CN114400981A - 一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，包括介质基板上表面的输出谐波控制电路、输出基波匹配电路、输入谐波控制电路、输入基波匹配电路、晶体管、输入隔直流电容和输出隔直流电容，下表面的金属地。根据对偶复合左右手结构的等效电路，在两个工作频率的二倍频处分别组成串联LC谐振和并联LC谐振，让匹配结构在两个工作频率的二倍频产生传输零点，实现双频二次谐波调谐；借助二次谐波零点，谐波匹配电路和基波匹配电路可以相互隔离，这样能单独设计双频谐波匹配电路和双频基波匹配电路，不需要同时考虑四个频率(两个基频和两个二次谐波频率)，从而简化双频匹配电路的设计复杂度，实现结构简单、高效率双频功率放大器。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，属于射频与微波电路和无线通信领域。
背景技术
近年来，随着现代通信技术的飞速发展，越来越多分布在不同频段的通信标准被不断提出，这要求通信系统能以小型化、低成本方式实现高性能的多频工作模式，对系统中各模块也提出了更高的要求。功率放大器作为射频前端的重要组成部分，消耗系统的大部分能量，它对整个系统的性能有重大影响，各种类型的功率放大器也朝着多性能、低成本、集成化的方向发展。双频功率放大器可以有效减少发射通道的个数，增加系统对不同标准的兼容性；高效率功率放大器可以有效减少系统功耗，降低工作成本，节能环保；因此能同时实现双频工作和高效率性能的功率放大器设计方法成为了功率放大器领域的研究热点。
在多种功率放大器中，谐波控制型功率放大器因其电路易实现、工作效率高、工作频率高等优点，被广泛地应用到微波系统中，但由于谐波控制型功率放大器对晶体管的基波和谐波阻抗都有要求，单频工作时匹配网络就要同时匹配多个阻抗，在双频工作时阻抗数量还要翻倍，常规方法较难实现。与此同时，复合左右手结构具有尺寸小、损耗低、设计灵活的优势，它还可以同时工作于多个频率，并用常规微带加工工艺实现。本发明将提出一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器的设计方法，可在高低两个不同频段同时控制二次谐波阻抗，并匹配基波阻抗，且两个频带内效率性能的一致性较好，具备结构简单、成本低、效率高等特点，有利于多频段和绿色节能应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，该功率放大器可以在高低两个同频段同时控制二次谐波阻抗，并匹配基波阻抗，且两个频带内效率性能的一致性较好。该功率放大器结构简单、易于加工、效率高、成本低，采用一个谐波控制电路和一个基波匹配电路即可实现双频高效率工作，在现代无线通信领域有广泛的应用前景。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，该双频高效率功率放大器包括介质基板，所述介质基板的上表面有输出谐波控制电路、输出基波匹配电路、输入谐波控制电路、输入基波匹配电路、晶体管、输入隔直流电容和输出隔直流电容，所述介质基板的下表面有金属地；所述晶体管的栅极与输入谐波控制电路相连，漏极与输出谐波控制电路相连；所述输出谐波控制电路由第一对偶复合左右手单元和第一串联微带线组成，所述第一对偶复合左右手单元通过第一串联微带线与晶体管的漏极相连；所述输入谐波控制电路由第二对偶复合左右手单元和第二串联微带线组成，所述第二对偶复合左右手单元通过第二串联微带线与晶体管的栅极相连；所述输出基波匹配电路的一端与第一对偶复合左右手单元相连，另一端与输出隔直流电容相连；所述输入基波匹配电路的一端与输入隔直流电容相连，另一端与第二对偶复合左右手单元相连。
作为本发明的进一步方案：所述第一、第二对偶复合左右手单元均包含一个交指电容和两条微带线电感，两条所述微带线电感对称分布在交指电容的两侧，且两条所述微带线电感并联在交指电容的两端。
作为本发明的进一步方案：所述第一、第二对偶复合左右手单元均包含一个交指电容以及并联在其两端的一条微带线电感。
作为本发明的进一步方案：对偶复合左右手单元中交指电容的栅指数、指长度、指宽度、指间距可以改变；对偶复合左右手单元中微带线电感的线宽、线长、与交指电容的相对位置可以改变。
作为本发明的进一步方案：所述输出基波匹配电路是以下任意一种匹配结构：一条串联微带线的匹配结构、L型枝节匹配、级联多枝节匹配、T型枝节匹配、π型枝节匹配；所述输入基波匹配电路是以下任意一种匹配结构：两条串联微带线串联而成的匹配结构、L型枝节匹配、级联多枝节匹配、T型枝节匹配、π型枝节匹配。
