CN208353301U - 一种基于左右手传输线的高效率f类堆叠功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器，包括输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络、输出基波控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络。本实用新型采用基于自偏置结构的四堆叠晶体管结构，并结合了左右手传输线谐波控制网络的高效率F类匹配方式，使得电路在具备晶体管寄生补偿能力下，可以独立地控制输出阻抗的基波、二次谐波与三次谐波阻抗，实现放大器高效率、高增益、高功率输出能力，且占用较小的电路尺寸。

Description

一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器

技术领域

本实用新型属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器的设计。

背景技术

随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向小型化、高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求小型化、高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在小型化、高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的谐波阻抗控制单元往往需要占据较大的电路尺寸，这影响了电路小型化的指标。

常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统AB类、C类，开关型D类、E类、F类功率放大器等，但是，这些高效率放大器仍然存在一些不足，主要体现在：传统AB类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低；C类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低；开关型D类、E类、F类功率放大器等需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件往往需要占据较大的电路尺寸。除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器，实现放大器高效率、高增益、高功率输出能力，且占用较小的电路尺寸。

本实用新型的技术方案为：一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器，包括输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络、输出基波控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络和输出基波控制网络依次连接；输入基波控制网络的输入端为整个高效率F类堆叠功率放大器的输入端，输出基波控制网络的输出端为整个高效率F类堆叠功率放大器的输出端；栅极供电偏置网络与输入基波控制网络连接，漏极供电偏置网络分别与四堆叠自偏置功率放大网络以及输出基波控制网络连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型利用自偏置四堆叠晶体管技术结合了左右手传输线谐波控制技术实现F类放大器匹配方式，使得电路在具备晶体管寄生补偿能力下，可以独立的控制输出阻抗的基波、二次谐波与三次谐波阻抗，实现放大器高效率、高增益、高功率输出能力，且占用较小的电路尺寸。

进一步地，输入基波控制网络包括依次串联的隔直电容C₁、微带线TL₁以及微带线TL₂，隔直电容C₁未与微带线TL₁连接的一端为输入基波控制网络的输入端，微带线TL₂未与微带线TL₁连接的一端为输入基波控制网络的输出端，微带线TL₁和微带线TL₂的连接节点还分别与接地电容C₂以及栅极供电偏置网络连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输入基波控制网络能够实现对射频输入的基波信号进行阻抗匹配，其中微带线TL₁、微带线TL₂和接地电容C₂组成的T型LCL匹配枝节能够有效强化对信号的阻抗匹配作用。

进一步地，栅极供电偏置网络包括微带线TL₃，微带线TL₁和微带线TL₂的连接节点与微带线TL₃的一端连接，微带线TL₃的另一端分别与电阻R₈的一端以及接地电容C₃连接，电阻R₈的另一端分别与接地电容C₄以及低压偏置电源VG连接。

上述进一步方案的有益效果是：栅极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管Md₁起到良好的栅极供电及偏置作用。

进一步地，四堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md₄、第二中间层晶体管Md₃、第一中间层晶体管Md₂以及底层晶体管Md₁；底层晶体管Md₁的源极接地，其栅极与微带线TL₄的一端连接，微带线TL₄的另一端为四堆叠自偏置功率放大网络的输入端；第一中间层晶体管Md₂的栅极分别与电阻R₂的一端以及接地电容C₅连接，电阻R₂的另一端分别与电阻R₃的一端以及接地电阻R₁连接；第二中间层晶体管Md₃的栅极分别与电阻R₄的一端以及接地电容C₆连接，电阻R₄的另一端分别与电阻R₃的另一端以及电阻R₅的一端连接；顶层晶体管Md₄的漏极为四堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₇连接，电阻R₆的另一端分别与电阻R₅的另一端以及电阻R₇的一端连接，电阻R₇的另一端与漏极供电偏置网络连接。

上述进一步方案的有益效果是：传统高效率开关功率放大器往往采用单一晶体管，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低，与之相比，本实用新型采用的四堆叠放大网络可以有效提升功率容量和功率增益；同时，本实用新型采用的四堆叠自偏置放大网络加入了自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。

进一步地，寄生参数补偿网络包括微带线TL₇，微带线TL₇的一端为寄生参数补偿网络的输入端，其另一端分别与开路微带线TL₆和开路微带线TL₈连接，微带线TL₇与开路微带线TL₆及开路微带线TL₈的连接节点为寄生参数补偿网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：寄生参数补偿网络能够使该功率放大器输出匹配电路补偿由于晶体管寄生引线电感和寄生输出电容对于电路的恶化。

进一步地，左右手传输线谐波控制网络包括依次串联的微带线TL₉、微带线TL₁₀、电容C₈、电容C₉以及开路微带线TL₁₁；微带线TL₉未与微带线TL₁₀连接的一端为左右手传输线谐波控制网络的输入端，微带线TL₉和微带线TL₁₀的连接节点为左右手传输线谐波控制网络的输出端；电容C₈和电容C₉的连接节点还与接地电感L₁连接。

