CN115549612A - 一种传输线补偿型偏置电路 - Google Patents

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付超
黄文华
杨志强
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Abstract

本发明属于固态微波功率放大器领域，具体涉及一种传输线补偿型偏置电路。该传输线补偿型偏置电路为对称结构，主要由传输线1、传输线2、偏置线组成，传输线1特征阻抗为Z、电长度为θ，传输线2特征阻抗为Z、电长度为θ，偏置线特征阻抗为Zb/2、电长度为θb。当偏置线特征阻抗Zb/2、电长度θb确定时，Z与θ的最佳取值为：
Figure DDA0003880304920000011
Figure DDA0003880304920000012
本发明的传输线补偿型偏置电路的寄生电感比现有的偏置电路小，应用于大功率脉冲功率放大器时的电压过冲更小，可以提升大功率脉冲功率放大器的可靠性与安全性。同时，传输线补偿型偏置电路的匹配带宽是现有的偏置电路的匹配带宽的两倍以上，更适合应用于宽带功放。本发明在大功率宽带脉冲功率放大器领域具有较高的应用价值。

Description

一种传输线补偿型偏置电路
技术领域
本发明属于固态微波功率放大器领域，具体涉及一种传输线补偿型偏置电路。
背景技术
脉冲体制的微波系统应用十分广泛，脉冲体制雷达与猝发通信系统等都是脉冲体制，这类体制的系统要求功率放大电路工作在脉冲调制方式。脉冲调制包括栅极偏置电压调制和漏极偏置电压调制两种。Hyo-Jong Kim等人在2017年的文章An X-Band 100W GaNHEMT PowerAmplifier Using a Hybrid Switching Method forFast Pulse Switching(刊载于Progress In Electromagnetics Research B，Vol.78)中指出，采用漏极偏置电压调制可以获得比栅极偏置电压调制更高的效率、更大的输出功率，因此脉冲功率放大器主要采用漏极偏置电压调制。脉冲功率放大器采用漏极偏置调制的方式时，在微波激励脉冲内，漏极供电电流为动态电流Id，在微波激励脉冲外，漏极供电电流为静态电流Iq，所以在微波激励信号关闭瞬间，漏极会产生漏极电压过冲Vs：
Figure BDA0003880304900000011
式中，L为漏极供电路径寄生电感，tf为激励信号下降沿时间。降低漏极电压过冲Vs与L、Id、Iq、tf相关。随着第三代半导体材料GaN工艺的日渐成熟，功率放大器的输出功率不断提高，目前输出功率已经突破kW级，例如E.Mitani等人在2007年发表的论文A kW-classAlGaN/GaN HEMT Pallet Amplifier for S-band High Power Application(刊载于Proceedings of the 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference)，因此电流Id、Iq的值与差值显著增大，同时为了提升波形质量tf只有ns级，这些原因导致较小的电感L会造成大的电压过冲Vs。当漏极电压过冲Vs过大时，会造成漏极电压幅值过大，影响功放安全。
为了降低功率放大器的漏极电压过冲、提升功率放大器的安全性与可靠性，需要降低功率放大器漏极寄生电感L。功率放大器的偏置电路是影响漏极寄生电感的重要因素，可以通过降低功率放大器偏置电路的尺寸实现偏置电路寄生电感的降低，进而实现漏极寄生电感的降低。
现有技术：
图1是现有偏置电路示意图，由传输线1、传输线2、偏置线组成。传输线1特征阻抗为50Ω、电长度为λ/4，传输线2特征阻抗为50Ω、电长度为λ/4，偏置线特征阻抗为Zc、电长度为λ/4。功率放大器输出频率为f的微波，由端口1输入，经过传输线1与传输线2后由端口2输出，偏置线对频率为f的微波等效为开路，所以偏置线不影响微波传输；漏极供电电流由电源端口输入，经过偏置线与传输线1后为功率放大器的漏极提供脉冲电压。偏置电路的寄生电感由传输线1与偏置线的尺寸决定，传输线1与偏置线的宽度越小、长度越大，偏置电路的寄生电感的越大。
现有技术存在的问题：
现有偏置电路的偏置线与传输线的尺寸较大，所以现有偏置电路的寄生电感较大，应用于大功率脉冲功率放大器时会带来较大的电压过冲，影响功率放大器的可靠性与安全性。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提出一种传输线补偿型偏置电路，可以减小偏置线的尺寸，进而减小偏置电路的寄生电感，降低应用于大功率脉冲功率放大器时的电压过冲，提升大功率脉冲功率放大器的可靠性与安全性。
本发明的技术方案如下：
图2是本发明提出的传输线补偿型偏置电路示意图，该传输线补偿型偏置电路为对称结构，主要由传输线1、传输线2、偏置线组成。传输线1特征阻抗为Z、电长度为θ，传输线2特征阻抗为Z、电长度为θ，偏置线特征阻抗为Zb/2、电长度为θb。功率放大器输出频率为f的微波，由端口1输入，经过传输线1与传输线2后由端口2输出；漏极供电电流由电源端口输入，经过偏置线与传输线1后为功率放大器的漏极提供脉冲电压。偏置电路的寄生电感由传输线1与偏置线的尺寸决定，传输线1与偏置线的宽度越小、长度越大，偏置电路的寄生电感的越大。
下面证明偏置线对频率为f的微波等效为开路，偏置线不影响微波传输。图3是本发明提出的传输线补偿型偏置电路等效电路示意图。特征阻抗为Zb/2、电长度为θb的偏置线被拆分为2个特征阻抗为Zb、电长度为θb的偏置线。图中YA为右侧传输线端面向右侧看的导纳，YB为向偏置线看的导纳，YCR、YCL分别为中间端面向右侧和左侧看的导纳。
