包括多个微带传输线、多个GaN基FET管芯；第一微带传输线M1的一端与公共端口P1连接，另一端与微带传输线M2连接，微带传输线M2的另一端与微带传输线M3的第一端口连接；所述微带传输线M3为“T”型结，其第二端口与微带传输线M4的一端连接，微带传输线M4的另一端与微带传输线M5连接，在微带传输线M4和M5之间并联有GaN基FET1管芯，GaN基FET1管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K1；微带传输线M5另一端与微带传输线M6相连接，在微带传输线M5和M6之间并联有GaN基FET2管芯，GaN基FET2管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K2；微带传输线M6的另一端连接限幅低噪声放大器LNA的收入端，限幅低噪声放大器LNA的输出端与收发公共通道连接，接收信号经收发公共通道后再由公共端口P2输出；微带传输线M3的第三端口与微带传输线M7的一端连接，微带传输线M7的另一端与微带传输线M8连接，在微带传输线M7和M8之间并联有GaN基FET3管芯，GaN基FET3管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K2；微带传输线M8的另一端与功率放大器PA的输出端连接，功率放大器PA的输入端与收发公共通道的发射输出端连接，发射信号经公共端口P2进入。

进一步地，所述微带传输线M1～M8的对应宽度W1～W8，由其特性阻抗大小决定，其中W1、W4、W5、W6、W7、W8按50欧母特性阻抗设计，宽度W2、W3其初值分别按特性阻抗37欧母、25欧母设计，并通过仿真优化后确定。

进一步地，所述微带传输线M1～M8的对应长度L1～L8由工作频段中心频率或电路布局决定，其中L2、L3、L7的长度设为TR组件带宽中心频率的四分之一波长，L4的长度设为TR组件高频段工作时的中心频率的四分之一波长，L4+L5的总长度设为TR组件低频段工作时的中心频率的四分之一波长，L1、L6、L8的长度根据电路布局决定，最后通过仿真优化后确定各长度的具体值。

进一步地，所述GaN基FET1～3管芯为开关管芯，其器件参数由电路的工作频段、承受功率及通带插损需求决定，控制信号电压为0V/-20V～-40V，其中0V时FET开关管导通，-20V～-40V时FET开关管截止。

进一步地，所述控制信号K1～K3为GaN大功率开关的控制信号，其逻辑关系和电压由外部逻辑电路和驱动器产生。

一种如上任一所述超宽带TR组件高效率低谐波发射电路的实现方法，，包括步骤：

当工作在接收状态时，控制信号K1、K2为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET1管芯和GaN基FET2管芯工作在截止状态；控制信号K3为0V，使GaN基FET3管芯工作在导通状态，此时微带传输线M7相当于短路短截线，通过将微带传输线M7的长度L7初值设为超宽带TR组件工作频段中心频率四分之一波长，从微带传输线M3的第三端口看向微带传输线M7时的阻抗等效为扼流电感，从而使整个GaN大功率开关工作在接收状态，天线接收到的信号经GaN大功功率开关进入到限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道P1后从公共端口P2输出；

或当工作在发射高频段时，使控制信号K3为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET3管芯工作在截止状态；控制信号K1和K2为0V，使GaN基FET1管芯和GaN基FET2管芯工作在导通状态，此时微带传输线M4相当于短路短截线，通过将微带传输线M4的长度L4初值设为发射高频段信号中心频率的四分之一波长，那么从微带传输线M3的第二端口看向微带传输线M4时，在高频段频率范围内其阻抗等效为感抗，在高频段频率的二次频段其阻抗则等效为容抗，因此整个GaN大功率开关在高频段基波发射状态时工作在低插损状态，二次谐波频段时处于高插损状态，从而实现对高频段信号的二次谐波抑制，其发射信号流程是发射信号经公共端口P2进入发射通道，经功率放大器PA后进入GaN大功率开关，最后经公共端口P1输出；

或当工作在发射低频段时，使控制信号K2、控制信号K3为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET2管芯和GaN基FET3管芯工作在截止状态；控制信号K1为0V，使GaN基FET1管芯工作在导通状态，此时微带传输线M4串联微带传输线M5后相当于短路短截线，通过将微带传输线M4的长度L4和微带传输线M5的长度L5之和设为发射低频段信号中心频率的四分之一波长，那么从微带传输线M3第二端口看向微带传输线M4时，在低频段频率范围内其阻抗等效为感抗，在低频段频率的二次频段其阻抗则等效为容抗，因此整个GaN大功率开关在低频段基波发射状态时工作在低插损状态，二次谐波频段时处于高插损状态，从而实现对低频段信号的二次谐波抑制；其发射信号流程是发射信号经公共端口P2进入发射通道，经功率放大器PA后进入GaN大功率开关，最后经公共端口P1输出。

