CN114465584A - 一种双模式超宽带高效率功率放大电路 - Google Patents

一种双模式超宽带高效率功率放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模式超宽带高效率功率放大电路。该功率放大电路有大功率输出和小功率输出两种工作模式，两种工作模式工作在同一频段。其中，双模式工作超宽带匹配网络将开关管芯作为切换元件融合到两种模式共同的输出匹配网络中，利用开关开启和关断的两种不同状态，实现放大电路输出匹配网络的大小功率模式切换。同时为了实现超宽带阻抗匹配，大功放采用多阶电感电容低通网络加并联电感到地的匹配形式，并联电感为了适用不同模式，电感值可以随开关切换改变。该放大电路通过融合设计有效提高了大功率模式下超宽带功率放大器的效率。

Description

一种双模式超宽带高效率功率放大电路
技术领域
本发明涉及一种双模式超宽带高效率功率放大电路，属于射频微波、毫米波电路技术领域。
背景技术
现代电子系统已从单一功能向体系化转变，特别是通讯、探测一体化系统，凭借可实现信号放大的能力，超宽带功率放大器成为了系统中必不可少的核心器件，但通讯和目标探测往往需要不同的工作模式，目标探测需要较高的输出功率，同时希望整机的功耗较小，效率高。通讯系统一般希望线性度较好，但输出功率不需要太大。目前多模式工作的系统大都是采用级联开关切换。系统较为笨重，集成度不高。并且传统通过开关切换实现多模的方式中，开关和功率放大器为单独设计后级联，开关的损耗直接叠加到功放的输出端，这样系统的效率很难提升。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种双模式超宽带高效率功率放大电路。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种双模式超宽带高效率功率放大电路，包括单刀双掷开关、第一模式支路、第二模式支路和双模式超宽带输出匹配电路；单刀双掷开关的活动端作为功率放大电路的输入端，两个固定端分别与第一模式支路和第二模式支路的输入端相连，第一模式支路和第二模式支路的输出端子分别连接双模式超宽带输出匹配电路的两个输入端子和，双模式超宽带输出匹配电路的输出端子作为功率放大电路的输出端。
优选地，所述第一模式支路包括输入匹配网络、n个晶体管以及n-1个级间匹配网络，n为大于等于1的整数，n个晶体管依次串联，当n大于等于2时，相邻两个晶体管之间串联一个级间匹配网络，第一个晶体管的栅极连接输入匹配网络的输出端子，最后一个晶体管的漏极作为第一模式支路的输出端子，所有晶体管的源极均连接地。
优选地，所述第二模式支路包括输入匹配网络、m个晶体管以及m-1个级间匹配网络，m为大于等于1的整数，m个晶体管依次串联，当m大于等于2时，相邻两个晶体管之间串联一个级间匹配网络，第一个晶体管的栅极连接输入匹配网络的输出端子，最后一个晶体管的漏极作为第二模式支路的输出端子，所有晶体管的源极均连接地。
优选地，所述晶体管的类型为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管或异质结双极晶体管。
优选地，所述双模式超宽带输出匹配电路包括第一微带线、第一偏置支路、第三微带线、第二电容、第四微带线、复用支路、第六电容和第九微带线、第二偏置支路；所述第一微带线、第三微带线、第四微带线、复用支路、第六电容和第九微带线依次串联，第一微带线的输入端子和第九微带线的输出端子作为双模式超宽带输出匹配电路的两个输入端子，第二电容的一端连接在第三微带线和第四微带线的公共端，另一端连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点，第一偏置支路连接在第一微带线和第三微带线的公共端，第二偏置支路连接在第六电容输出端子和第九微带线的公共端。
优选地，所述第一偏置支路包括第一电容和第二微带线，所述第二微带线的一端与第一微带线和第三微带线的公共端连接，另一端与第一偏置电压源连接，第一电容的一端与第二微带线和第一偏置电压源的公共端连接，另一端连接双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点。
