CN114567269A - 一种基于温度补偿的宽带高功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于温度补偿的宽带高功率放大器结构，属于高功率放大器领域。结构包括两部分：一是温度补偿部分，它包含电压线性降低电路、电压等比放大电路、电阻分压电路；二是高功率放大器部分，它包含功率分配/合成网络和两路功放支路。其中，温度补偿部分能使输出电压随温度线性变化，随后对输出电压稳定放大，并根据需求调整输出电压分配。功率分配/合成网络采用威尔金森结构；两路功放支路采用多节λ/4阶梯阻抗变换网络，在拓宽带宽的同时实现滤波性能。本发明针对高功率放大器在高温情况下直流特性会恶化，设计温度补偿电路，改善其直流特性，从而优化高功率放大器的效率、增益、功率等性能。
Description
技术领域
本发明属于高功率放大器领域，涉及一种基于温度补偿的宽带高功率放大器。
背景技术
如今，高功率放大器在无线通信和测试仪器领域有着重要的应用。例如，当进行长距离的高数据传输时，需要无线通信系统中所使用的功率放大器具有更高的线性输出功率来支撑数据的传输；同样，在测试仪器领域中最典型的当属汽车EMC测试功放，测试所用的功放最大的特性便是高功率，用于满足测试系统的需求。
当前高功率放大器选用材料最广的当属AlGaN/GaN材料。当GaN HEMT在较大漏极电压下工作时,其本身将会产生一定量的功率耗散，而这部分耗散功率将会在器件内部产生相应的热量使得器件的结温有一个非常明显的升高，而结温的提升不仅仅会影响到器件的直流特性，同样会加速器件自身的失效。为了改善直流特性的恶化，设计一种改变栅极电压从而弥补功放直流特性的结构。
鉴于此，设计一种基于温度补偿的宽带高功率放大器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于温度补偿的宽带高功率放大器。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于温度补偿的宽带高功率放大器，包括：温度补偿部分、高功率放大器部分。其中，
温度补偿部分：依次为电压线性降低、电压等比放大、电阻分压电路。
电压线性降低电路使用LMT70模拟温度传感器作为核心器件，能够使输出电压进行线性变化；电压等比放大电路中采用运算放大器对输出电压进行放大；电阻分压电路则使用了电阻比为1：5进行分压。
高功率放大器部分：依次为功率分配/合成网络、两路功放支路。
功率分配/合成网络使用威尔金森功分结构，采用二阶的目的是拓展工作带宽，具有更好的功分/合成效果。
功率分配网络：使用等分威尔金森功分结构，将输入信号以1：1的功分比分别输入上下两路相同的功分支路。
上支路功放：栅极偏置网络、输入匹配网络、功放管、漏级偏置网络、输出匹配网络以及用于连接的微带线和耦合、隔直电容，上支路功放属于AB类。
下支路功放：栅极偏置网络、输入匹配网络、功放管、漏级偏置网络、输出匹配网络以及用于连接的微带线和耦合、隔直电容，下支路功放属于AB类。
功率合成网络：将功率分配网络反接，同样使用二阶的威尔金森功分结构，将上支路与下支路输出的信号进行合成并输出。
输入和输出匹配网络均采用多节λ/4阶梯阻抗变换网络。该匹配网络拥有宽带匹配的性能，并且反射系数较低，可提高功放其他性能参数，如输出功率和效率；同时带通滤波器结构有一定谐波抑制作用，也能进一步提高功放的效率。
优选的，所述温度补偿电路使用LMT70模拟温度传感器，其具有较宽的温度变化范围以及精度高的特点，能够产生线性的电压变化；使用运算放大器进行电压叠加简洁有效；电阻分压可根据所需的变化量自由调节电阻比达到需要的幅值。
进一步，所述功率分配/合成网络均采用二阶威尔金森功分器。
优选的，所述功率分配/合成网络由两段对称的半圆弧结构微带线以及不同阻值的电阻所构成；两者均为等分结构，端口阻抗均为50Ω。
进一步，所述栅极偏置网络和漏极偏置网络包括串联的隔直电容、微带线，以及并联的接地电容和耦合电容。
优选的，所述栅极偏置网络和漏极偏置网络中的微带线长度为λ/4。具体的，上下两功放支路的栅极偏置网络和漏极偏置网络微带线的宽度均设置为1.1mm。所选用的微带线长度为λ/4，其阻抗远大于功放的输入和输出阻抗，并联进输入和输出网络时，对输入和输出匹配性能影响较小；同时，在所有偏置网络上并联一个容值为22nF的耦合电容，避免交流信号通过，并且在直流电源供电端并联多个容值分别为pF、nF、μF数量级的接地电容，滤除电源中各种杂波，避免形成干扰。
进一步，上支路功放和下支路功放结构相同，通过功率分配/合成网络并联，效率、输出功率等功放性能均相同。
优选的，宽带高功率放大器可选用基于第三代半导体材料GaN的芯片，在工作频段1～2GHz内，饱和输出功率大于200W，饱和功率附加效率大于50％。
