CN116595926A - 一种三频带功率放大器及其阻抗匹配网络的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三频带功率放大器，由输入阻抗匹配网络，晶体管，以及输出匹配网络构成；所述输入或者输入匹配网络中的三频带阻抗匹配网络是本发明的关键部分，它由一根调谐传输线TLx、一个T型传输线网络(TLa、S1、TLb)、一根特征阻抗为Z₀的传输线TLc、一个三频带电纳枝节网络构成；本发明可以增加可匹配的阻抗范围以及降低使用极高/极低的特征阻抗传输线的可能性；所述的三频带电纳枝节网络亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络，有效简化了晶体管匹配网络设计的复杂度；本发明能够同时实现三个频带的复数阻抗与系统阻抗之间的匹配，解决了三频带功率放大器匹配问题。

Description

一种三频带功率放大器及其阻抗匹配网络的设计方法

技术领域

本发明属于功率放大器技术领域，特别是涉及一种能同时工作在三个频带的功率放大器。

背景技术

无线通信技术的快速发展要求无线发射机工作在多模式、多标准下工作。功率放大器作为无线发射机中的关键模块，如果能够实现多频段工作，将有效取代多频带发射机中的多个单频带功率放大器，从而能够显著降低系统复杂度、能耗和成本。因此，多频带功率放大器的研究对多模多频通信发展具有重要意义。尤其当频带相距较远时，超宽带功率放大器很难在整个带宽内保证高效率，多频带功率放大器成为高效率的首选解决方案。

可重构的多频带功率放大器也可覆盖多个频带，但是通常需要借助开关电路进行切换，不能共时工作于多个频段。多频带的阻抗匹配是实现多频带并发功率放大器的必不可少的一部分，对能量传输极为重要，它与晶体管共同决定了功率放大器的频率特性以及输出性能。功率放大器的最佳源阻抗/负载阻抗通常为复数，而且由于晶体管的寄生效应，会随着频率而变化，意味着三个频带的最佳阻抗是不相等的，这些都增大了阻抗匹配电路的设计难度。现在的三频带并发功率放大器大多采取优化算法求解，需要耗时的数值优化计算，而且容易陷入局部最优解状况。

因此，针对于上述存在的问题，有必要提供一种解析法求解的三频带复数阻抗匹配电路方案，使得功率放大器能并发工作在三频带，这将具有广阔的应用前景。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出一种新型的三频带复数阻抗与系统阻抗Z₀的传输线网络匹配方法，所有传输线参数均可以解析求解，并将其应用到功率放大器的输入与输出匹配网络中，使得功率放大器能同时工作在三个频带。

本发明为一种三频带功率放大器及其阻抗匹配网络的设计方法，三个频带的中心工作频率为f₁，f₂和f₃，其特征在于：由输入阻抗匹配网络，晶体管，以及输出匹配网络构成；

功放晶体管在三个工作频带处呈现三个最佳源阻抗和三个最佳负载阻抗，输入阻抗匹配电路同时实现三个最佳源阻抗与系统阻抗Z₀的匹配功能，输出阻抗匹配电路同时实现三个最佳负载阻抗与系统阻抗Z₀的匹配功能。

所述的输入匹配网络由一根特征阻抗为Z₀的传输线、输入隔直电容、三频带阻抗匹配网络、RC稳定电路、栅极传输线依次串联构成；其中RC稳定电路位于栅极传输线与三频带阻抗匹配网络之间，用来保证晶体管在工作频带内保持稳定；

所述的输出匹配网络由漏极传输线、三频带阻抗匹配网络、输出隔直电容，一根特征阻抗为Z₀的传输线依次串联构成；

所述的三频带阻抗匹配网络是本发明的关键部分，包括一根调谐传输线TLx一端连接栅极或者漏极传输线，另一端连接一个T型传输线网络(传输线TLa、并联枝节S1、传输线TLb)、传输线TLb一端连接一根特征阻抗为Z₀的传输线TLc、传输线TLc的另一端连接一个三频带电纳枝节网络；调谐传输线的作用是增加可匹配的阻抗范围；其中三频带电纳枝节网络由两根相同特征阻抗和电长度的传输线TL1和TL2串联，以及一根位于其中间位置的终端并联开路枝节S2构成，传输线TL1的一段连接传输线TLc，另一端和传输线TL2相连，而传输线TL2的另一端则通过电容被短路到地；此三频带电纳枝节网络亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络；

所述的调谐传输线TLx和T型传输线网络(TLa、S1、TLb)能实现频率f₁和f₃的复数阻抗到系统阻抗Z₀的匹配；传输线TLc和三频带电纳枝节网络能实现频率f₂处复数阻抗到系统阻抗Z₀匹配的同时，不改变频率f₁和f₃处已经匹配好的阻抗；除了调谐传输线TLx外，其余的所有传输线参数都能根据本发明给出设计公式得到。

