CN117200710A - 一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器 - Google Patents
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Abstract
一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，基于负反馈的超宽带高效率功放的设计方法在保证带宽的同时，提升了功放的效率、降低了阻抗匹配难度，同时显著提升了效率和增益的平坦度,满足在通信、导航、遥感等系统中对高效率高带宽功率放大器的需求，解决了传统平衡式功放和分布式功放存在的效率不够高、电路体积大的问题，以及混合连续模式功放存在的匹配困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，属于通信导航技术领域。
背景技术
宽带高效功率放大器(简称功放)是宽带大容量卫星载荷系统关键硬件。由于卫星自身频谱、功率资源的紧缺性，如何突破传统的放大器理论和方法，在更宽频带内实线高效率，已经成为宽带卫星载荷系统实现的“瓶颈”。
传统功放和连续模式功放的理论带宽拓展极限通常仅限一个倍频，当工作带宽超出一个倍频时，连续模式功放一些频点的二次谐波会落在工作频带内，无法实现在全频带将基波和谐波阻抗精准匹配到最优阻抗区域内，因此选择在理论上通过牺牲部分效率，实现功率放大器多倍频带宽的拓展。而如何减小效率的牺牲，兼顾多倍频带内的整体性能，并为输出匹配网络的设计提供了明确的方向仍是功率放大器多倍频带宽拓展技术中需要解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，提高微波功率放大器工作带宽。
本发明的技术解决方案是：一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，包括功放输入网络、功放负反馈网络和输出网络；
所述功放输入网络连接功放负反馈网络，用于进行功放的输入匹配和信号稳定；
所述功放负反馈网络，连接功放晶体管的栅极与漏极，控制由漏极至栅极的负反馈信号的频率和大小，平衡功放高频段与低频段的增益与效率，通过降低低频段的增益与效率，改善高频段增益与效率下降；
所述功放输出网络用于进行功放的输出匹配，将功放的输出端匹配至需要的频段。
进一步地，所述功放输入网络包括若干电阻、若干电容、若干条形微带线、凸字形微带线；
第一条形微带线的一端接收输入信号，第一条形微带线的的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第一凸字形微带线的第一端；第二电容与第一电阻并联，二者串联连接在第一凸字形微带线的第二端与第二凸字形微带线的第一端之间；第二电阻串联连接在第二凸字形微带线第二端与第二条形微带线的一端之间，第二条形微带线的另一端连接晶体管栅极电源；第二凸字形微带线的第三端连接第三凸字形微带线的第一端，第三凸字形微带线的第二端连接负反馈回路，第三凸字形微带线的第三端连接晶体管栅极。
进一步地，所述功放输入网络中，第二电容与第一电阻的并联网络，以及所连接的第二凸字形微带线构成稳定网络结构，用于进行功放的信号稳定；其中，微带线的长宽、电容和电阻的大小共同决定功放的稳定性性能。
进一步地，所述第一凸字形微带线和第三条形微带线用于进行功放的输入匹配，其长宽参数决定功放输入匹配。
进一步地，所述功放负反馈网络包括若干电阻、若干电容、若干电感、若干条形微带线、弧形微带线；第三条形微带线的一端连接功放输入网络，另一端依次连接第一弧形微带线、第四条形微带线、第三电容、第五条形微带线、第一电感、第二弧形微带线、第三电阻、第五条形微带线和功放输出网络。
进一步地，所述第一弧形微带线和所述第二弧形微带线的弯曲角度为90度。
进一步地，所述功放负反馈网络中，电容、电感和电阻的参数值共同决定负反馈信号的大小、频率，微带线用于调整信号相位；根据功率放大器工作频率和负反馈信号需要的大小调整电容、电感和电阻以及微带线的参数值。
进一步地，所述功放输出网络包括若干电容、四方微带线、若干条形微带线；所述四方微带线的第一端连接晶体管漏极，第二端连接负反馈回路，第三端依次连接第六条形微带线、第七条形微带线、第八条形微带线和电源，第四端依次连接第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第电容、第十三条形微带线和功放输出网络输出端。
进一步地，所述第三端依次连接第六条形微带线、第七条形微带线、第八条形微带线构成输出匹配网络，所述第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第电容、第十三条形微带线构成偏置线路，用于阻隔射频；根据输出匹配的要求确定微带线的长宽。
进一步地，所述第六条形微带线、第七条形微带线平行布置，第八条形微带线与第六条形微带线、第七条形微带线垂直布置；所述第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第十三条形微带线平行布置；所述第六条形微带线、第七条形微带线与第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第十三条形微带线垂直布置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