进一步地，所述限幅低噪声放大器LNA参数由超宽带TR组件接收通道对应指标要求确定。

进一步地，所述功率放大器PA的参数由超宽带TR组件发射通道对应指标要求确定。

进一步地，所述收发公共通道的具体功能及参数由超宽带TR组件公共通道对应指标要求确定。

本发明的有益效果包括：

与现有技术相比，本发明提供了一种结构简单、低插损、高效率超宽带TR组件发射谐波抑制技术和实现方法。

本发明实施例中微带传输线对外起与外部应用电路互联互通作用，对内实现电路匹配及发射二次谐波抑制的作用；GaN基FET开关管芯在控制信号的作用下实现GaN大功率开关的收发切换和发射的谐波抑制作用；控制信号实现对GaN基FET开关管芯工作状态的控制；限幅低噪声放大器实现对接收到信号进行放大并对接收通道的保护；功率放大器实现对发射信号的功率放大；公共通道实现收发通道的切换和相应的收发公共功能。

本发明实施例电路已在6～18GHz超宽带TR组件中进行原理验证，其通过控制信号可将超宽带发射通道工作在6～10GHz频段或8～18GHz频段可选；其发射时工作在6～9GHz频段时GaN大功率开关插损小于0.8dB，其对应的带内二次谐波频段12～18GHz频段的抑制大于25dBc；其发射时工作在8～18GHz频段时GaN大功率开关插损小于1dB，其对应的带内二次谐波频段16～18GHz频段的抑制大于25dBc。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的超宽带TR组件谐波抑制技术原理框图；

图2为本发明实施例中所述的一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路结构；

图中，1-第一端口，2-第二端口，3-第三端口，12-GaN大功率开关。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

如图2所示，一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，包括GaN大功率开关12、功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道；GaN大功率开关12连接公共端口P1和功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA，功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA与收发公共通连接，收发公共通与公共端口P2连接；大功率开关12除实现收发切换功能外，还会在控制信号的作用下实现工作频段的重构，实现对发射信号带内二次谐波的抑制。

在该实施例中，核心电路包括GaN大功率开关12、功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA、收发公共通道及开关控制信号。其中，微带传输线对外起与外部应用电路互联互通作用，对内实现电路匹配及发射二次谐波抑制的作用；GaN基FET开关管芯在控制信号的作用下实现GaN大功率开关的收发切换和发射的谐波抑制作用；控制信号实现对GaN基FET开关管芯工作状态的控制；限幅低噪声放大器LNA实现对接收到信号进行放大并对接收通道的保护；功率放大器PA实现对发射信号的功率放大；收发公共通道实现收发通道的切换和相应的收发公共功能。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，GaN大功率开关12包括多个微带传输线、多个GaN基FET管芯；第一微带传输线M1的一端与公共端口P1连接，另一端与微带传输线M2连接，微带传输线M2的另一端与微带传输线M3的第一端口1连接；微带传输线M3为“T”型结，其第二端口2与微带传输线M4的一端连接，微带传输线M4的另一端与微带传输线M5连接，在微带传输线M4和M5之间并联有GaN基FET1管芯，GaN基FET1管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K1；微带传输线M5另一端与微带传输线M6相连接，在微带传输线M5和M6之间并联有GaN基FET2管芯，GaN基FET2管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K2；微带传输线M6的另一端连接限幅低噪声放大器LNA的收入端，限幅低噪声放大器LNA的输出端与收发公共通道连接，接收信号经收发公共通道后再由公共端口P2输出；微带传输线M3的第三端口3与微带传输线M7的一端连接，微带传输线M7的另一端与微带传输线M8连接，在微带传输线M7和M8之间并联有GaN基FET3管芯，GaN基FET3管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K2；微带传输线M8的另一端与功率放大器PA的输出端连接，功率放大器PA的输入端与收发公共通道的发射输出端连接，发射信号经公共端口P2进入。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，微带传输线M1～M8的对应宽度W1～W8，由其特性阻抗大小决定，其中W1、W4、W5、W6、W7、W8按50欧母特性阻抗设计，宽度W2、W3其初值分别按特性阻抗37欧母、25欧母设计，并通过仿真优化后确定。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，微带传输线M1～M8的对应长度L1～L8由工作频段中心频率或电路布局决定，其中L2、L3、L7的长度设为TR组件带宽中心频率的四分之一波长，L4的长度设为TR组件高频段工作时的中心频率的四分之一波长，L4+L5的总长度设为TR组件低频段工作时的中心频率的四分之一波长，L1、L6、L8的长度根据电路布局决定，最后通过仿真优化后确定各长度的具体值。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，GaN基FET1～3管芯为开关管芯，其器件参数由电路的工作频段、承受功率及通带插损需求决定，控制信号电压为0V/-20V～-40V，其中0V时FET开关管导通，-20V～-40V时FET开关管截止。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，控制信号K1～K3为GaN大功率开关的控制信号，其逻辑关系和电压由外部逻辑电路和驱动器产生。

