CN116192068A - 功率放大器及具有该功率放大器的加热装置 - Google Patents

功率放大器及具有该功率放大器的加热装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于放大电磁波信号的功率放大器及具有该功率放大器的加热装置。该功率放大器包括初级放大电路、次级放大电路、滤波电路、初级匹配电路、次级匹配电路、以及末级匹配电路。初级放大电路用于放大电磁波信号的功率，次级放大电路连接到初级放大电路的输出端，滤波电路连接到次级放大电路，初级匹配电路连接到初级放大电路的输入端，次级匹配电路串联在初级放大电路与次级放大电路之间，末级匹配电路串联在次级放大电路与滤波电路之间，具有较大的功率调节范围，可针对不同种类、不同状态的待处理物灵活地调节频率，还可减少对其他电器件的信号干扰，分别提高了各个放大电路和滤波电路的输出功率，并减少返回上级电路的反射。

Description

功率放大器及具有该功率放大器的加热装置
技术领域
本发明涉及一种电磁装置，特别是涉及一种功率放大器及具有该功率放大器的电磁波加热装置。
背景技术
食物在冷冻的过程中，食物的品质得到了保持，然而冷冻的食物在加工或食用前需要解冻。为了便于用户冷冻和解冻食物，现有技术一般通过电磁波加热装置来解冻食物，并将加热装置嵌入冰箱。
传统的电磁波加热装置(例如微波炉)采用磁控管来产生电磁波，然而磁控管不仅寿命较短、工作功率较大，应用于冰箱会导致电负荷过高、易产生安全隐患，并影响储物间室的保藏温度，而且输出功率、频率不可控，不适用于温度均匀性要求较高的食材解冻。
发明内容
本发明第一方面的一个目的是要克服现有技术中的至少一个技术缺陷，提供一种功率放大器。
本发明第一方面的一个进一步的目的是要提高功率放大器的输出功率。
本发明第一方面的另一个进一步的目的是要减少信号干扰。
本发明第二方面的一个目的是要提供一种具有该功率放大器的电磁波加热装置。
根据本发明的第一方面，提供了一种功率放大器，用于放大电磁波信号，其特征在于，包括：
初级放大电路，用于放大所述电磁波信号的功率；
次级放大电路，连接到所述初级放大电路的输出端，用于放大所述初级放大电路的输出信号的功率；
滤波电路，连接到所述次级放大电路，用于滤除高次谐波；
初级匹配电路，连接到所述初级放大电路的输入端，并配置为实现所述初级放大电路与所述电磁波信号的阻抗匹配；
次级匹配电路，串联在所述初级放大电路与所述次级放大电路之间，并配置为实现所述次级放大电路与所述初级放大电路的输出信号的阻抗匹配；以及
末级匹配电路，串联在所述次级放大电路与所述滤波电路之间，并配置为实现所述滤波电路、和连接到所述功率放大器的输出端的传输线与所述次级放大电路的输出信号的阻抗匹配。
可选地，所述初级放大电路和所述次级放大电路分别包括：
晶体管；
偏置部分，连接到所述晶体管的栅极，产生直流偏压信号到所述晶体管，使得所述晶体管放大所述电磁波信号；以及
供电部分，连接到所述晶体管的漏极，用于向所述晶体管供电；其中，
所述偏置部分包括：
多个第一去耦电容，一端连接到所述直流偏压信号，另一端接地；
第一扼流电感，连接到所述直流偏压信号；以及
隔离电阻，串联在所述第一扼流电感与所述晶体管的栅极之间；和/或
所述供电部分包括：
多个第二去耦电容，一端连接到电源电压信号，另一端接地；
第二扼流电感，一端连接到所述电源电压信号，另一端连接到所述晶体管的漏极。
可选地，所述初级放大电路的晶体管选自ST-PD84002、ST-PD85004、或NXP-AFT05MS003N；和/或
所述次级放大电路的晶体管为N沟道增强型晶体管；和/或
所述多个第一去耦电容为不同的数量级，且所述多个第一去耦电容的电容值为10pF～100nF；和/或
所述多个第二去耦电容为不同的数量级，且所述多个第二去耦电容的电容值为10pF～100nF；和/或
所述第二扼流电感为线绕电感；和/或
所述次级放大电路还包括第三去耦电容，所述第三去耦电容一端连接到所述第一扼流电感与所述隔离电阻之间，另一端接地；和/或
所述初级放大电路的偏置部分的直流偏压信号设置为可调，所述次级放大电路的偏置部分的直流偏压信号设置为固定；和/或
所述初级放大电路的增益比大于等于1且小于等于3；和/或
所述初级放大电路与所述次级放大电路的输出功率比为1/20～1/100。