所述的三频带阻抗匹配网络的所有传输线参数根据如下的设计公式(1)～(14)得到，假设需要匹配的复数阻抗在三个特定工作频率f₁、f₂和f₃分别为Z_L,f1＝R_L1+jB_L1，Z_L,f2＝R_L2+jB_L2，Z_L,_f3＝R_L3+jB_L3；调谐传输线TLx的特征阻抗Z_x和电长度θ_x都为自由变量；

在已知负载阻抗Z_L和一段串联传输线参数(特征阻抗为Z，电长度为θ)的情况下，可以利用经典的传输线阻抗方程(1)求出其输入阻抗Z_in，之后将不再重复阐述此理论；

利用传输线阻抗方程求出经过传输线TLx的输入阻抗如(2)所述，在频率f₁和f₃分别为Z_in1,f1＝R_1x+jX_1x，Z_in1,f3＝R_3x+jX_3x；

传输线TLa的特征阻抗为：

传输线TLa在频率f₁的电长度θ_a为：

其中r为频率比f₃/f₁，n＝0或者1是为了保证θ_a为正数；

利用传输线阻抗方程求出经过传输线TLa的输入导纳在频率f₁和f₃分别为Y_in2,f1＝G₂+jB₂，Y_in2,f3＝G₂-jB₂，传输线TLb在频率f₁的电长度θ_b为：

传输线TLb的特征阻抗Z_b为：

并联枝节S1在频率f₁的电长度θ_s1由下式可得

其中m＝0或者1是为了保证θ_s1为正数；

并联枝节S1的特征阻抗Z_s1由下式可得

至此确定了调谐传输线TLx和T型传输线网络的参数，完成了频率f₁和f₃的匹配工作，可以由传输线阻抗方程求出传输线TLc向左看的输入导纳为Y_in3,f1＝G₀，Y_in3,f2＝G₃+jB₃，Y_in3,f3＝G₀，传输线TLc在频率f₁的电长度θ_c为：

其中q＝0或者1是为了保证θ_c为正数；

传输线TL1和传输线TL2以及并联开路枝节S2在频率f₁的电长度θ₁和θ₂以及θ_s2分别为：

传输线TL1和传输线TL2以及并联开路枝节S2的特征阻抗Z₁和Z₂以及Z_s2分别为：

其中

至此计算出了三频带阻抗匹配网络的所有传输线网络的参数。

所述的三频带阻抗匹配网络的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定需要匹配的复数阻抗在三个特定工作频率f₁、f₂和f₃分别为Z_L,f1＝R_L1+jB_L1，Z_L,_f2＝R_L2+jB_L2，Z_L,f3＝R_L3+jB_L3；

步骤2：选取合适的调谐传输线TLx电长度θ_x，逐步增大特征阻抗Z_x，为了使得特征阻抗值满足微带线可实现范围以及减少串联微带线的不连续性，其特征阻抗一般为20Ω至50Ω之间，根据公式(2)至(8)依次计算T型传输线网络(TLa、S1、TLb)的参数；

步骤3：在公式(9)得出B₄的情况下，通过公式(9)至(14)依次计算并选择三频带电纳枝节网络的参数；

步骤4：检查所有传输线特征阻抗值处于20Ω至120Ω范围内，否则返回步骤2；

步骤5：在满足步骤4的情况下，选择所有传输线特征阻抗值分布较接近、且总体电长度较短的三频带阻抗匹配网络方案。

本发明提出了一种三频带功率放大器及其阻抗匹配网络的求解方法，有益效果是：(1)提出了一种新型的三频带复数阻抗到系统阻抗Z₀的匹配网络解析求解方法，灵活选择Z_x的值，可以降低使用极高/极低的特征阻抗传输线的可能性；(2)三频带电纳枝节网络可以作为电源偏置线，有效简化了晶体管匹配网络设计的复杂度；(3)三频带电纳枝节网络引入了位于频率f₁和频率和f₃中心的一个固定传输零点(f₁+f₃)/2，使其兼具一定的带外抑制功能。