作为本发明的进一步方案：该双频高效率功率放大器还包括稳定电路；所述稳定电路串接在第二对偶复合左右手单元和第二串联微带线之间，或输入谐波控制电路与晶体管栅极之间，或输入谐波控制电路与输入基波匹配电路之间。
作为本发明的进一步方案：所述稳定电路由并联的电容和电阻构成，该并联结构的两端分别与第二对偶复合左右手单元、第二串联微带线相连。
作为本发明的进一步方案：该双频高效率功率放大器还包括由第一微带线和第一并联电容组成的漏极供电电路，给晶体管的漏极提供电压；所述第一并联电容通过第一微带线与第一对偶复合左右手单元相连，或与晶体管漏极相连，或与输出基波匹配电路相连。
作为本发明的进一步方案：该双频高效率功率放大器还包括由第二微带线和第二并联电容组成的栅极偏置电路，给晶体管的栅极提供电压；所述第二并联电容通过第二微带线与第二串联微带线相连，或与晶体管栅极相连，或与输入基波匹配电路相连。
作为本发明的进一步方案：所述第一并联电容或第二并联电容通过金属化通孔与介质基板下表面的金属地相连。
作为本发明的进一步优化方案：介质基板的介电常数为1到20。
作为本发明的进一步优化方案：第一微带线和第二微带线为L型微带线。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明利用对偶复合左右手单元的多谐振特性，采用由一个对偶复合左右手单元和一段串联微带线构成的谐波控制电路，只用一个简单结构就能同时控制两个工作频率的二次谐波阻抗，达到高效率的效果，并具有较高的设计自由度。与此同时，根据晶体管的阻抗分布状态，借助微带线阻抗变换理论，通过利用两段串联微带线结构和L型微带线结构，分别匹配两个基波频率的阻抗，实现双频工作的效果。该功率放大器电路结构简单、易于加工实现，无需外加额外结构即可实现稳定的双频高效率特性，在无线通信领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是功率放大器的正面结构俯视图；
图2是输出谐波控制电路和输入谐波控制电路的结构示意图，其中(a)是输出谐波控制电路的结构示意图，(b)是输入谐波控制电路的结构示意图；
图3是采用ADS软件计算的功率放大器的散射参数特性；
图4是采用ADS软件计算的功率放大器功率和效率特性；
其中，1是输出谐波控制电路，2是输出基波匹配电路，3是输入谐波控制电路，4是输入基波匹配电路，5是晶体管，6是稳定电路，7是漏极供电电路，8是栅极偏置电路，9是介质基板，11是金属化通孔，1-1、3-1是交指电容，1-2、3-2是微带线电感，，1-3、3-3是串联微带线，7-3、8-3是与外接电源相连的焊盘，10-1、10-2是隔直流电容，10-3、10-4是与外部电路相连的馈线、12是用于将介质基板和散热模块固定连接的螺丝孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明涉及了一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，可以在高低两个同频段同时控制二次谐波阻抗，并基波匹配效果良好，在两个频带内性能的一致性较好。该功率放大器结构简单、易于加工、效率高、成本低，具有双频段和高效率的优势，在现代无线通信领域有广泛的应用前景。
在一个实施例中，对照附图1、图2，一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器的结构是：在介质基板9的上表面设有输出谐波控制电路1、输出基波匹配电路2、输入谐波控制电路3、输入基波匹配电路4、晶体管5、输入隔直流电容10-2和输出隔直流电容10-1、漏极供电电路7和栅极偏置电路8，所述介质基板9的下表面设有金属地；晶体管5的栅极与输入谐波控制电路3相连，漏极与输出谐波控制电路1相连。
在一个实施例中，如图2中的(a)所示，输出谐波控制电路1由对偶复合左右手单元和串联微带线1-3组成，对偶复合左右手单元通过串联微带线1-3与晶体管5的漏极相连。
在一个实施例中，如图2中的(b)所示，输入谐波控制电路3由对偶复合左右手单元和串联微带线3-3组成，所述第二对偶复合左右手单元通过第二串联微带线3-3与晶体管5的栅极相连。
本实施例中，输出谐波控制电路1只需要一个对偶复合左右手单元即可同时实现对双频谐波零点控制，输入谐波控制电路3也只需要一个对偶复合左右手单元即可同时实现对双频谐波零点控制，不需要在输入端和输出端特别针对两个谐波频率单独设计控制电路，且效率较普通高效率功率放大器并未降低。