一种如上任一超宽带TR组件高效率低谐波发射电路的实现方法，，包括步骤：

当工作在接收状态时，控制信号K1、K2为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET1管芯和GaN基FET2管芯工作在截止状态；控制信号K3为0V，使GaN基FET3管芯工作在导通状态，此时微带传输线M7相当于短路短截线，通过将微带传输线M7的长度L7初值设为超宽带TR组件工作频段中心频率四分之一波长，从微带传输线M3的第三端口3看向微带传输线M7时的阻抗等效为扼流电感，从而使整个GaN大功率开关12工作在接收状态，天线接收到的信号经GaN大功功率开关12进入到限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道P1后从公共端口P2输出；

或当工作在发射高频段时，使控制信号K3为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET3管芯工作在截止状态；控制信号K1和K2为0V，使GaN基FET1管芯和GaN基FET2管芯工作在导通状态，此时微带传输线M4相当于短路短截线，通过将微带传输线M4的长度L4初值设为发射高频段信号中心频率的四分之一波长，那么从微带传输线M3的第二端口2看向微带传输线M4时，在高频段频率范围内其阻抗等效为感抗，在高频段频率的二次频段其阻抗则等效为容抗，因此整个GaN大功率开关12在高频段基波发射状态时工作在低插损状态，二次谐波频段时处于高插损状态，从而实现对高频段信号的二次谐波抑制，其发射信号流程是发射信号经公共端口P2进入发射通道，经功率放大器PA后进入GaN大功率开关12，最后经公共端口P1输出；

或当工作在发射低频段时，使控制信号K2、控制信号K3为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET2管芯和GaN基FET3管芯工作在截止状态；控制信号K1为0V，使GaN基FET1管芯工作在导通状态，此时微带传输线M4串联微带传输线M5后相当于短路短截线，通过将微带传输线M4的长度L4和微带传输线M5的长度L5之和设为发射低频段信号中心频率的四分之一波长，那么从微带传输线M3第二端口2看向微带传输线M4时，在低频段频率范围内其阻抗等效为感抗，在低频段频率的二次频段其阻抗则等效为容抗，因此整个GaN大功率开关12在低频段基波发射状态时工作在低插损状态，二次谐波频段时处于高插损状态，从而实现对低频段信号的二次谐波抑制；其发射信号流程是发射信号经公共端口P2进入发射通道，经功率放大器PA后进入GaN大功率开关12，最后经公共端口P1输出。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，限幅低噪声放大器LNA参数由超宽带TR组件接收通道对应指标要求确定。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，功率放大器PA的参数由超宽带TR组件发射通道对应指标要求确定。

在本发明的其他实施方式中，需要说明的是，收发公共通道的具体功能及参数由超宽带TR组件公共通道对应指标要求确定。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，其特征在于，包括GaN大功率开关(12)、功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道；GaN大功率开关(12)连接公共端口P1和功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA，所述功率放大器PA、限幅低噪声放大器LNA与收发公共通道连接，所述收发公共通与公共端口P2连接；所述大功率开关(12)除实现收发切换功能外，还会在控制信号的作用下实现工作频段的重构，实现对发射信号带内二次谐波的抑制；

所述GaN大功率开关(12)包括多个微带传输线、多个GaN基FET管芯；第一微带传输线M1的一端与公共端口P1连接，另一端与微带传输线M2连接，微带传输线M2的另一端与微带传输线M3的第一端口(1)连接；所述微带传输线M3为“T”型结，其第二端口(2)与微带传输线M4的一端连接，微带传输线M4的另一端与微带传输线M5连接，在微带传输线M4和M5之间并联有GaN基FET1管芯，GaN基FET1管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K1；微带传输线M5另一端与微带传输线M6相连接，在微带传输线M5和M6之间并联有GaN基FET2管芯，GaN基FET2管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K2；微带传输线M6的另一端连接限幅低噪声放大器LNA的收入端，限幅低噪声放大器LNA的输出端与收发公共通道连接，接收信号经收发公共通道后再由公共端口P2输出；微带传输线M3的第三端口(3)与微带传输线M7的一端连接，微带传输线M7的另一端与微带传输线M8连接，在微带传输线M7和M8之间并联有GaN基FET3管芯，GaN基FET3管芯的漏极D与传输线相连，源极S直接接地，栅极G连接控制信号K2；微带传输线M8的另一端与功率放大器PA的输出端连接，功率放大器PA的输入端与收发公共通道的发射输出端连接，发射信号经公共端口P2进入。