附图说明

图1为三频带功率放大器的整体功能框图。

图2为三频带阻抗匹配网络的电路结构图。

图3为三频带阻抗匹配网络设计流程图。

图4为实施例的三频带阻抗匹配网络的其余传输线参数随特征阻抗Z_x的变化示意图。

图5为实施例的输出匹配网络的三频带阻抗匹配电路结构及其S参数仿真结果图。

图6为实施例的整体电路结构示意图。

图7为实施例的漏极效率和输出功率仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。对于本领域普通技术人员来讲，基于本发明中的实施例，在没做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明为一种三频带功率放大器及其阻抗匹配网络的设计方法，由输入阻抗匹配网络，晶体管，以及输出匹配网络构成；功放晶体管在三个工作频带处呈现三个最佳源阻抗和三个最佳负载阻抗，输入阻抗匹配电路同时实现三个最佳源阻抗与系统阻抗50Ω的匹配功能，输出阻抗匹配电路同时实现三个最佳负载阻抗与系统阻抗50Ω的匹配功能。

所述的输入匹配网络由一根特征阻抗为Z₀的传输线、输入隔直电容、三频带阻抗匹配网络、RC稳定电路、栅极传输线依次串联构成；其中RC稳定电路位于栅极传输线与三频带阻抗匹配网络之间，用来保证晶体管在工作频带内保持稳定。

所述的输出匹配网络由漏极传输线、三频带阻抗匹配网络、输出隔直电容，一根特征阻抗为Z₀的传输线依次串联构成。

图2为三频带阻抗匹配网络的电路拓扑图，包括一根调谐传输线TLx一端连接栅极或者漏极传输线，另一端连接一个T型传输线网络(传输线TLa、并联枝节S1、传输线TLb)、传输线TLb一端连接一根特征阻抗为Z₀的传输线TLc、传输线TLc的另一端连接一个三频带电纳枝节网络；调谐传输线的作用是增加可匹配的阻抗范围；其中三频带电纳枝节网络由两根相同特征阻抗和电长度的传输线TL1和TL2串联，以及一根位于其中间位置的终端并联开路枝节S2构成，传输线TL1的一段连接传输线TLc，另一端和传输线TL2相连，而传输线TL2的另一端则通过电容被短路到地；此三频带电纳枝节网络亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络。

所述的调谐传输线TLx和T型传输线网络(TLa、S1、TLb)能实现频率f₁和f₃的复数阻抗到系统阻抗Z₀的匹配；传输线TLc和三频带电纳枝节网络能实现频率f₂处复数阻抗到系统阻抗Z₀匹配的同时，不改变频率f₁和f₃处已经匹配好的阻抗。

本发明实施例选取CREE公司生产的CG2H40010F进行三频带功率放大器的设计，工作频段选取5G通信常用频段f₁＝2.6GHz，f₂＝3.4GHz，f₃＝4.9GHz；对放大器进行负载牵引和源牵引仿真确定三个频带的最佳负载阻抗和最佳源阻抗如下：

图3为三频带阻抗匹配网络设计流程图，根据此流程图，以输出阻抗匹配网络中的三频带阻抗匹配网络为例，可以得出如图4所示的曲线，即三频带阻抗匹配网络的其余传输线参数随特征阻抗Z_x的变化，设定传输线特征阻抗范围为20Ω至120Ω，即图4中的可选范围，综合考虑总体电长度和减少微带线之间的不连续性，选择Z_x＝23Ω，θ_x＝30°。

图5为输出匹配网络的三频带阻抗匹配电路结构及其S参数仿真结果图，可以看到低频带2.6GHz，中频带3.4GHz和高频带4.9GHz信号的S11值都在-40dB以下，在频率3.75GHz的S11值接近于0dB，该电路可以很好地实现中三个频带的匹配工作，并引入了一个传输零点(f₁+f₃)/2＝3.75GHz。

同理可以设计输入阻抗匹配网络中三频带阻抗匹配网络，然后将两个部分级联起来，组成了如图6所示三频带功率放大器的整体电路结构图；图7为本实施例三频带功率放大器的漏极效率和输出功率仿真结果图，由图可知，所述实施例在3.75GHz有一个零点，可以有效抑制其附近的杂散信号；在国内5G通信的典型工作频段2.6GHz、3.4GHz和4.9GHz，获得了良好的三频带特性，满足当今无线通信频段内多频段功率放大器的需求；2.6GHz的漏极效率为74.9％，对应的输出功率为42.5dBm；3.4GHz的漏极效率为73.9％，对应的输出功率为41.8dBm；4.9GHz的漏极效率为67.5％，对应的输出功率为41.5dBm，。

Claims (3)

1.一种三频带功率放大器，三个频带的中心工作频率为f₁，f₂和f₃，其特征在于：由输入阻抗匹配网络，晶体管，以及输出匹配网络构成；

所述的输入匹配网络由一根特征阻抗为Z₀的传输线、输入隔直电容、三频带阻抗匹配网络、RC稳定电路、栅极传输线依次串联构成；其中RC稳定电路位于栅极传输线与三频带阻抗匹配网络之间，用来保证晶体管在工作频带内保持稳定；