本发明的有益效果在于：
1)功放管在室温下的静态工作点位于线性区，但器件工作在高电压、大电流条件下引起的自热效应后，工作点产生偏移，不再位于线性区，加入温度补偿电路改变功放的栅极电压从而影响漏级电流，来对工作点的偏移进行补偿。
2)本发明选用了多节λ/4阶梯阻抗变换网络进行宽带匹配网络的设计，带通滤波器结构不仅能良好实现宽带匹配，而且也具有一定的谐波抑制作用，可以提高功放的效率，因此该结构能有效实现功放宽带、高效率及大功率输出。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述的温度补偿电路的总体框图；
图2为本发明所述的宽带高功率放大器的总体框图；
图3为本发明所述的宽带高功率放大器的功率分配器结构图；
图4为本发明所述的宽带高功率放大器的功率合成器结构图；
图5为本发明所述的宽带高功率放大器的栅极偏置结构图；
图6为本发明所述的宽带高功率放大器的漏级偏置结构图；
图7为本发明所述的宽带高功率放大器的输入匹配网络结构图；
图8为本发明所述的宽带高功率放大器的输出匹配网络结构图；
图9为本发明所述的温度补偿电路电压随温度变化结果图；
图10为本发明所述的宽带高功率放大器S参数的仿真结果对比图；
图11为本发明所述的宽带高功率放大器增益的仿真结果对比图；
图12为本发明所述的宽带高功率放大器功率附加效率的仿真结果对比图；
图13为本发明所述的宽带高功率放大器饱和输出功率的仿真结果对比图；
附图1标记：1-电压线性降低电路，2-电压放大电路，3-电阻分压电路，
附图2标记：1-功率分配网络，2-功率合成网络，3-上支路功放，4-下支路功放，5、9-栅极偏置网络，6、10-漏级偏置网络，7、11-输入匹配网络，8、12-输出匹配网络。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例中温度补偿电路，使用元器件的简单搭建，能够完成对恒定电压源随温度的变化情况，易于实现。其设计过程为：首先采用LMT70模拟温度传感器对电压进行初步线性变化，这里的LMT70的输出斜率为-5.19mV/℃，但其输出电压幅值不能满足需求，然后采用运算放大电路进行电压放大，满足条件后采用使用电阻分压模块来满足输出斜率为-0.5mV/℃的需求。具体设计步骤如下：
步骤一：使用LMT70模拟温度传感器搭建对应的仿真电路可得到电压V1o：
步骤二：搭建运算放大电路，将电压V1o带入下列公式得到Vo：
步骤三：将式(1)中得到的Vo带入式(2)中即可得到所需的输出斜率：
电路中具体的电压值、电阻值如表1所示，图1中V表示电压源，R表示电阻。
表1温度补偿电路中电压值以及电阻值表
如图3所示，本实施例中功分器使用威尔金森功分器原型进行设计，并选用二阶威尔金森功分器来扩展工作带宽。由两段对称的半圆弧结构微带线以及不同阻值的电阻所构成，在具体实施中也采用Rogers 4350B作为板材，所以第一段半圆弧的宽度为0.476mm，半径为8.968mm，第二段半圆弧的宽度为0.75mm，半径为9.4mm，该功分器所有直线型微带线的具体宽度和长度，圆弧型微带线的宽度和半径，以及电路中的电阻阻值如表2所示，图3中TL表示直线型微带线，Curve表示圆弧型微带线，R表示电阻。
表2功分器中微带线的尺寸及电容容值表
如图4所示，本实施例中合成器也采用二阶威尔金森功分器原型设计。合成器的结构采用图3中相同的的功分器结构设计，只是端口方向相反，该合成器所有直线型微带线的具体宽度和长度，圆弧型微带线的宽度和半径，以及电路中的电阻阻值也如表2所示。
如图7所示，本实施例中输入匹配网络采用多节λ/4阶梯阻抗变换。对于单一频率或窄频带的阻抗匹配而言，一般单节提供的带宽能够满足要求。但若是要求在宽带内实现阻抗匹配，就必须采用多节才能够满足要求。本实施例中在实现宽频带的同时具有一定的滤波作用，具有更好的匹配性能。其设计过程为：首先根据源阻抗与负载阻抗选择合适的阻抗比，然后根据阻抗比、相对带宽以及带内驻波比选择对应的节数，再根据所选取的节数来确定各节的特性阻抗，最后将特性阻抗与电长度转换为对应微带线具体的线长与线宽。具体设计步骤如下：
步骤一：根据下列公式求得：
其中，fo是中心频率，wo是相对宽度。
步骤二：根据下列公式求得阻抗比R：
步骤三：本实施例中根据R、wo选择四节阻抗变化。然后查表选择Z1、Z2，由变阻结构前后关系，有：
z3＝R/z2
z4＝R/z1 (7)
步骤四：根据上述公式在得到微带线的电长度与特性阻抗后，可以使用ADS软件的LinCalc功能，可计算出微带线的长度L和宽度W。
基于上述设计方法，选定合适的带宽值、源阻抗以及负载阻抗后，微带线都采用Rogers4350B作为板材，基板的相对介电常数εr＝3.66，厚度h＝0.508mm，便可计算出微带线的长度和宽度。所有微带线的具体宽度和长度，以及电路中的电容值如表3所示，图7中TL表示直线型微带线，C表示电容。