上述进一步方案的有益效果是：现有技术中，开关功率放大器的输出网络往往是针对窄带的输出阻抗进行独立控制的，并且往往需要占据较大的电路尺寸；本实用新型采用基于左右手传输线的高效率F类匹配架构，可以使得电路实现近似于三阶F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗，从而实现高功率及高效率指标，并且电路尺寸较小。

进一步地，输出基波控制网络包括依次串联的微带线TL₁₂、微带线TL₅以及隔直电容C₁₁，微带线TL₁₂未与微带线TL₅连接的一端为输出基波控制网络的输入端，隔直电容C₁₁未与微带线TL₅连接的一端为输出基波控制网络的输出端，微带线TL₁₂和微带线TL₅的连接节点还分别与接地电容C₁₀以及漏极供电偏置网络连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型采用的输出基波控制网络能够实现对射频输出的基波信号进行阻抗匹配，其中微带线TL₁₂、微带线TL₅和接地电容C₁₀组成的T型LCL匹配枝节能够有效强化对信号的阻抗匹配作用。

进一步地，漏极供电偏置网络包括微带线TL₁₄，微带线TL₁₂和微带线TL₅的连接节点与微带线TL₁₄的一端连接，微带线TL₁₄的另一端分别与接地电容C₁₂、接地电容C₁₃、高压偏置电源VD以及电阻R₇连接。

上述进一步方案的有益效果是：漏极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md₄起到良好的漏极供电及偏置作用。

附图说明

图1所示为本实用新型实施例提供的一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器原理框图。

图2所示为本实用新型实施例提供的一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本实用新型的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本实用新型的原理和精神，而并非限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例提供了一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络、输出基波控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络和输出基波控制网络依次连接；输入基波控制网络的输入端为整个高效率F类堆叠功率放大器的输入端，输出基波控制网络的输出端为整个高效率F类堆叠功率放大器的输出端；栅极供电偏置网络与输入基波控制网络连接，漏极供电偏置网络分别与四堆叠自偏置功率放大网络以及输出基波控制网络连接。

如图2所示，输入基波控制网络包括依次串联的隔直电容C₁、微带线TL₁以及微带线TL₂，隔直电容C₁未与微带线TL₁连接的一端为输入基波控制网络的输入端，微带线TL₂未与微带线TL₁连接的一端为输入基波控制网络的输出端，微带线TL₁和微带线TL₂的连接节点还分别与接地电容C₂以及栅极供电偏置网络连接。

栅极供电偏置网络包括微带线TL₃，微带线TL₁和微带线TL₂的连接节点与微带线TL₃的一端连接，微带线TL₃的另一端分别与电阻R₈的一端以及接地电容C₃连接，电阻R₈的另一端分别与接地电容C₄以及低压偏置电源VG连接。

四堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md₄、第二中间层晶体管Md₃、第一中间层晶体管Md₂以及底层晶体管Md₁；底层晶体管Md₁的源极接地，其栅极与微带线TL₄的一端连接，微带线TL₄的另一端为四堆叠自偏置功率放大网络的输入端；第一中间层晶体管Md₂的栅极分别与电阻R₂的一端以及接地电容C₅连接，电阻R₂的另一端分别与电阻R₃的一端以及接地电阻R₁连接；第二中间层晶体管Md₃的栅极分别与电阻R₄的一端以及接地电容C₆连接，电阻R₄的另一端分别与电阻R₃的另一端以及电阻R₅的一端连接；顶层晶体管Md₄的漏极为四堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₇连接，电阻R₆的另一端分别与电阻R₅的另一端以及电阻R₇的一端连接，电阻R₇的另一端与漏极供电偏置网络连接。

寄生参数补偿网络包括微带线TL₇，微带线TL₇的一端为寄生参数补偿网络的输入端，其另一端分别与开路微带线TL₆和开路微带线TL₈连接，微带线TL₇与开路微带线TL₆及开路微带线TL₈的连接节点为寄生参数补偿网络的输出端。

左右手传输线谐波控制网络包括依次串联的微带线TL₉、微带线TL₁₀、电容C₈、电容C₉以及开路微带线TL₁₁；微带线TL₉未与微带线TL₁₀连接的一端为左右手传输线谐波控制网络的输入端，微带线TL₉和微带线TL₁₀的连接节点为左右手传输线谐波控制网络的输出端；电容C₈和电容C₉的连接节点还与接地电感L₁连接。