相比于传统平衡式功放和分布式功放存在的效率不够高、电路体积大的问题，以及混合连续模式功放存在的匹配困难的问题，本发明基于负反馈的超宽带高效率功放的设计方法在保证带宽的同时，提升了功放的效率、降低了阻抗匹配难度，同时显著提升了效率和增益的平坦度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明功放输入网络结构示意图；
图2为本发明功放负反馈网络结构示意图；
图3为本发明不同频率下功率(左)、效率(右)等值线示意图；
图4为本发明输出网络结构示意图；
图5为本发明输出负载阻抗表现在在功率(左)、效率(右)等值线示意图；
图6为本发明实施例总体结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1、2、4所示)：功放输入网络、功放负反馈网络和输出网络；所述功放输入网络连接功放负反馈网络，用于进行功放的输入匹配和信号稳定；所述功放负反馈网络，连接功放晶体管的栅极与漏极，控制由漏极至栅极的负反馈信号的频率和大小，平衡功放高频段与低频段的增益与效率，通过降低低频段的增益与效率，改善高频段增益与效率下降；所述功放输出网络用于进行功放的输出匹配，将功放的输出端匹配至需要的频段。
具体包括：首先对输入匹配进行优化设计，实现全频带内绝对稳定以及高增益放大；其次加入负反馈回路，并通过对目标频带内不同频点进行多次负载牵引设计，提取出高功率、高效率输出匹配阻抗空间，并应用四段切比雪夫阻抗变换器作为输出匹配拓扑，实现宽频带内的高效率和高功率输出。其实现方案包括如下：
1)输入及稳定性设计：
根据晶体管I-V曲线图，选择漏极电压Vgs，栅极电压Vds。选用Rogers4350作为基板材料。
在此基础上对晶体管进行稳定性设计，根据目标设计功放的稳定性网络和输入网络，以确保功放具有全频带的稳定特性和良好的增益。具体的输入端设计如图1所示，选择RC网络为电阻R2和电容C2，供电端电阻为R1，其中R2的电阻负责消耗掉低频信号，C2的电容入则让高频信号通过，剩下偏置电路上除了提供静态工作点的作用外，还要负责阻挡高频信号的进入，其中的R1电阻要阻挡偏置电路中的低频信号。
2)负反馈回路设计：
负反馈回路目标为压低低频段增益，补偿增益随频率下降的倾斜特性，因此选择如图2所示结构，电阻R用于控制反馈信号的大小，电容C用于直流阻断，L用于选择基频，回路中的微带线用于调整负反馈电路引入的信号的相位，以保证引入的信号与输入信号之间的相位差为180°。
3)高效率匹配空间的获取
应用负载牵引技术对放大器进行特定频段多等级等功率、等效率圆提取。选择需要的输出功率和PAE，同时选择这五个不同频率点以确定不同频率下等效率和等功率轮廓。基于对功率和效率等值线的观察，得到输出匹配网络设计的目标，观察图3，选择图中的公共区域作为阻抗匹配的目标。
4)宽带输出匹配的实现
使用切比雪夫阻抗变换器，推导并优化输出网络设计，选择中心频率为2.5GHz，最大带内反射系数为0.05，综合性能与功放尺寸的考虑，取阶数N＝4获得符合条件的带宽以及较好的带内波纹，计算得出四段波长变换器的理论数值，再根据负载牵引结果适当优化设计，所得到的输出匹配网络如图4所示。将最终的输出网络仿真带入负载牵引中，其阻抗变化过程以及输出最优阻抗区域如图5所示，可见随着频率变化，输出阻抗基本落在最优区域内，满足设计需求与指标。
如图6，在本申请实施例提供的技术方案中，所述功放输入网络包括若干电阻、若干电容、若干条形微带线、凸字形微带线；
进一步，第一条形微带线的一端接收输入信号，第一条形微带线的的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第一凸字形微带线的第一端；第二电容与第一电阻并联，二者串联连接在第一凸字形微带线的第二端与第二凸字形微带线的第一端之间；第二电阻串联连接在第二凸字形微带线第二端与第二条形微带线的一端之间，第二条形微带线的另一端连接晶体管栅极电源；第二凸字形微带线的第三端连接第三凸字形微带线的第一端，第三凸字形微带线的第二端连接负反馈回路，第三凸字形微带线的第三端连接晶体管栅极。
在一种可能实现的方式中，所述功放输入网络中，第二电容与第一电阻的并联网络，以及所连接的第二凸字形微带线构成稳定网络结构，用于进行功放的信号稳定；其中，微带线的长宽、电容和电阻的大小共同决定功放的稳定性性能。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述第一凸字形微带线和第三条形微带线用于进行功放的输入匹配，其长宽参数决定功放输入匹配。
在一种可能实现的方式中，所述功放负反馈网络包括若干电阻、若干电容、若干电感、若干条形微带线、弧形微带线；第三条形微带线的一端连接功放输入网络，另一端依次连接第一弧形微带线、第四条形微带线、第三电容、第五条形微带线、第一电感、第二弧形微带线、第三电阻、第五条形微带线和功放输出网络。
可选的，在一种可能实现的方式中，所述第一弧形微带线和所述第二弧形微带线的弯曲角度为90度。
在一种可能实现的方式中，所述功放负反馈网络中，电容、电感和电阻的参数值共同决定负反馈信号的大小、频率，微带线用于调整信号相位；根据功率放大器工作频率和负反馈信号需要的大小调整电容、电感和电阻以及微带线的参数值。
进一步，所述功放输出网络包括若干电容、四方微带线、若干条形微带线；所述四方微带线的第一端连接晶体管漏极，第二端连接负反馈回路，第三端依次连接第六条形微带线、第七条形微带线、第八条形微带线和电源，第四端依次连接第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第电容、第十三条形微带线和功放输出网络输出端。