表3输入匹配网络中微带线的长度及电容值表
如图8所示，本实施例中输出匹配网络设计过程与图7所示的输入匹配网络设计过程一致，在具体实施中也采用Rogers 4350B作为板材，因此所有微带线的具体宽度和长度，以及电路中的电容值如表4所示，图8中TL表示直线型微带线，C表示电容。
表4输出匹配网络中微带线的长度及电容值表
仿真实验：
如图9所示，为本发明提出温度补偿电路的输出电压随温度的变化情况。可以得到，在25～125℃内，输出电压从2.9V开始降低，降低的斜率为-0.5mV/℃。根据功放管直流特性仿真的理论推导，需要栅极电流随温度变化的斜率为0.5mV/℃方能满足直流特性的需求。电压源在经过温度补偿电路的调解后能够满足直流特性的需求。
在几个结果图中，温度25℃、栅极电压-2.9V，代表着室温条件未加温补电路下功放正常工作；温度125℃、栅极电压-2.9V，代表未加温补电路时功放处于高温下工作；温度125℃、栅极电压-2.85V，代表加入温补电路功放处于高温下工作。
如图10所示，为本发明提出的宽带高功率放大器小信号S参数的仿真结果对比。可以得到，当栅极电压为-2.9V，温度为25℃时，在工作频段1～2GHz内，S21为14～15.8dB，但当电压不变，温度升高到125℃时，S21变化为12.8～15.4dB，性能有所恶化，但加上温补电路后，随着温度的升高，栅极电流降低，此时S21变化为13.3～15.8dB，与电压改变前相比较，整体提高了近1dB。
如图11所示，为本发明提出的宽带高功率放大器增益的仿真结果。这里选择了1.5GHz来进行比较，当输入功率为41dBm时，大信号的增益为12.53dB，当电压不变，温度为125℃时，增益为11.61dB，加入补偿电路后，增益为12.66dB。其增益性能受到外接电路的补偿，性能良好，可为汽车电子EMC测试系统准确地提供功率。
如图12所示，为本发明提出的宽带高功率放大器功率附加效率的仿真结果。选择1.5GHz作为工作频点，当输入功率为41dBm时，大信号的饱和功率附加效率为66.73％，当电压不变，温度为125℃时，饱和功率附加效率为64.32％，加入补偿电路后，饱和功率附加效率为65.38％。其功率附加效率在加入温度补偿电路后能够在高温情况提升一定的性能，对高电压、大电流工作下的功率放大器有着重要意义。
如图13所示，为本发明提出的宽带高功率放大器输出功率的仿真结果。选择1.5GHz作为工作频点，当输入功率为41dBm时，大信号的饱和输出功率为53.53dBm，当温度为125℃时，饱和输出功率为52.61dBm，加入补偿电路后，饱和输出功率为53.46dBm。其输出功率在温度升高时得到了补偿，满足功放的需求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于温度补偿的宽带高功率放大器，其中包括温度补偿部分和高功率放大器部分；所述的温度补偿部分包含电压线性降低电路、电压等比放大电路、电阻分压电路，其中电压线性降低电路采用模拟温度传感器；电压等比放大电路采用运算放大器；电阻分压电路采用电阻进行分压；
所述的高功率放大器部分包含功率分配/合成网络和两路功放支路；
所述的功率分配/合成网络采用二阶威尔金森功分结构；
所述的两路功放包含栅极/漏级偏置电路、输入/输出匹配网络、各种微带连接线，其中栅极/漏级偏置网络采用λ/4的微带线进行连接；输入/输出匹配采用多节λ/4阶梯阻抗变换结构进行匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的宽带高功率放大器，其特征在于，电压线性降低电路所述模拟温度传感器为LMT70，电压等比放大电路包括运算放大器以及对应的电阻，电阻分压电路的电阻比为1:5。
3.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的宽带高功率放大器，其特征在于，功率分配/合成网络功率的分配比为1:1，属于均等分配，各个端口阻抗值均为50Ω，其由两段对称的半圆弧结构微带线以及不同阻值的电阻所构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的宽带高功率放大器，其特征在于，功放支路的栅极/漏级偏置电路微带线长度为λ/4，宽度根据电流限制进行统一的设置。
5.根据权利要求1所述的一种基于温度补偿的宽带高功率放大器，其特征在于，功放支路的偏置电路和匹配网络中包括的串联微带、耦合电容以及隔直电容。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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