CN116192060A - 一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构 - Google Patents

一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，涉及微波集成电路技术领域。包括第一级LC并联电路，传输微带线和第二级LC并联电路。通过第一级LC并联电路对谐波进行初步的滤除，通过传输微带线和第二级LC并联电路的结合对输出信号进行功率合成并对二次谐波进一步滤除。本发明的第一级谐波抑制结构包括功率管漏极之后四组对称的LC谐波抑制结构，实现对二次谐波的初步滤除。第二级谐波抑制结构包括输出传输微带线处两组对称的LC谐波抑制结构，通过和传输微带线组合参与进匹配电路之中，在滤除谐波的同时实现对电路性能的调节，获得更高的输出功率和保持较高的效率，解决了大功率载板功放难以实现高效率和谐波抑制度较差的问题。

Description

一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构
技术领域
本发明涉及微波集成电路技术领域，更具体的说是涉及一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构。
背景技术
随着雷达、通信和电子战领域的飞速发展，无线系统对收发机的性能提出了越来越高的要求。功率放大器作为发射机的重要组成部分，其性能决定着整个发射机的性能。比如，作为各类射频单元中最大的耗能器件，功放的输出功率和转换效率是评判整个发射机性能好坏的关键指标，同时谐波分量大小又是整个发射机线性度的度量。传统的功放为了提高转换效率，一般使其工作在饱和状态，而处于该状态下的功放会产生大量的谐波成分，如果不对这些谐波成分进行抑制或回收，不仅会引起功放效率的降低，造成能量的浪费，还会对其他信道的信号产生干扰，因此大功率功放很难实现高效率以及良好的谐波抑制度。
2011年爱尔兰都柏林大学的Neal Tuffy等人采用GaN HEMT工艺，通过采取分离的谐波匹配网络和基波匹配网络设计了一种工作在2.3-2.7GHz的功率放大器。该功率放大器在2.3-2.7GHz内的输出功率为40dBm，功率附加效率为60%，二次谐波抑制度小于-41dBc。
2015年中国广东工业大学的Si-Di Chen等人采用GaN HBT工艺，通过在输出低通匹配网络中引入多个LC谐振网络设计了一种工作在S波段的功率放大器。该功率放大器在2GHz的增益为35 dB，饱和输出功率为35.2 dBm，功率附加效率为48％，2次到5次的谐波分量分别为：-53 dBc、-58 dBc、-65 dBc、-60 dBc。
2018年中国科学院大学的Yu-Hang Liu等人通过在功放输出端引入1/4波长开路枝节形式的谐波抑制网络设计了一种工作在S波段的小型化高谐波抑制的固态功率放大器。该功放在2.52GHz±28MHz的通带内谐波抑制度大于61dBc，电路尺寸为38．5 mm×28．2mm，但P1dB仅为31dBm，功率附加效率仅为35%。
2021年日本东北大学的Yoshitaka Niida等人通过基于差模合成的平行耦合双线设计了一种宽带大功率高谐波抑制的功率放大器。该功放在0.6-2.1GHz的通带内二次谐波抑制度最好值为54dBc，输出功率平均值为54.5dBm，但功率附加效率仅为42%。
可见，目前的小型化大功率载板功放效率较低，即使采用复杂的谐波回收结构来提升功放的效率也难以同时实现高输出功率、高功率附加效率和高谐波抑制度。
发明内容
有鉴于此，为了解决大功率功放小型化前提下良好谐波抑制的困难，本发明提出一种电路设计方法，可以使大功率功放在保证小型化设计的同时实现较好的谐波抑制度，并且使其输出功率得到明显提升。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，包括：第一级LC并联电路，传输微带线和第二级LC并联电路；通过第一级LC并联电路对谐波进行初步的滤除，然后通过传输微带线和第二级LC并联电路的结合对输出信号进行功率合成并对二次谐波进一步滤除。
可选的，第一级LC并联电路具体为：串联隔直电容C1一端连接Port1端口，另一端连接稳定电阻R1，稳定电阻R1的另一端引出两路，第一路接串联电感L1和电阻R2至直流电源VGS，并联去耦电容C2到接地。
可选的，传输微带线包括：稳定电阻R1的第二路通过微带线MILN1分成两条支路、串联微带线MILN2分成四条支路，四条支路完全对称，每条支路的微带线MILN2之后串接第一T型匹配网络，然后串联接入功率管，同时相邻支路之间连接隔离电阻R3；
功率管的漏极输出分成两路，一路接第二T型匹配网络，另一路接第一级谐波抑制网络到地；
功率管输出匹配电路经微带线MILN3、微带线MILN4合成为一条支路后串接隔直电容C6到输出端口Port2，相邻支路之间连接隔离电阻R3。
可选的，在微带线MILN4的输入端引出第二级谐波抑制网络，在Port2端口引出一路接串联电感L8至直流电源VDS，并联去耦电容C7到地。
可选的，第一T型匹配网络包括串联电感L2、并联电容C3、串联电感L3。
可选的，第二T型匹配网络包括串联电感L5、并联电容C5、串联电感L6。
可选的，第一级谐波抑制网络包括串联电感L4和电容C4。
可选的，第二级谐波抑制网络包括并联电感L7和与电容C8。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，包括两级谐波抑制结构。第一级谐波抑制结构包括功率管漏极之后四组对称的LC谐波抑制结构，实现对二次谐波的初步滤除。第二级谐波抑制结构包括输出传输微带线处两组对称的LC谐波抑制结构，通过和传输微带线组合参与进匹配电路之中，在滤除谐波的同时实现对电路性能的调节，获得更高的输出功率和保持较高的效率。解决了大功率载板功放难以实现高效率和谐波抑制度较差的问题。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的二次谐波抑制度仿真结果图；