优选地，所述复用支路包括第三电容、第一晶体管、第四电容、第五电容、第五微带线、第二晶体管、第六微带线、第七微带线、第三晶体管和第四晶体管；所述第一晶体管的漏极串联第三电容后与第四微带线的输出端连接，源极连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点，栅极接第一控制电压源；第四电容一端与第四微带线输出端连接，另一端依次串联第五微带线、第六微带线和第七微带线后与第六电容连接；第五电容的一端连接在第四电容与第五微带线的公共端，另一端作为双模式超宽带输出匹配电路的输出端；所述第二晶体管的漏极连接在第五微带线和第六微带线的公共端，源极连接在第六微带线和第七微带线的公共端，栅极接第二控制电压源，所述第三晶体管和第四晶体管的漏极共同连接在第七微带线和第六电容的公共端，源极共同连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点，栅极分别接第三控制电压源和第四控制电压源。
优选地，所述第二偏置支路包括第七电容和第八微带线；所述第八微带线的一端连接在第六电容和第九微带线的公共端，另一端连接第二偏置电压源，第七电容的一端连接在第八微带线与第二偏置电压源的公共端，另一端连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点。
优选地，所述双模式超宽带高效率功率放大电路的实现形式为单片集成电路或混合集成电路。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明通过开关开启和关断的两种不同状态，实现超宽带功放电路的大小功率模式切换，实现了通讯和探测不同功率模式的应用需求。
本发明通过把开关融入到输出匹配电路中，充当电路匹配支节，跟传统功率放大器级联开关相比，大大降低了输出匹配电路的损耗，同时为了拓宽带宽采用多阶电感电容低通网络加并联电感到地的匹配形式，并联电感为了适用不同模式，电感值可以随开关切换改变。提高了超宽带功率放大器的效率。
本发明设计合理，易于实现，同时具有可扩展性，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明一种双模式超宽带高效率功率放大电路；
图2是本发明双模式超宽带输出匹配电路；
图3是实施例中双模式超宽带输出匹配电路的仿真结果；
图4是实施例中功率放大电路双模式工作下大小输出功率的测试结果图，其中（a）为大功率输出测试结果图，（b）为小功率输出测试结果图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
下面结合附图以及具体实施例来对本发明所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路做进一步详细说明。
如图1所示，是本发明一种双模式超宽带高效率功率放大电路，包括单刀双掷开关、第一模式支路和第二模式支路，双模式超宽带输出匹配电路。第一模式支路又包括输入匹配网络、前级晶体管、多个中间级晶体管、级间匹配网络和末级晶体管，第二模式支路同样包括输入匹配网络、前级晶体管、多个中间级晶体管、级间匹配网络和末级晶体管，功率放大器通过双模式超宽带输出匹配电路中第一偏置支路、第二偏置支路分别为第一模式支路的末级晶体管漏极和第二模式支路的末级晶体管漏极提供直流加电。
如图2所示，双模式超宽带输出匹配电路中第一微带线TL1、第三微带线TL3、第四微带线TL4、复用支路、第六电容C6、第九微带线TL9依次串联，第一微带线TL1的输入端子和第九微带线TL9的输出端子作为双模式超宽带输出匹配电路的两个输入端子P1和P9，第二电容C2的一端连接在第三微带线TL3和第四微带线TL4相连接的端子，另一端连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点G1，第一偏置支路连接在第一微带线TL1的输出端子和第一偏置电压源P2之间，第二偏置支路连接在第六电容C6输出端子和第二偏置电压源P8之间。
复用支路中，第一晶体管K1的漏极串联第三电容C3后与第四微带线TL4的输出端子相连接，源极连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点G1，栅极接第一控制电压源P3，第四电容C4一端与第四微带线TL4的输出端子相连接，另一个端依次串联第五微带线TL5、第六微带线TL6、第七微带线TL7后，连接第六电容C6的输入端子，第五电容C5连接在第四电容C4与第五微带线TL5相连接的端子和双模式超宽带输出匹配电路的输出端P4之间，所述第二晶体管K2的漏极连接在第五微带线TL5和第六微带线TL6相连接的端子，源极连接在第六微带线TL6和第七微带线TL7相连接的端子，栅极接第二控制电压源P5，所述第三晶体管K3和第四晶体管K4的漏极共同连接在第七微带线TL7的输出端子，源极都连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点G1，栅极分别接第三控制电压源P6和第四控制电压源P7。
