CN116599474A - 一种双频宽带高效率功率放大器及其设计方法 - Google Patents

一种双频宽带高效率功率放大器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频宽带高效率功率放大器及其设计方法，其中放大管为基于SiC的宽带GaN射频功率晶体管，其特征在于：(1)提出了一种双频高效率负载/源阻抗牵引方法，用于功率放大器效率提升，简化了传统方法中先进行负载牵引，后设计谐波抑制网络和基波阻抗匹配网络的复杂流程；(2)提出了一种双频宽带复数阻抗到实数阻抗的匹配方法，该方法得到的所有设计参数满足Q＝2的等Q圆条件，具有解析解，不需要进行调谐或者优化就能实现双频宽带性能；本发明可以保证复数阻抗在匹配过程中电路的Q值小于2，不仅扩展了双频功率放大器的带宽，还能显著降低使用极高/极低特征阻抗值微带线的可能性。

Description

一种双频宽带高效率功率放大器及其设计方法
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两个宽频带的高效率功率放大器。
背景技术
现代移动通信系统正不断朝着多频带，大带宽，绿色低耗的方向发展。作为无线发射机的关键组件，符合带宽需求的双频带高效率微波功率放大器能够显著降低系统复杂度和能耗，节约成本。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，而双频带功率放大器能够在独立的两个频带实现高效率。
现有技术实现的双频带功率放大器的带宽大都小于100MHz，不能满足日益增长的带宽需求，如5G移动通信FR1频段的最大带宽为200MHz。在双频带功率放大器的设计中，双频带基波阻抗匹配网络对带宽以及效率极其重要，它与晶体管的工作状态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，在不同的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。另外整个匹配电路的品质因素Q值与功放的带宽息息相关，而现有方法在实现双频基波复数阻抗匹配的同时，没有关注Q值的变化，导致双频带功率放大器的其中一个带宽或者两个带宽都偏小，不能满足系统要求。
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双频宽带复数阻抗匹配电路方案，使得整个匹配电路的Q值维持在某一范围内，扩展两个工作频带的带宽，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双频带复数阻抗与系统阻抗Z0的传输线网络匹配方法，将双频点的阻抗匹配轨迹限制在等Q圆(Q＝2)内，所有传输线参数均可以解析求解，将其应用到功率放大器的输入与输出匹配网络中，并加入双频带二次谐波抑制电路，使得功率放大器能高效率的同时工作在两个宽频带。
本发明为一种双频宽带高效率功率放大器及其设计方法，两个频带的中心工作频率为f1和f2，均小于6GHz，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；
优选地，放大管为基于SiC的宽带GaN射频功率晶体管，在两个工作频带处呈现两个最佳源阻抗和两个最佳负载阻抗，输入阻抗匹配电路同时实现两个最佳源阻抗与系统阻抗Z0＝50Ω的匹配功能，输出阻抗匹配电路同时实现两个最佳负载阻抗与系统阻抗Z0＝50Ω的匹配功能。
所述的输入匹配网络由一根特征阻抗为50Ω的微带线、输入隔直电容、双频宽带阻抗匹配网络、RC稳定电路、RC焊盘、栅极微带线依次串联构成；其中RC稳定电路位于栅极传输线与双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双频二次谐波抑制网络、双频宽带阻抗匹配网络、输出隔直电容、一根特征阻抗为50Ω的微带线依次串联构成；
所述的双频二次谐波抑制网络由两段长度为1mm，宽度大于晶体管引脚焊盘的微带线TL1，以及并联在其中心的上下两段开路枝节微带线TS1和TS2构成，开路枝节微带线TS1的电长度在频率f1为1/8波长，开路枝节微带线TS2的电长度在频率f2为1/8波长，分别实现两个基波的二次谐波抑制功能；
所述的双频带阻抗匹配网络是本发明的关键部分，包括一根调谐微带线TLx，其一端连接栅极微带线或者双频二次谐波抑制网络，另一端并联一个开路/短路枝节微带线S1，再串联一根微带线TLa，微带线TLa的另一端并联了一个开路枝节微带线S2o和一个短路枝节微带线S2s；短路枝节微带线S2s亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络；