在一个实施例中，输出基波匹配电路2的一端与对偶复合左右手单元相连，另一端与输出隔直流电容10-1相连。其中输出基波匹配电路2可以是以下任意一种匹配结构：一条串联微带线的匹配结构、L型枝节匹配、级联多枝节匹配、T型枝节匹配、π型枝节匹配等。
在一个实施例中，输入基波匹配电路4的一端与输入隔直流电容10-2相连，另一端与对偶复合左右手单元相连。其中输入基波匹配电路4是以下任意一种匹配结构：两条串联微带线串联而成的匹配结构、L型枝节匹配、级联多枝节匹配、T型枝节匹配、π型枝节匹配等。
在一个实施例中，对偶复合左右手单元包含一个交指电容1-1和两条微带线电感1-2，两条所述微带线电感1-2对称分布在交指电容1-1的两侧，且两条所述微带线电感1-2并联在交指电容1-1的两端。其中，微带线电感不局限于两条微带线与交指电容1-1两端相连，也可以只有一条微带线与交指电容1-1两端相连；不局限于直线形式，也可以是弯折线形式。
在一个实施例中，对偶复合左右手单元均包含一个交指电容1-1以及并联在其两端的一条微带线电感1-2。其中，交指电容1-1的交指数不局限于两对，也可以是一对、三对等其他数量，与其串联的微带线1-3也可以是由多段特征阻抗和电长度不同的微带线组成。
在一个实施例中，该双频高效率功率放大器还包括稳定电路6；所述稳定电路6串接在对偶复合左右手单元和串联微带线3-3之间，或输入谐波控制电路3与晶体管(5)栅极之间，或输入谐波控制电路3与输入基波匹配电路4之间。稳定电路6由并联的电容和电阻构成，该并联结构的两端分别与对偶复合左右手单元、串联微带线3-3相连。
在一个实施例中，漏极供电电路7由微带线7-1和并联电容7-2组成的；并联电容7-2通过微带线7-1与对偶复合左右手单元相连，或与晶体管5漏极相连，或与输出基波匹配电路2相连。
在一个实施例中，栅极偏置电路8由微带线8-1和并联电容8-2组成的；并联电容8-2通过微带线8-1与串联微带线3-3相连，或与晶体管5栅极相连，或与输入基波匹配电路4相连。
在一个实施例中，并联电容7-2或并联电容8-2通过金属化通孔11与介质基板下表面的金属地相连。
在实际使用时，输入隔直流电容10-2、输出隔直流电容10-1分别通过输入馈线10-4和输入出馈线10-3与外部电路相连接。金属化通孔11用于将介质基板9上下表面的地相连通，可以为栅极偏置电路8和漏极供电电路7中使用的并联电容7-2或8-2提供接地点。7-3、8-3是直流电源的焊盘，在实际使用中与外接直流电源相连接。介质基板9上挖空的圆孔12用于在实际使用时将介质基板9与外部的散热模块用螺丝固定连接。
在一个实施例中，采用Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508mm。稳定电路6的贴片电阻和贴片电容分别为16Ω和8.2pF。输入谐波控制电路中的交指电容有两对栅指，栅指宽0.96mm，栅指长4.85mm，栅指间距0.2mm，交指电容上下的微带线宽0.74mm，长11.87mm，距离交指电容1.55mm；交指电容左边两端微带线的长和宽分别为8.8mm、1.47mm和33.1mm、8.95mm。输出谐波控制电路电路中的交指电容有两对栅指，栅指宽1.08mm，栅指长2.97mm，栅指间距0.2mm，交指电容上下的微带线宽2.09mm，长10.99mm，距离交指电容1.51mm；交指电容右边的微带线长和宽分别为13.8mm、2.95mm。利用ADS软件仿真计算得到了功率放大器各项特性：
图3是采用ADS软件计算的功率放大器散射参数特性，该功率放大器在2.26-2.38GHz的频段内，输入反射系数在-5dB以下，输出反射系数在-7dB以下，增益在18.5dB以上。在3.2-3.5GHz的频段内，输入反射系数在-5dB以下，输出反射系数在-7dB以下，增益在16.1dB以上；
图4是采用ADS软件计算的功率放大器的功率和效率特性。由图可见，功功率放大器在2.22-2.45GHz的频带内，功率附加效率大于70％，输出功率大于39.6dBm。在3.43-3.53GHz的频带内，功率附加效率大于70％，输出功率大于40.8dBm。在两个工作频带内性能具有较好的一致性。
综上所述，本发明一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，采用一个对偶复合左右手单元就可以控制两个频率的谐波阻抗，并能对基波和谐波阻抗进行准确匹配，提高双频功率放大器的效率，实现两个频带性能一致性较好的双频高效率功率放大器。该功率放大器结构简单、易于加工、效率高、成本低，具有双频段和高效率的优势，在现代无线通信领域有广泛的应用前景。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：该双频高效率功率放大器包括介质基板(9)，所述介质基板(9)的上表面有输出谐波控制电路(1)、输出基波匹配电路(2)、输入谐波控制电路(3)、输入基波匹配电路(4)、晶体管(5)、输入隔直流电容(10-2)和输出隔直流电容(10-1)，所述介质基板(9)的下表面有金属地；