在一种可能实现的方式中，所述第三端依次连接第六条形微带线、第七条形微带线、第八条形微带线构成输出匹配网络，所述第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第电容、第十三条形微带线构成偏置线路，用于阻隔射频；根据输出匹配的要求确定微带线的长宽。
可选的，所述第六条形微带线、第七条形微带线平行布置，第八条形微带线与第六条形微带线、第七条形微带线垂直布置；所述第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第十三条形微带线平行布置；所述第六条形微带线、第七条形微带线与第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第十三条形微带线垂直布置。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，包括功放输入网络、功放负反馈网络和功放输出网络；
所述功放输入网络连接功放负反馈网络的一端，用于进行功放的输入匹配和信号稳定；
所述功放负反馈网络，连接功放晶体管的栅极与漏极，控制由漏极至栅极的负反馈信号的频率和大小，平衡功放高频段与低频段的增益与效率，通过降低低频段的增益与效率，改善高频段增益与效率下降；
所述功放输出网络连接功放负反馈网络的另一端，用于进行功放的输出匹配，将功放的输出端匹配至需要的频段。
2.根据权利要求1所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功放输入网络包括若干电阻、若干电容、若干条形微带线、凸字形微带线；
第一条形微带线的一端接收输入信号，第一条形微带线的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第一凸字形微带线的第一端；第二电容与第一电阻并联，二者串联连接在第一凸字形微带线的第二端与第二凸字形微带线的第一端之间；第二电阻串联连接在第二凸字形微带线第二端与第二条形微带线的一端之间，第二条形微带线的另一端连接晶体管栅极电源；第二凸字形微带线的第三端连接第三凸字形微带线的第一端，第三凸字形微带线的第二端连接负反馈回路，第三凸字形微带线的第三端连接晶体管栅极。
3.根据权利要求2所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功放输入网络中，第二电容与第一电阻的并联网络，以及所连接的第二凸字形微带线构成稳定网络结构，用于进行功放的信号稳定；其中，微带线的长宽、电容和电阻的大小共同决定功放的稳定性性能。
4.根据权利要求2所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述第一凸字形微带线和第三条形微带线用于进行功放的输入匹配，其长宽参数决定功放输入匹配。
5.根据权利要求1所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功放负反馈网络包括若干电阻、若干电容、若干电感、若干条形微带线、弧形微带线；第三条形微带线的一端连接功放输入网络，另一端依次连接第一弧形微带线、第四条形微带线、第三电容、第五条形微带线、第一电感、第二弧形微带线、第三电阻、第五条形微带线和功放输出网络；微带线用于调整负反馈电路引入的信号的相位，以保证引入的信号与输入信号之间的相位差为180°。
6.根据权利要求5所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述第一弧形微带线和所述第二弧形微带线的弯曲角度为90度。
7.根据权利要求5所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功放负反馈网络中，电容、电感和电阻的参数值共同决定负反馈信号的大小、频率，微带线用于调整信号相位；根据功率放大器工作频率和负反馈信号需要的大小调整电容、电感和电阻以及微带线的参数值。
8.根据权利要求1所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述功放输出网络包括若干电容、四方微带线、若干条形微带线；所述四方微带线的第一端连接晶体管漏极，第二端连接负反馈回路，第三端依次连接第六条形微带线、第七条形微带线、第八条形微带线和电源，第四端依次连接第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第电容、第十三条形微带线和功放输出网络输出端。
9.根据权利要求8所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述第三端依次连接第六条形微带线、第七条形微带线、第八条形微带线构成输出匹配网络，所述第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第电容、第十三条形微带线构成偏置线路，用于阻隔射频；根据输出匹配的要求确定微带线的长宽。
10.根据权利要求8所述的一种基于负反馈调节的超宽带高效率功率放大器，其特征在于，所述第六条形微带线、第七条形微带线平行布置，第八条形微带线与第六条形微带线、第七条形微带线垂直布置；所述第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第十三条形微带线平行布置；所述第六条形微带线、第七条形微带线与第九条形微带线、第十条形微带线、第十一条形微带线、第十二条形微带线、第十三条形微带线垂直布置。
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