所述的调谐微带线TLx和开路/短路枝节微带线S1实现频率f1的复数阻抗到系统阻抗Z0＝50Ω的匹配；传输线TLa、相同特征阻抗的开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s能实现频率f1复数阻抗到系统阻抗Z0＝50Ω匹配的同时，不改变频率f2已经匹配好的阻抗；除了调谐微带线TLx的特征阻抗为自由变量外，其余的所微带线的特征阻抗和电长度都能根据本发明给出设计公式得到。
所述的双频宽带功率放大器需要按照以下流程进行设计：
第一步：确定晶体管的直流偏置电压，从而进一步的确定RC稳定电路的取值；栅极微带线的宽度大于晶体管栅极引脚的宽度，长度要大于晶体管栅极引脚的长度；RC焊盘的宽度与栅极微带线的宽带一致，长度取1mm；微带线TL1的宽度大于晶体管漏极引脚的宽度，长度取1mm；
第二步：确定栅极微带线、RC稳定电路、RC焊盘、双频二次谐波抑制网络后，分别在工作频率为f1和f2进行负载牵引和源牵引，谐波阻抗取50Ω，得出两个最佳负载阻抗和两个最佳源阻抗；
第三步：以输出阻抗匹配网络中的双频宽带阻抗匹配网络设计为例，假设需要匹配的复数阻抗(最佳负载阻抗的共轭)在两个特定工作频率f1和f2分别为ZL,f1＝RL1+jXL1，ZL,f2＝RL2+jXL2，或者为导纳形式的YL,f1＝GL1+jBL1，YL,f2＝GL2+jBL2，频率比r＝f2/f1；
在已知负载阻抗ZL或者导纳YL和一段串联传输线参数(特征阻抗为Z或者特征导纳Y，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Zin或者输入导纳Yin，之后将不再重复阐述此理论；
调谐微带线TLx的特征阻抗Zx为自由变量，一般为20Ω至50Ω，将导纳YL,f2转到单位电导圆上，也就是其导纳的实部为G0(G0＝1/Z0)，微带线TLx在频率f1的电长度θx为；
其中n＝0或者1是为了保证θx为正数；
利用传输线阻抗方程求出经过调谐微带线TLx的输入导纳在频率f1和f2分别为Yin1,f1＝Gin1,f1+jBin1,f1，Yin1,f2＝G0+jBin1,f2，开路/短路枝节微带线S1用来补偿掉Yin1,f2的电纳部分，为了减小微带线的T型结效应，开路/短路枝节微带线S1特征阻抗Zs1取40Ω至100Ω，如果Bin1,f2小于0，则S1为开路枝节微带线，反之S1为短路枝节微带线；
确定了调谐微带线TLx和开路/短路枝节微带线S1后，完成了在频率f2的匹配工作，此时的输入导纳为Yin2,f1＝Gin2,f1+jBin2,f1，Yin2,f2＝G0，串联微带线TLa的特征阻抗为Z0，所以不会改变Yin2,f2，串联微带线TLa要将导纳Yin2,f1转换到单位电导圆上，也就是其导纳的实部为G0，串联微带线TLa在频率f1的电长度θa可以通过公式(4)得出，若Yin2,f1在单位电导圆内，则Bin3,f1取正数，反之，则Bin3,f1取负数；其中m＝0或者1是为了保证θa为正数；
开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s组合形成的电纳在频率f1为-Bin3,f1，在频率f2的电纳为0，即开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s的特征阻抗Zs2需满足如下等式：
若开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s在频率f2的电长度相加为90°，则可以满足在频率f2的电纳为0这个条件，则特征阻抗Zs2可以通过公式(6)获得：
为避免开路枝节微带线S2o的容性电纳过大，或者短路枝节微带线S2s的感性电纳过大，超出Q＝2的圆，限制开路枝节微带线S2o的电长度在频率f2小于76°和短路枝节微带线S2o的电长度在频率f2大于14°；
至此可以确定双频宽带阻抗匹配网络的特征阻抗和电长度，并且还可以通过依次增大调谐微带线TLx的特征阻抗Zx，从而得到多组解的合集，从中选出阻抗匹配轨迹满足Q≤2的解的合集，综合考虑总体电长度和减少微带线之间的不连续性，选择最佳的一组双频宽带阻抗匹配网络的参数；
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)提出了一种新型的双频带复数阻抗到系统阻抗Z0＝50Ω的匹配网络解析求解方法，保证其阻抗匹配过程中的Q值小于2，从而扩展了双频功率放大器的带宽；(2)可以灵活选择Zx的值，降低使用极高/极低的特征阻抗微带线的可能性，减少由理论传输线到微带线实现所需的优化时间；(3)提出了一种先实行双频谐波抑制网络设计，后实行负载牵引的双频功放设计方法，有利于效率的提升，简化了传统的先进行负载牵引后设计谐波抑制网络和基波匹配网络的流程。