第一偏置支路中，第二微带线TL2连接在第一微带线TL1的输出端子和第一偏置电压源P2之间，第一电容C1连接在第二微带线TL2与第一偏置电压源P2相连接的端子和设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点G1之间。
第二偏置支路中，第八微带线TL8连接在第六电容C6的输出端子和第二偏置电压源P8之间，第七电容C7连接在第八微带线TL8与第二偏置电压源P8相连接的端子和设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点G1之间。
上述前级晶体管、多个中间级晶体管和末级晶体管的物理结构类型可以为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管或异质结双极晶体管。
功率放大电路实现形式为单片集成电路或混合集成电路。
实施例
如图1所示，为双模式超宽带高效率功率放大电路。其频率范围为5-13GHz，包括单刀双掷开关、第一模式支路、第二模式支路和双模式超宽带输出匹配电路。开关的公共端作为功率放大电路的输入端，另外两个端口分别与第一模式支路和第二模式支路的输入端子相连，第一模式支路和第二模式支路的输出端子分别连接双模式超宽带输出匹配电路的两个输入端子。第一模式支路包括输入匹配网络、晶体管一Q1、一二级间匹配网路、晶体管二Q2、二三级间匹配网路和晶体管三Q3，晶体管一Q1的栅极与输入匹配网络的输出端子相连，一二级间匹配网络接于晶体管一Q1的漏极和晶体管二Q2的栅极之间，二三级间匹配网络接于晶体管二Q2的漏极和晶体管三Q3的栅极之间，晶体管三Q3的漏极与双模式超宽带输出匹配电路的一个输入端子P1连接。第二模式支路包括输入匹配网络、晶体管四Q4、一二级间匹配网路和晶体管五Q5，晶体管四Q4的栅极与输入匹配网络的输出端子相连，一二级间匹配网络接于晶体管四Q4的漏极和晶体管五Q5的栅极之间，晶体管五Q5的漏极与双模式超宽带输出匹配电路的另一个输入端子P9连接，双模式超宽带输出匹配电路中第一偏置支路、第二偏置支路分别为第一模式支路的晶体管三Q3漏极和第二模式支路的晶体管五Q5漏极提供直流加电。上述中，第一模式支路和第二模式支路中的输入匹配网络和一二级间匹配网络电路结构可不相同，支路中的晶体管源极全部接地。
图1中，当单刀双掷开关在第一模式支路导通时，且图2双模式超宽带输出匹配电路中晶体管K1和K2栅极施加负压，晶体管K3、K4栅极接0V电，双模式超宽带输出匹配电路参与第一模式支路进行匹配，实现12W的大功率输出，当单刀双掷开关在第二模式支路导通时，且双模式超宽带输出匹配电路中晶体管K1和K2栅极接0V，晶体管K3、K4栅极施加负压时，双模式超宽带输出匹配电路参与第二模式支路进行匹配，实现0.5W的小功率输出。
图3是图2中双模式超宽带输出匹配电路在大功率模式下的匹配结果，从匹配结果可以看出，在5-13GHz超宽带范围内该输出匹配网络有较好的匹配结果。也可以说明该结构适合超宽带阻抗匹配的应用场合。
图4是图1中功率放大电路双模式下输出功率和效率的测试结果图，其中（a）为大功率输出测试结果图，（b）为小功率输出测试结果图结果，可以看出。应用本发明的双模式功率放大电路在5-13GHz频率范围，在大功率工作模式下有12W的功率输出，附加效率有35%；小功率工作模式下有0.5W的功率输出，平坦度优于±1dB。本发明的双模式超宽带高效率匹配电路适用于射频微波毫米波超宽带双模式的应用场合。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，包括单刀双掷开关、第一模式支路、第二模式支路和双模式超宽带输出匹配电路；单刀双掷开关的活动端作为功率放大电路的输入端，两个固定端分别与第一模式支路和第二模式支路的输入端相连，第一模式支路和第二模式支路的输出端子分别连接双模式超宽带输出匹配电路的两个输入端子和，双模式超宽带输出匹配电路的输出端子作为功率放大电路的输出端。