2.根据权利要求1所述的超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，其特征在于，所述微带传输线M1～M8的对应宽度W1～W8，由其特性阻抗大小决定，其中W1、W4、W5、W6、W7、W8按50欧母特性阻抗设计，宽度W2、W3其初值分别按特性阻抗37欧母、25欧母设计，并通过仿真优化后确定。

3.根据权利要求1所述的超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，其特征在于，所述微带传输线M1～M8的对应长度L1～L8由工作频段中心频率或电路布局决定，其中L2、L3、L7的长度设为TR组件带宽中心频率的四分之一波长，L4的长度设为TR组件高频段工作时的中心频率的四分之一波长，L4+L5的总长度设为TR组件低频段工作时的中心频率的四分之一波长，L1、L6、L8的长度根据电路布局决定，最后通过仿真优化后确定各长度的具体值。

4.根据权利要求1所述的超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，其特征在于，所述GaN基FET1～3管芯为开关管芯，其器件参数由电路的工作频段、承受功率及通带插损需求决定，控制信号电压为0V/(-20V～-40V)，其中0V时FET开关管导通，-20V～-40V时FET开关管截止。

5.根据权利要求1所述的超宽带TR组件高效率低谐波发射电路，其特征在于，所述控制信号K1～K3为GaN大功率开关的控制信号，其逻辑关系和电压由外部逻辑电路和驱动器产生。

6.一种如权利要求1～5任一所述超宽带TR组件高效率低谐波发射电路的实现方法，其特征在于，包括步骤：

当工作在接收状态时，控制信号K1、K2为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET1管芯和GaN基FET2管芯工作在截止状态；控制信号K3为0V，使GaN基FET3管芯工作在导通状态，此时微带传输线M7相当于短路短截线，通过将微带传输线M7的长度L7初值设为超宽带TR组件工作频段中心频率四分之一波长，从微带传输线M3的第三端口(3)看向微带传输线M7时的阻抗等效为扼流电感，从而使整个GaN大功率开关(12)工作在接收状态，天线接收到的信号经GaN大功功率开关(12)进入到限幅低噪声放大器LNA和收发公共通道P1后从公共端口P2输出；

或当工作在发射高频段时，使控制信号K3为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET3管芯工作在截止状态；控制信号K1和K2为0V，使GaN基FET1管芯和GaN基FET2管芯工作在导通状态，此时微带传输线M4相当于短路短截线，通过将微带传输线M4的长度L4初值设为发射高频段信号中心频率的四分之一波长，那么从微带传输线M3的第二端口(2)看向微带传输线M4时，在高频段频率范围内其阻抗等效为感抗，在高频段频率的二次频段其阻抗则等效为容抗，发射信号流程是发射信号经公共端口P2进入发射通道，经功率放大器PA后进入GaN大功率开关(12)，最后经公共端口P1输出；

或当工作在发射低频段时，使控制信号K2、控制信号K3为低电压，其电压范围可在-20V～-40V之间，使GaN基FET2管芯和GaN基FET3管芯工作在截止状态；控制信号K1为0V，使GaN基FET1管芯工作在导通状态，此时微带传输线M4串联微带传输线M5后相当于短路短截线，通过将微带传输线M4的长度L4和微带传输线M5的长度L5之和设为发射低频段信号中心频率的四分之一波长，那么从微带传输线M3第二端口(2)看向微带传输线M4时，在低频段频率范围内其阻抗等效为感抗，在低频段频率的二次频段其阻抗则等效为容抗，发射信号流程是发射信号经公共端口P2进入发射通道，经功率放大器PA后进入GaN大功率开关(12)，最后经公共端口P1输出。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述限幅低噪声放大器LNA参数由超宽带TR组件接收通道对应指标要求确定。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率放大器PA的参数由超宽带TR组件发射通道对应指标要求确定。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述收发公共通道的具体功能及参数由超宽带TR组件公共通道对应指标要求确定。

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