所述晶体管(5)的栅极与输入谐波控制电路(3)相连，漏极与输出谐波控制电路(1)相连；所述输出谐波控制电路(1)由第一对偶复合左右手单元和第一串联微带线(1-3)组成，所述第一对偶复合左右手单元通过第一串联微带线(1-3)与晶体管(5)的漏极相连；
所述输入谐波控制电路(3)由第二对偶复合左右手单元和第二串联微带线(3-3)组成，所述第二对偶复合左右手单元通过第二串联微带线(3-3)与晶体管(5)的栅极相连；
所述输出基波匹配电路(2)的一端与第一对偶复合左右手单元相连，另一端与输出隔直流电容(10-1)相连；
所述输入基波匹配电路(4)的一端与输入隔直流电容(10-2)相连，另一端与第二对偶复合左右手单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：所述第一、第二对偶复合左右手单元均包含一个交指电容(1-1)和两条微带线电感(1-2)，两条所述微带线电感(1-2)对称分布在交指电容(1-1)的两侧，且两条所述微带线电感(1-2)并联在交指电容(1-1)的两端。
3.根据权利要求1所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：所述第一、第二对偶复合左右手单元均包含一个交指电容(1-1)以及并联在其两端的一条微带线电感(1-2)。
4.根据权利要求1所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：所述输出基波匹配电路(2)是以下任意一种匹配结构：一条串联微带线的匹配结构、L型枝节匹配、级联多枝节匹配、T型枝节匹配、π型枝节匹配；所述输入基波匹配电路(4)是以下任意一种匹配结构：两条串联微带线串联而成的匹配结构、L型枝节匹配、级联多枝节匹配、T型枝节匹配、π型枝节匹配。
5.根据权利要求1所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：该双频高效率功率放大器还包括稳定电路(6)；所述稳定电路(6)串接在第二对偶复合左右手单元和第二串联微带线(3-3)之间，或输入谐波控制电路(3)与晶体管(5)栅极之间，或输入谐波控制电路(3)与输入基波匹配电路(4)之间。
6.根据权利要求5所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：所述稳定电路(6)由并联的电容和电阻构成，该并联结构的两端分别与第二对偶复合左右手单元、第二串联微带线(3-3)相连。
7.根据权利要求1所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：该双频高效率功率放大器还包括由第一微带线(7-1)和第一并联电容(7-2)组成的漏极供电电路(7)；所述第一并联电容(7-2)通过第一微带线(7-1)与第一对偶复合左右手单元相连，或与晶体管(5)漏极相连，或与输出基波匹配电路(2)相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：该双频高效率功率放大器还包括由第二微带线(8-1)和第二并联电容(8-2)组成的栅极偏置电路(8)；所述第二并联电容(8-2)通过第二微带线(8-1)与第二串联微带线(3-3)相连，或与晶体管(5)栅极相连，或与输入基波匹配电路(4)相连。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于对偶复合左右手单元的双频高效率功率放大器，其特征在于：所述第一并联电容(7-2)或第二并联电容(8-2)通过金属化通孔(11)与介质基板下表面的金属地相连。
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2021
- 2021-12-22 CN CN202111578827.7A patent/CN114400981B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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