附图说明
图1为双频宽带高效率功率放大器的整体电路图。
图2为双频宽带高效率功率放大器的负载牵引和源牵引示意图。
图3为双频宽带阻抗匹配网络的电路拓扑图。
图4为双频宽带阻抗匹配网络设计流程图。
图5为实施例的双频宽带阻抗匹配网络的其余传输线参数随特征阻抗Zx的变化示意图。
图6为实施例的输出匹配网络的双频宽带阻抗匹配电路及其S参数仿真结果图。
图7为实施例的负载阻抗在smith圆图上的匹配轨迹。
图8为实施例的微带线尺寸示意图。
图9为实施例的漏极效率和输出功率版图仿真结果图。
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，本发明为一种双频宽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；
所述的输入匹配网络由一根特征阻抗为50Ω的微带线、输入隔直电容、双频宽带阻抗匹配网络、RC稳定电路、RC焊盘、栅极微带线依次串联构成；其中RC稳定电路位于栅极传输线与双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双频二次谐波抑制网络、双频宽带阻抗匹配网络、输出隔直电容、一根特征阻抗为50Ω的微带线依次串联构成；
本发明实施例选取CREE公司生产的CG2H40010F进行双频宽带高效率功率放大器的设计，工作频段选取5G通信常用频段f1＝2.6GHz，f2＝3.5GHz，漏极偏置电压为28V，栅极电压为-2.8V，静态漏极电流为100mA；
所述的双频二次谐波抑制网络由两段长度为1mm，宽度为3.12mm的微带线TL1，以及并联在其中心的上下两段开路枝节微带线TS1和TS2构成，开路枝节微带线TS1的宽度为0.41mm，长度为10.5mm，在频率2f1引入短路点，开路枝节微带线TS1的宽度为0.41mm，长度为7.6mm，在频率2f2引入短路点，分别实现两个基波的二次谐波抑制功能；
按照图2所示的双频宽带高效率功率放大器的负载牵引和源牵引方法，对晶体管CG2H40010F进行牵引得到两个频带中心频率的最佳负载阻抗和最佳源阻抗如下表：
所述的双频宽带阻抗匹配网络是本发明的关键部分，如图3所示，包括一根调谐微带线TLx，其一端连接栅极微带线或者双频二次谐波抑制网络，另一端并联一个开路/短路枝节微带线S1，再串联一根微带线TLa，微带线TLa的另一端并联了一个开路枝节微带线S2o和一个短路枝节微带线S2s；短路枝节微带线S2s亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络；
图4为双频宽带高效率功率放大器的设计流程图，根据此流程图，以输出阻抗匹配网络中的双频宽带阻抗匹配网络为例，可以得出如图5所示的曲线，即双频宽带阻抗匹配网络的其余传输线参数随特征阻抗Zx的变化，限定传输线特征阻抗范围为20Ω至120Ω，综合考虑总体电长度和减少微带线之间的不连续性，选择Zx＝22Ω。
图6为两个负载阻抗在Smith圆图上的阻抗匹配轨迹，可以看出两组匹配轨迹均处于Q＝2的圆内，结合该图可以更加清晰的明白本发明实施例的匹配思想；图7为输出匹配网络的双频宽带阻抗匹配网络电路及其S参数仿真结果图，可以看出特征阻抗范围都在20Ω至120Ω之间，在2.6GHz和3.5GHz的S11值都在-40dB以下，而且-10dB带宽都大于200MHz，说明该电路可以很好地实现双频宽带工作。
同理可以设计输入阻抗匹配网络中双频宽带阻抗匹配网络，然后转换为微带线的实际尺寸，将其与晶体管和输出阻抗匹配网络级联起来，组成了如图8所示双频宽带高效率功率放大器微带线尺寸示意图；图9为本实施例考虑到实际微带线损耗的漏极效率和输出功率版图仿真结果图，由图可知，所述实施例在国内5G通信的典型工作频段2.6GHz和3.5GHz，获得了良好的双频宽带特性，漏极效率大于65％的情况下，低频段为2.51GHz至2.73GHz，带宽为220MHz，高频段为3.35GHz至3.73GHz，带宽为380MHz，都满足当今5G无线通信频段最大带宽200MHz的需求。

Claims (3)

1.一种双频宽带高效率功率放大器及其设计方法，两个频带的中心工作频率为f1和f2，其中放大管为基于SiC的宽带GaN射频功率晶体管，其特征在于：提出了一种双频高效率负载/源阻抗牵引方法和一种双频宽带复数阻抗到实数阻抗的匹配方法；
所述的一种双频高效率负载/源阻抗牵引的方法，用于得到针对于效率优化的两个最佳负载阻抗和源阻抗，进行负载/源牵引时，需要预先设置好输入匹配网络中的稳定网络和输出匹配网络中的双频二次谐波抑制网络；