可选地，所述初级匹配电路包括：
第一匹配电容，连接到所述功率放大器的输入端；
第二匹配电容，一端连接到所述第一匹配电容，另一端接地；以及
第一匹配电感，一端连接到所述第一匹配电容，另一端连接到所述初级放大电路。
可选地，所述次级匹配电路包括：
第三匹配电容，一端连接到所述初级放大电路，另一端接地；
第五匹配电容，一端连接到所述初级放大电路，另一端连接到所述次级放大电路；以及
第二匹配电感，一端连接到所述第五匹配电容，另一端接地。
可选地，所述末级匹配电路包括：
第三匹配电感和第四匹配电感，串联在所述次级放大电路与所述滤波电路之间。
可选地，所述功率放大器还包括：
两个隔直电容，分别串联在所述次级匹配电路与所述次级放大电路、和所述末级匹配电路与所述滤波电路之间。
可选地，所述滤波电路包括：
滤波电感，串联在所述末级匹配电路与所述功率放大器的输出端之间；
两个滤波电容，一端分别连接到所述滤波电感的两端，另一端接地；以及
第六匹配电容，并联于所述滤波电感。
可选地，所述功率放大器还包括：
耦合电路，设置为检测所述滤波电路的输出功率和/或返回所述滤波电路的反射功率。
根据本发明的第二方面，提供了一种加热装置，其特征在于，包括：
筒体，用于容置待处理物；以及
电磁波发生系统，至少部分设置于所述筒体内或通达至所述筒体，以向所述筒体内发射电磁波来加热所述待处理物；其中
所述电磁波发生系统包括根据以上任一所述的功率放大器。
本发明的功率放大器包括多级放大电路、滤波电路和多级匹配电路，不仅具有较大的功率调节范围，可针对不同种类、不同状态的待处理物灵活地调节频率，进而提高加热效果，而且可减少对其他电器件的信号干扰，分别提高了各个放大电路和滤波电路的输出功率，并减少返回上级电路的反射，进而提高了功率放大器的输出端的输出功率和放大电路(特别是晶体管)的使用寿命。
进一步地，本发明的放大电路包括去耦电容、扼流电感和隔离电阻，不仅可减少直流偏压信号和电源电压信号中的高频，防止高频信号传入晶体管，进一步延长了晶体管的使用寿命，还可减少直流偏压信号对功率放大器的阻抗影响，并吸收传向隔离电阻的电磁波信号，保证功率放大器的输出端的输出功率，并避免损坏产生直流偏压信号的控制器。
进一步地，本发明的末级匹配电路包括串联的多个匹配电感，相比于通过电容实现阻抗匹配，可在保证匹配效果的同时，降低90％左右的生产成本。进一步地，本发明的滤波电路包括与滤波电感并联的匹配电容，其可与末级匹配电路配合显著地提高末级匹配电路与连接到功率放大器的输出端的传输线的匹配效果。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的功率放大器的示意性结构图；
图2是图1中初级放大电路、次级放大电路及相应匹配电路的示意性电路图；
图3是图1中末级匹配电路、滤波电路、和耦合电路的示意性电路图；
图4是根据本发明一个实施例的加热装置的示意性结构图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的功率放大器100的示意性结构图。参见图1，本发明用于放大电磁波信号的功率放大器100可包括初级放大电路110、次级放大电路120、滤波电路130、初级匹配电路140、次级匹配电路150、以及末级匹配电路160。
具体地，初级放大电路110可用于放大电磁波信号的功率。次级放大电路120可连接到初级放大电路110的输出端，用于放大初级放大电路110的输出信号的功率。
滤波电路130可连接到次级放大电路120，用于滤除高次谐波，以减少对其他电器件的干扰。
初级匹配电路140可连接到初级放大电路110的输入端，并配置为实现初级放大电路110与电磁波信号的阻抗匹配。
次级匹配电路150可串联在初级放大电路110与次级放大电路120之间，并配置为实现次级放大电路120与初级放大电路110的输出信号的阻抗匹配。
末级匹配电路160可串联在次级放大电路120与滤波电路130之间，并配置为实现滤波电路130、和连接到功率放大器100的输出端的传输线与次级放大电路120的输出信号的阻抗匹配。