2.根据权利要求1所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述第一模式支路包括输入匹配网络、n个晶体管以及n-1个级间匹配网络，n为大于等于1的整数，n个晶体管依次串联，当n大于等于2时，相邻两个晶体管之间串联一个级间匹配网络，第一个晶体管的栅极连接输入匹配网络的输出端子，最后一个晶体管的漏极作为第一模式支路的输出端子，所有晶体管的源极均连接地。
3.根据权利要求1所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述第二模式支路包括输入匹配网络、m个晶体管以及m-1个级间匹配网络，m为大于等于1的整数，m个晶体管依次串联，当m大于等于2时，相邻两个晶体管之间串联一个级间匹配网络，第一个晶体管的栅极连接输入匹配网络的输出端子，最后一个晶体管的漏极作为第二模式支路的输出端子，所有晶体管的源极均连接地。
4.根据权利要求2或3所述所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述晶体管的类型为结型场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、异质结场效应晶体管、双极结型晶体管或异质结双极晶体管。
5.根据权利要求1所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述双模式超宽带输出匹配电路包括第一微带线、第一偏置支路、第三微带线、第二电容、第四微带线、复用支路、第六电容和第九微带线、第二偏置支路；所述第一微带线、第三微带线、第四微带线、复用支路、第六电容和第九微带线依次串联，第一微带线的输入端子和第九微带线的输出端子作为双模式超宽带输出匹配电路的两个输入端子，第二电容的一端连接在第三微带线和第四微带线的公共端，另一端连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点，第一偏置支路连接在第一微带线和第三微带线的公共端，第二偏置支路连接在第六电容输出端子和第九微带线的公共端。
6.根据权利要求5所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述第一偏置支路包括第一电容和第二微带线，所述第二微带线的一端与第一微带线和第三微带线的公共端连接，另一端与第一偏置电压源连接，第一电容的一端与第二微带线和第一偏置电压源的公共端连接，另一端连接双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点。
7.根据权利要求5所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述复用支路包括第三电容、第一晶体管、第四电容、第五电容、第五微带线、第二晶体管、第六微带线、第七微带线、第三晶体管和第四晶体管；所述第一晶体管的漏极串联第三电容后与第四微带线的输出端连接，源极连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点，栅极接第一控制电压源；第四电容一端与第四微带线输出端连接，另一端依次串联第五微带线、第六微带线和第七微带线后与第六电容连接；第五电容的一端连接在第四电容与第五微带线的公共端，另一端作为双模式超宽带输出匹配电路的输出端；所述第二晶体管的漏极连接在第五微带线和第六微带线的公共端，源极连接在第六微带线和第七微带线的公共端，栅极接第二控制电压源，所述第三晶体管和第四晶体管的漏极共同连接在第七微带线和第六电容的公共端，源极共同连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点，栅极分别接第三控制电压源和第四控制电压源。
8.根据权利要求5所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述第二偏置支路包括第七电容和第八微带线；所述第八微带线的一端连接在第六电容和第九微带线的公共端，另一端连接第二偏置电压源，第七电容的一端连接在第八微带线与第二偏置电压源的公共端，另一端连接设定双模式超宽带输出匹配电路基准电位的接地点。
9.根据权利要求1所述一种双模式超宽带高效率功率放大电路，其特征在于，所述双模式超宽带高效率功率放大电路的实现形式为单片集成电路或混合集成电路。
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