所述的输出匹配网络由漏极传输线、三频带阻抗匹配网络、输出隔直电容，一根特征阻抗为Z₀的传输线依次串联构成；

所述的三频带阻抗匹配网络是本发明的关键部分，包括一根调谐传输线TLx一端连接栅极或者漏极传输线，另一端连接一个T型传输线网络(传输线TLa、并联枝节S1、传输线TLb)、传输线TLb一端连接一根特征阻抗为Z₀的传输线TLc、传输线TLc的另一端连接一个三频带电纳枝节网络；调谐传输线的作用是增加可匹配的阻抗范围；其中三频带电纳枝节网络由两根相同特征阻抗和电长度的传输线TL1和TL2串联，以及一根位于其中间位置的终端并联开路枝节S2构成，传输线TL1的一段连接传输线TLc，另一端和传输线TL2相连，而传输线TL2的另一端则通过电容被短路到地；此三频带电纳枝节网络亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络；

所述的调谐传输线TLx和T型传输线网络(TLa、S1、TLb)能实现频率f₁和f₃的复数阻抗到系统阻抗Z₀的匹配；传输线TLc和三频带电纳枝节网络能实现频率f₂处复数阻抗到系统阻抗Z₀匹配的同时，不改变频率f₁和f₃处已经匹配好的阻抗；除了调谐传输线TLx外，其余的所有传输线参数都能根据本发明给出设计公式得到。

2.根据权利要求1所述的三频带阻抗匹配网络的参数根据如下的设计公式(1)～(14)得到，假设需要匹配的复数阻抗在三个特定工作频率f₁、f₂和f₃分别为Z_L,f1＝R_L1+jB_L1，Z_L,_f2＝R_L2+jB_L2，Z_L,f3＝R_L3+jB_L3；调谐传输线TLx的特征阻抗Z_x和电长度θ_x都为自由变量；

在已知负载阻抗Z_L和一段串联传输线参数(特征阻抗为Z，电长度为θ)的情况下，可以利用经典的传输线阻抗方程(1)求出其输入阻抗Z_in，之后将不再重复阐述此理论；

利用传输线阻抗方程求出经过传输线TLx的输入阻抗如(2)所述，在频率f₁和f₃分别为/>

传输线TLa的特征阻抗为：

传输线TLa在频率f₁的电长度θ_a为：

其中r为频率比f₃/f₁，n＝0或者1是为了保证θ_a为正数；

利用传输线阻抗方程求出经过传输线TLa的输入导纳在频率f₁和f₃分别为Y_in2,f1＝G₂+jB₂，Y_in2,f3＝G₂-jB₂，传输线TLb在频率f₁的电长度θ_b为：

传输线TLb的特征阻抗Z_b为：

并联枝节S1在频率f₁的电长度θ_s1由下式可得

其中m＝0或者1是为了保证θ_s1为正数；

并联枝节S1的特征阻抗Z_s1由下式可得

至此确定了调谐传输线TLx和T型传输线网络的参数，完成了频率f₁和f₃的匹配工作，可以由传输线阻抗方程求出传输线TLc向左看的输入导纳为Y_in3,f1＝G₀，Y_in3,f2＝G₃+jB₃，Y_in3,f3＝G₀，传输线TLc在频率f₁的电长度θ_c为：

其中q＝0或者1是为了保证θ_c为正数；

传输线TL1和传输线TL2以及并联开路枝节S2在频率f₁的电长度θ₁和θ₂以及θ_s2分别为：

传输线TL1和传输线TL2以及并联开路枝节S2的特征阻抗Z₁和Z₂以及Z_s2分别为：

其中

其中

至此计算出了三频带阻抗匹配网络的所有传输线网络的参数。

3.根据权力要求书1所述的三频带阻抗匹配网络的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定需要匹配的复数阻抗在三个特定工作频率f₁、f₂和f₃分别为Z_L,f1＝R_L1+jB_L1，Z_L,f2＝R_L2+jB_L2，Z_L,f3＝R_L3+jB_L3；

步骤2：选取合适的调谐传输线TLx电长度θ_x，逐步增大特征阻抗Z_x，为了使得特征阻抗值满足微带线可实现范围以及减少串联微带线的不连续性，其特征阻抗一般为20Ω至50Ω之间，根据公式(2)至(8)依次计算T型传输线网络(TLa、S1、TLb)的参数；

步骤3：在公式(9)得出B₄的情况下，通过公式(9)至(14)依次计算并选择三频带电纳枝节网络的参数；

步骤4：检查所有传输线特征阻抗值处于20Ω至120Ω范围内，否则返回步骤2；

步骤5：在满足步骤4的情况下，选择所有传输线特征阻抗值分布较接近、且总体电长度较短的三频带阻抗匹配网络方案。