本发明的功率放大器100包括多级放大电路、滤波电路130和多级匹配电路，不仅具有较大的功率调节范围，可针对不同种类、不同状态的待处理物250灵活地调节频率，进而提高加热效果，而且可减少对其他电器件的信号干扰，分别提高了各个放大电路和滤波电路130的输出功率，并减少返回上级电路的反射，进而提高了功率放大器100的输出端的输出功率和放大电路(特别是晶体管)的使用寿命。
图2是图1中初级放大电路110、次级放大电路120及相应匹配电路的示意性电路图(在图2和图3中，“RFin”表示“电磁波输入信号”；“RFout”表示“电磁波输出信号”)。参见图2，初级放大电路110和次级放大电路120分别包括晶体管、偏置部分、以及供电部分。
偏置部分可连接到晶体管的栅极，产生直流偏压信号BIAS0到晶体管，使得晶体管放大电磁波信号。
供电部分可连接到晶体管的漏极，用于向晶体管供电。
在一些实施例中，初级放大电路110的晶体管U301可选自ST-PD84002、ST-PD85004、或NXP-AFT05MS003N。
初级放大电路110的偏置部分可包括多个第一去耦电容、第一扼流电感L304、以及隔离电阻R306。
初级放大电路110的多个第一去耦电容可一端连接到直流偏压信号BIAS0，另一端接地，用于减少直流偏压信号BIAS0中的高频。
在图示实施例中，初级放大电路110的多个第一去耦电容可包括电容C320、电容C322、和电容C324。电容C320、电容C322、电容C324可为不同的数量级，电容值为10pF～100nF，以提高滤波效果。
第一扼流电感L304可连接到直流偏压信号BIAS0，用于防止高频传入晶体管U301。
隔离电阻R306可串联在第一扼流电感L304与晶体管U301的栅极之间，以减少直流偏压信号BIAS0对功率放大器100的阻抗影响，并吸收传向隔离电阻R306的电磁波信号。
初级放大电路110的供电部分可包括多个第二去耦电容、以及第二扼流电感L301。
初级放大电路110的多个第二去耦电容可一端连接到电源电压信号PA，另一端接地，用于减少电源电压信号PA中的高频。
在图示实施例中，初级放大电路110的多个第二去耦电容可包括电容C318、电容C319、和电容C321。电容C318、电容C319、电容C321可为不同的数量级，电容值为10pF～100nF，以提高滤波效果。
第二扼流电感L301可一端连接到电源电压信号PA，另一端连接到晶体管U301的漏极，用于防止高频传入晶体管U301。第二扼流电感L301可为线绕电感，铜线直径大于1mm，以保证滤波效果。
在一些实施例中，次级放大电路120的晶体管V302可为N沟道增强型晶体管。
次级放大电路120的偏置部分可包括多个第一去耦电容，第一扼流电感L306，以及隔离电阻R310。
次级放大电路120的多个第一去耦电容可一端连接到直流偏压信号BIAS1，另一端接地，用于减少直流偏压信号BIAS1中的高频。
在图示实施例中，次级放大电路120的多个第一去耦电容可包括电容C330、电容C331、电容C332、和电容C333。电容C330、电容C331、电容C332、电容C333可为不同的数量级，电容值为10pF～100nF，以提高滤波效果。
第一扼流电感L306可连接到直流偏压信号BIAS1，用于防止高频传入晶体管V302。
隔离电阻R310可串联在第一扼流电感L306与晶体管V302的栅极之间，以减少直流偏压信号BIAS1对功率放大器100的阻抗影响，并吸收传向隔离电阻R310的电磁波信号。
次级放大电路120的供电部分可包括多个第二去耦电容，以及第二扼流电感L307。
次级放大电路120的多个第二去耦电容可一端连接到电源电压信号PA，另一端接地，用于减少电源电压信号PA中的高频。
在图示实施例中，次级放大电路120的多个第二去耦电容可包括电容C325、电容C326、和电容C327。电容C325、电容C326、电容C327可为不同的数量级，电容值为10pF～100nF，以提高滤波效果。
第二扼流电感L307可一端连接到电源电压信号PA，另一端连接到晶体管V302的漏极，用于防止高频传入晶体管V302。第二扼流电感L307可为线绕电感，铜线直径大于1mm，以保证滤波效果。
次级放大电路120还可包括第三去耦电容C335，第三去耦电容C335一端连接到第一扼流电感L306与隔离电阻R310之间，另一端接地，以降低信号强度，保证良好的滤波效果。