根据传输线理论，可以得到：
Figure BDA0003880304900000031
Figure BDA0003880304900000032
YCR＝YA+YB
由于左右两侧完全对称，因此YCR、YCL相等：
YCR＝YCL
为了使偏置网络在负载与功率放大器之间实现阻抗匹配，则YCR、YCL应当共轭匹配，即：
Figure BDA0003880304900000033
可以得到：
img(YCR)＝0
联立上述方程，可以得到Z、θ、Zb、θb之间的关系：
Figure BDA0003880304900000041
式中，ZL为负载，数值为50欧姆。
该方程是关于tanθ的一元二次方程，在Zb、θb确定的前提下，该方程有解的条件为：
Figure BDA0003880304900000042
Z须符合以下两个条件中的一个：
Figure BDA0003880304900000043
Figure BDA0003880304900000044
对于满足上述条件的Z，传输线电长度θ分别有对应的解：
Figure BDA0003880304900000045
Figure BDA0003880304900000046
由于偏置电路的匹配带宽与YCR的相位随频率变化的斜率
Figure BDA0003880304900000047
呈负相关，所以
Figure BDA0003880304900000048
越小，偏置电路的匹配带宽越宽。当Z只有一个根的时，
Figure BDA0003880304900000049
最小，偏置电路的匹配带宽越宽，即Z的最优解为：
Figure BDA00038803049000000410
此时θ1与θ2相等，传输线电长度θ的最优解为：
Figure BDA00038803049000000411
本发明的有益效果：
本发明提出的传输线补偿型偏置电路，可以减小偏置电路的寄生电感，与现有偏置电路相比，寄生电感减小2/5以上，所以传输线补偿型偏置电路应用于大功率脉冲功率放大器时的电压过冲更小，可以提升大功率脉冲功率放大器的可靠性与安全性。同时，传输线补偿型偏置电路的匹配带宽是现有的偏置电路的匹配带宽的两倍以上，所以传输线补偿型偏置电路比现有的偏置电路更适合应用于宽带功放。本发明在大功率宽带脉冲功率放大器领域具有较高的应用价值。
附图说明：
图1：传统偏置电路示意图；
图2：本发明提出的传输线补偿型偏置电路示意图；
图3：本发明提出的传输线补偿型偏置电路等效电路示意图；
图4：补偿传输线特征阻抗及电长度；
图5：8GHz处相位斜率；
图6：不同Z0对应相位；
图7：传输线补偿型偏置电路与现有的偏置电路反射系数仿真结果；
图8：传输线补偿型偏置电路与现有的偏置电路插入损耗仿真结果。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以8GHz为工作频点，Zb、θb分别设置为100Ω、30°，开展仿真验证。图4说明了传输线可取的特征阻抗和电长度：当特征阻抗小于30Ω时，有两种电长度可以选择；当特征阻抗为30Ω时，只有53°一个电长度可选；当特征阻抗大于30Ω时，无法对偏置线进行理想补偿。
图5中计算了YCR的相位斜率随特征阻抗变化的曲线，可以看到在30Ω时YCR的相位斜率最小，图6中显示了3种特征阻抗下YCR的相位，进一步证实了该观点。
根据上述分析，传输线特征阻抗和电长度选择最优值30Ω、53°时，传输线补偿型偏置电路的匹配带宽最宽。仿真对比传输线补偿型偏置电路与现有的偏置电路的反射系数与插入损耗，仿真结果见图7、图8。S11、S12为传输线补偿型偏置电路的反射系数和插入损耗，在8GHz频点处损耗为0dB，-15dB反射系数相对带宽(匹配带宽)为89.1％。S33、S34为现有的偏置电路的反射系数和插入损耗，在8GHz频点处损耗为0dB，-15dB反射系数相对带宽(匹配带宽)为44.2％。仿真结果证明传输线补偿型偏置电路的匹配带宽是现有的偏置电路的匹配带宽的两倍以上。
本发明提出的传输线补偿型偏置电路的偏置线电长度为30°，只有现有的偏置电路的偏置线电长度的1/3，对应的寄生电感也只有1/3；本发明提出的传输线补偿型偏置电路的传输线1的特征阻抗为30Ω，只有现有的偏置电路的偏置线电长度的3/5，对应的寄生电感也只有3/5。综合偏置线与传输线的寄生电感变化，本发明提出的传输线补偿型偏置电路的寄生电感比现有的偏置电路的寄生电感减小2/5以上。
理论和仿真结果表明，选择正确的传输线阻抗和长度，可以有效减少本发明提出的传输线补偿型偏置电路的寄生电感，传输线补偿型偏置电路应用于大功率脉冲功率放大器时的电压过冲更小，可以提升大功率脉冲功率放大器的可靠性与安全性。同时传输线补偿型偏置电路的匹配带宽是现有的偏置电路的匹配带宽的两倍以上，所以传输线补偿型偏置电路比现有的偏置电路更适合应用于宽带功放。

Claims (1)

1.一种传输线补偿型偏置电路，该传输线补偿型偏置电路为对称结构，主要由传输线1、传输线2、偏置线组成，传输线1特征阻抗为Z、电长度为θ，传输线2特征阻抗为Z、电长度为θ，偏置线特征阻抗为Zb/2、电长度为θb；功率放大器输出频率为f的微波，由端口1输入，经过传输线1与传输线2后由端口2输出；漏极供电电流由电源端口输入，经过偏置线与传输线1后为功率放大器的漏极提供脉冲电压；其特征在于：
Figure FDA0003880304890000011
Figure FDA0003880304890000012
式中：ZL为负载，数值为50欧姆。
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