所述的双频二次谐波抑制网络由两段长度为1mm，宽度大于晶体管引脚焊盘的微带线TL1，以及并联在其中心的上下两段开路枝节微带线TS1和TS2构成，开路枝节微带线TS1的电长度在频率f1为1/8波长，开路枝节微带线TS2的电长度在频率f2为1/8波长，分别实现两个基波的二次谐波短路抑制功能；
所述的双频带阻抗匹配网络是本发明的关键部分，所有设计参数满足Q＝2的等Q圆条件，能实现宽带性能，包括一根调谐微带线TLx，其一端连接栅极微带线或者双频二次谐波抑制网络，另一端并联一个开路/短路枝节微带线S1，再串联一根微带线TLa，微带线TLa的另一端并联一个开路枝节微带线S2o和一个短路枝节微带线S2s；短路枝节微带线S2s亦作为栅极或者漏极的电源偏置网络；
所述的调谐微带线TLx和开路/短路枝节微带线S1实现频率f1的复数阻抗到系统阻抗Z0＝50Ω的匹配；传输线TLa、相同特征阻抗的开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s能在实现频率f1复数阻抗到系统阻抗Z0＝50Ω匹配的同时，不改变频率f2已经匹配好的阻抗；除了调谐微带线TLx的特征阻抗为自由变量外，其余所有微带线的特征阻抗和电长度都能根据本发明给出的设计公式得到。
2.根据权利要求1所述的双频宽带功率放大器需要按照以下流程进行设计：
第一步：确定晶体管的直流偏置电压，从而进一步的确定RC稳定电路的取值；栅极微带线的宽度大于晶体管栅极引脚的宽度，长度大于晶体管栅极引脚的长度；RC焊盘的宽度与栅极微带线的宽带一致，长度取1mm；微带线TL1的宽度大于晶体管漏极引脚的宽度，长度取1mm；
第二步：确定栅极微带线、RC稳定电路、RC焊盘、双频二次谐波抑制网络后，分别在工作频率f1和f2进行负载牵引和源牵引，谐波阻抗取50Ω，得出两个最佳负载阻抗和两个最佳源阻抗；
第三步：以输出阻抗匹配网络中的双频宽带阻抗匹配网络设计为例，假设需要匹配的复数阻抗(最佳负载阻抗的共轭)在工作频率f1和f2分别为ZL,f1＝RL1+jXL1，ZL,f2＝RL2+jXL2，或者用导纳形式表示为YL,f1＝GL1+jBL1，YL,f2＝GL2+jBL2，频率比r＝f2/f1；
调谐微带线TLx的特征阻抗Zx为自由变量，一般为20Ω至50Ω，其作用是将导纳YL,f2转到单位电导圆上，也就是其导纳的实部为G0(G0＝1/Z0)，微带线TLx在频率f1的电长度θx为；
其中n取0或者1确保θx为正数；
利用传输线阻抗方程求出经过调谐微带线TLx的输入导纳在频率f1和f2分别为Yin1,f1＝Gin1,f1+jBin1,f1，Yin1,f2＝G0+jBin1,f2，开路/短路枝节微带线S1用来补偿掉Yin1,f2的电纳部分，为了减小微带线的T型结效应，开路/短路枝节微带线S1的特征阻抗Zs1取40Ω至100Ω，如果Bin1,f2小于0，则S1为开路枝节微带线，反之S1为短路枝节微带线；
确定了调谐微带线TLx和开路/短路枝节微带线S1后，即完成在频率f2的匹配，此时的输入导纳为Yin2,f1＝Gin2,f1+jBin2,f1，Yin2,f2＝G0，串联微带线TLa的特征阻抗为Z0，所以不会改变Yin2,f2，串联微带线TLa将导纳Yin2,f1转换到单位电导圆上，即其导纳的实部为G0，串联微带线TLa在频率f1的电长度θa可以通过公式(3)得出，若Yin2,f1在单位电导圆内，则Bin3,f1取正数；反之，则Bin3,f1取负数；其中m取0或者1确保θa为正数；
开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s组合形成的电纳在频率f1为-Bin3,f1，在频率f2的电纳为0，即开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s的特征阻抗Zs2需满足如下等式：
若开路枝节微带线S2o和短路枝节微带线S2s在频率f2的电长度相加等于90°，则可以满足在频率f2电纳等于0的条件，则特征阻抗Zs2可以通过公式(5)获得：
为避免开路枝节微带线S2o的容性电纳过大，或者短路枝节微带线S2s的感性电纳过大，超出Q＝2的等Q圆范围，从而限制开路枝节微带线S2o的电长度在频率f2小于76°，短路枝节微带线S2o的电长度在频率f2大于14°。
3.根据权利要求2得到的双频宽带阻抗匹配网络的特征阻抗和电长度，可以通过依次增大调谐微带线TLx的特征阻抗Zx，从而得到多组解，进而从中选出阻抗匹配轨迹满足Q≤2范围的解，综合考虑电路总体电长度和微带线之间不连续性后，最终选择最佳解作为双频宽带阻抗匹配网络的设计参数。
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