在一些进一步地实施例中，初级放大电路110的偏置部分的直流偏压信号BIAS0可设置为可调，次级放大电路120的偏置部分的直流偏压信号BIAS1可设置为固定，以减轻输出的电磁波信号跳动不稳的问题。
在一些进一步地实施例中，初级放大电路110的增益比可大于等于1且小于等于3，以降低生产成本。
在一些进一步地实施例中，初级放大电路110与次级放大电路120的输出功率比可为1/20～1/100，以降低生产成本。
在一些实施例中，初级匹配电路140可包括第一匹配电容C306、第二匹配电容C311、以及第一匹配电感L300。
第一匹配电容C306可连接到功率放大器100的输入端。第二匹配电容C311可一端连接到第一匹配电容C306，另一端接地。第一匹配电感L300可一端连接到第一匹配电容C306，另一端连接到初级放大电路110。
在一些实施例中，次级匹配电路150可包括第三匹配电容C313和第四匹配电容C314、第五匹配电容C307、以及第二匹配电感L302。
第三匹配电容C313和第四匹配电容C314可一端连接到初级放大电路110，另一端接地，以提高匹配效果和可靠性。第五匹配电容C307可一端连接到初级放大电路110，另一端连接到次级放大电路120。第二匹配电感L302可一端连接到第五匹配电容C307，另一端接地。
在另一些实施例中，次级匹配电路150可仅包括第三匹配电容C313、第五匹配电容C307、以及第二匹配电感L302。
第三匹配电容C313可一端连接到初级放大电路110，另一端接地。第五匹配电容C307可一端连接到初级放大电路110，另一端连接到次级放大电路120。第二匹配电感L302可一端连接到第五匹配电容C307，另一端接地。
图3是图1中末级匹配电路160、滤波电路130、和耦合电路170的示意性电路图。参见图3，滤波电路130可包括滤波电感L316、滤波电容C27和滤波电容C28、以及第六匹配电容C388。
滤波电感L316可串联在末级匹配电路160与功率放大器100的输出端之间。滤波电容C27和滤波电容C28可一端分别连接到滤波电感L316的两端，另一端接地。第六匹配电容C388可并联于滤波电感L316。
在一些实施例中，末级匹配电路160可包括第三匹配电感L308和第四匹配电感L309。第三匹配电感L308和第四匹配电感L309可串联在次级放大电路120与滤波电路130之间，以保证匹配效果，降低生产成本。
在一些实施例中，功率放大器100还可包括隔直电容C308和隔直电容C338。隔直电容C308和隔直电容C338分别串联在次级匹配电路150与次级放大电路120、和末级匹配电路160与滤波电路130之间，以滤除电路中的直流信号。其中，第四匹配电感L309和隔直电容C338同时构成了串联谐振电路，可进一步滤除高次谐波，以减少对其他电器件的干扰。
在一些实施例中，功率放大器100还可包括耦合电路170。耦合电路170可设置为检测滤波电路130的输出功率和/或返回滤波电路130的反射功率。
耦合电路170可包括检测电阻R337和检测电阻R343，分别用于检测输出功率和/反射功率。检测电阻R337和检测电阻R343可分别连接到检测信号RF16和检测信号RF15，并另一端接地。
图4是根据本发明一个实施例的加热装置200的示意性结构图。参见图4，本发明还提供了一种加热装置200。加热装置200可包括筒体210、电磁波发生系统、以及控制器240。筒体210用于容置待处理物250。电磁波发生系统可至少部分设置于筒体210内或通达至筒体210，以向筒体210内发射电磁波来加热待处理物250。电磁波发生系统可具体包括电磁波发生模块220和辐射天线230，其中辐射天线230设置在筒体210内。电磁波发生模块220包括前述任一实施例的功率放大器100，以提高加热装置200的加热效果和使用寿命。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种功率放大器，用于放大电磁波信号，其特征在于，包括：
初级放大电路，用于放大所述电磁波信号的功率；
次级放大电路，连接到所述初级放大电路的输出端，用于放大所述初级放大电路的输出信号的功率；
滤波电路，连接到所述次级放大电路，用于滤除高次谐波；
初级匹配电路，连接到所述初级放大电路的输入端，并配置为实现所述初级放大电路与所述电磁波信号的阻抗匹配；