图3为本发明的输出功率仿真结果图；
图4为本发明的功率附加效率仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，包括第一级LC并联电路，传输微带线和第二级LC并联电路。通过第一级LC并联电路对谐波进行初步的滤除，然后通过传输微带线和第二级LC并联电路的结合对输出信号进行功率合成并对二次谐波进一步滤除。
仿真表明该谐波抑制结构在5.3-5.9GHz内谐波抑制度大于47dBc，输出功率大于51.7dBm，效率大于58%。相比较于未添加谐波抑制结构时，输出功率提高1.8dBm，谐波抑制度提高19dBc，同时效率能够保持58%以上。
如图1为一种包含谐波抑制结构的板级功放的电路结构，射频信号经Port1输入后通过串联隔直电容C1，再经由微带线MILNn（n=1,2）组成的输入功分结构分为对称的四条支路，且输入端口的50Ω阻抗通过微带线MILNn（n=1,2）之后降为了25Ω，降低后续的匹配带宽和匹配结构阶数带来的限制。由于四条支路结构对称，选取最上面一条支路进行举例。微带线MILNn（n=1,2）之后通过由串联电感L2、并联电容C3、串联电感L3组成的T型匹配网络实现输入功分结构的输出端微带线MILN2到功率管Qn（n=1,2,3,4）的良好匹配。
功率管Qn（n=1,2,3,4）的漏极端口与电容C4、电感L4并联接地组成的第一级谐波抑制网络相接。并联电容C4的容值较小，对低频信号呈阻断效果防止基波信号从此处流失，对于频率较高的二次谐波以及更高次谐波呈导通效果。二次谐波分量通过此结构可以导通至接地端，实现对二次谐波进行第一级的滤除，减小谐波分量的影响。第一级并联谐波抑制结构之后与串联电感L5、并联电容C5、串联电感L6组成的T型输出匹配网络相接，实现功率管漏极阻抗至10Ω阻抗的良好匹配。四条支路的信号通过经由微带线MILN3和并联电容C8、电感L7接地组成的第二级谐波抑制网络相接，实现输出信号的功率合成和第二级的谐波抑制。该结构的输入端口微带线MILN3阻抗为10Ω，降低前级输出匹配网络的匹配带宽和匹配结构阶数的限制，通过微带线MILN4将阻抗提升至输出端口的50Ω。同时第一级谐波抑制结构无法滤除的一些谐波分量会在第二级谐波抑制结构中的并联电容C8、电感L7接地结构中进一步的滤除，从而实现良好的谐波抑制度。具体的谐波抑制原理和第一级谐波抑制结构相同。最后具有良好谐波抑制度的输出信号经由串联隔直电容C6输出。
本发明分别在栅极直流电压VGS=-2.4V、漏极直流电压VDS=28V下不加谐波抑制结构和加入谐波抑制结构的二次谐波抑制度仿真结果如图2，输出功率仿真结果如图3，功率附加效率仿真结果如图4。
综上所述，本发明提出了一种新型的面向大功率载板功放的谐波抑制结构，通过采用两级谐波抑制结构以及和传输微带线相结合参与进匹配之中，实现了对二次谐波分量的良好抑制并提升了输出功率且保证了高效率，解决了大功率载板功放实现高谐波抑制度和高效率的难题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，包括：第一级LC并联电路，传输微带线和第二级LC并联电路；通过第一级LC并联电路对谐波进行初步的滤除，然后通过传输微带线和第二级LC并联电路的结合对输出信号进行功率合成并对二次谐波进一步滤除。
2.根据权利要求1所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，第一级LC并联电路具体为：串联隔直电容C1一端连接Port1端口，另一端连接稳定电阻R1，稳定电阻R1的另一端引出两路，第一路接串联电感L1和电阻R2至直流电源VGS，并联去耦电容C2到接地。
3.根据权利要求2所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，传输微带线包括：稳定电阻R1的第二路通过微带线MILN1分成两条支路、串联微带线MILN2分成四条支路，四条支路完全对称，每条支路的微带线MILN2之后串接第一T型匹配网络，然后串联接入功率管，同时相邻支路之间连接隔离电阻R3；
功率管的漏极输出分成两路，一路接第二T型匹配网络，另一路接第一级谐波抑制网络到地；
功率管输出匹配电路经微带线MILN3、微带线MILN4合成为一条支路后串接隔直电容C6到输出端口Port2，相邻支路之间连接隔离电阻R3。
4.根据权利要求3所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，在微带线MILN4的输入端引出第二级谐波抑制网络，在Port2端口引出一路接串联电感L8至直流电源VDS，并联去耦电容C7到地。
5.根据权利要求3所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，第一T型匹配网络包括串联电感L2、并联电容C3、串联电感L3。
6.根据权利要求3所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，第二T型匹配网络包括串联电感L5、并联电容C5、串联电感L6。
7.根据权利要求3所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，第一级谐波抑制网络包括串联电感L4和电容C4。
8.根据权利要求4所述的一种面向大功率载板功放的谐波抑制结构，其特征在于，第二级谐波抑制网络包括并联电感L7和与电容C8。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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