次级匹配电路，串联在所述初级放大电路与所述次级放大电路之间，并配置为实现所述次级放大电路与所述初级放大电路的输出信号的阻抗匹配；以及
末级匹配电路，串联在所述次级放大电路与所述滤波电路之间，并配置为实现所述滤波电路、和连接到所述功率放大器的输出端的传输线与所述次级放大电路的输出信号的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述初级放大电路和所述次级放大电路分别包括：
晶体管；
偏置部分，连接到所述晶体管的栅极，产生直流偏压信号到所述晶体管，使得所述晶体管放大所述电磁波信号；以及
供电部分，连接到所述晶体管的漏极，用于向所述晶体管供电；其中，
所述偏置部分包括：
多个第一去耦电容，一端连接到所述直流偏压信号，另一端接地；
第一扼流电感，连接到所述直流偏压信号；以及
隔离电阻，串联在所述第一扼流电感与所述晶体管的栅极之间；和/或
所述供电部分包括：
多个第二去耦电容，一端连接到电源电压信号，另一端接地；
第二扼流电感，一端连接到所述电源电压信号，另一端连接到所述晶体管的漏极。
3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，
所述初级放大电路的晶体管选自ST-PD84002、ST-PD85004、或NXP-AFT05MS003N；和/或
所述次级放大电路的晶体管为N沟道增强型晶体管；和/或
所述多个第一去耦电容为不同的数量级，且所述多个第一去耦电容的电容值为10pF～100nF；和/或
所述多个第二去耦电容为不同的数量级，且所述多个第二去耦电容的电容值为10pF～100nF；和/或
所述第二扼流电感为线绕电感；和/或
所述次级放大电路还包括第三去耦电容，所述第三去耦电容一端连接到所述第一扼流电感与所述隔离电阻之间，另一端接地；和/或
所述初级放大电路的偏置部分的直流偏压信号设置为可调，所述次级放大电路的偏置部分的直流偏压信号设置为固定；和/或
所述初级放大电路的增益比大于等于1且小于等于3；和/或
所述初级放大电路与所述次级放大电路的输出功率比为1/20～1/100。
4.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述初级匹配电路包括：
第一匹配电容，连接到所述功率放大器的输入端；
第二匹配电容，一端连接到所述第一匹配电容，另一端接地；以及
第一匹配电感，一端连接到所述第一匹配电容，另一端连接到所述初级放大电路。
5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述次级匹配电路包括：
第三匹配电容，一端连接到所述初级放大电路，另一端接地；
第五匹配电容，一端连接到所述初级放大电路，另一端连接到所述次级放大电路；以及
第二匹配电感，一端连接到所述第五匹配电容，另一端接地。
6.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述末级匹配电路包括：
第三匹配电感和第四匹配电感，串联在所述次级放大电路与所述滤波电路之间。
7.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括：
两个隔直电容，分别串联在所述次级匹配电路与所述次级放大电路、和所述末级匹配电路与所述滤波电路之间。
8.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述滤波电路包括：
滤波电感，串联在所述末级匹配电路与所述功率放大器的输出端之间；
两个滤波电容，一端分别连接到所述滤波电感的两端，另一端接地；以及
第六匹配电容，并联于所述滤波电感。
9.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，还包括：
耦合电路，设置为检测所述滤波电路的输出功率和/或返回所述滤波电路的反射功率。
10.一种加热装置，其特征在于，包括：
筒体，用于容置待处理物；以及
电磁波发生系统，至少部分设置于所述筒体内或通达至所述筒体，以向所述筒体内发射电磁波来加热所述待处理物；其中
所述电磁波发生系统包括根据权利要求1-9中任一所述的功率放大器。
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