输出基波控制网络包括依次串联的微带线TL₁₂、微带线TL₅以及隔直电容C₁₁，微带线TL₁₂未与微带线TL₅连接的一端为输出基波控制网络的输入端，隔直电容C₁₁未与微带线TL₅连接的一端为输出基波控制网络的输出端，微带线TL₁₂和微带线TL₅的连接节点还分别与接地电容C₁₀以及漏极供电偏置网络连接。

漏极供电偏置网络包括微带线TL₁₄，微带线TL₁₂和微带线TL₅的连接节点与微带线TL₁₄的一端连接，微带线TL₁₄的另一端分别与接地电容C₁₂、接地电容C₁₃、高压偏置电源VD以及电阻R₇连接。

下面结合图2对本实用新型的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入基波信号通过输入端IN进入高效率F类堆叠功率放大器的输入基波控制网络，依次经过输入基波控制网络进行输入匹配、四堆叠自偏置功率放大网络进行放大、寄生参数补偿网络进行寄生补偿、左右手传输线谐波控制网络和输出基波控制网络进行输出匹配后，最终形成射频输出信号到达输出端OUT。

其中，输入基波控制网络和输出基波控制网络均采用T型LCL匹配枝节对输入/输出基波信号进行匹配。

本实用新型实施例采用四堆叠自偏置放大网络作为高效率F类堆叠功率放大器的核心架构，具有高功率、高增益以及良好的输入输出匹配。同时在四堆叠自偏置放大网络中，由电阻R₁～R₇共同构成了自偏置结构，因此四堆叠自偏置放大网络不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。

本实用新型实施例采用基于左右手传输线谐波控制网络构成基于左右手传输线的F类匹配架构，使得电路可以实现近似于三阶F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗，可以独立的控制输出阻抗的基波、二次谐波与三次谐波阻抗，从而实现高功率及高效率指标，并且电路尺寸较小。

此外，寄生参数补偿网络能够使该功率放大器输出匹配电路补偿由于晶体管寄生引线电感和寄生输出电容对于电路的恶化，栅极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管Md₁起到良好的栅极供电及偏置作用，漏极供电偏置网络能够对四堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md₄起到良好的漏极供电及偏置作用。

本实用新型实施例中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在电路小型化条件下的高效率、高增益、高功率输出能力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于左右手传输线的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，包括输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络、输出基波控制网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；

所述输入基波控制网络、四堆叠自偏置功率放大网络、寄生参数补偿网络、左右手传输线谐波控制网络和输出基波控制网络依次连接；

所述输入基波控制网络的输入端为整个所述高效率F类堆叠功率放大器的输入端，所述输出基波控制网络的输出端为整个所述高效率F类堆叠功率放大器的输出端；

所述栅极供电偏置网络与输入基波控制网络连接，所述漏极供电偏置网络分别与四堆叠自偏置功率放大网络以及输出基波控制网络连接。

2.根据权利要求1所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述输入基波控制网络包括依次串联的隔直电容C₁、微带线TL₁以及微带线TL₂，所述隔直电容C₁未与微带线TL₁连接的一端为输入基波控制网络的输入端，所述微带线TL₂未与微带线TL₁连接的一端为输入基波控制网络的输出端，所述微带线TL₁和微带线TL₂的连接节点还分别与接地电容C₂以及栅极供电偏置网络连接。

3.根据权利要求2所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述栅极供电偏置网络包括微带线TL₃，所述微带线TL₁和微带线TL₂的连接节点与微带线TL₃的一端连接，所述微带线TL₃的另一端分别与电阻R₈的一端以及接地电容C₃连接，所述电阻R₈的另一端分别与接地电容C₄以及低压偏置电源VG连接。

4.根据权利要求1所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述四堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管Md₄、第二中间层晶体管Md₃、第一中间层晶体管Md₂以及底层晶体管Md₁；

所述底层晶体管Md₁的源极接地，其栅极与微带线TL₄的一端连接，所述微带线TL₄的另一端为四堆叠自偏置功率放大网络的输入端；

所述第一中间层晶体管Md₂的栅极分别与电阻R₂的一端以及接地电容C₅连接，所述电阻R₂的另一端分别与电阻R₃的一端以及接地电阻R₁连接；

所述第二中间层晶体管Md₃的栅极分别与电阻R₄的一端以及接地电容C₆连接，所述电阻R₄的另一端分别与电阻R₃的另一端以及电阻R₅的一端连接；

所述顶层晶体管Md₄的漏极为四堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₇连接，所述电阻R₆的另一端分别与电阻R₅的另一端以及电阻R₇的一端连接，所述电阻R₇的另一端与漏极供电偏置网络连接。

5.根据权利要求1所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述寄生参数补偿网络包括微带线TL₇，所述微带线TL₇的一端为寄生参数补偿网络的输入端，其另一端分别与开路微带线TL₆和开路微带线TL₈连接，所述微带线TL₇与开路微带线TL₆及开路微带线TL₈的连接节点为寄生参数补偿网络的输出端。

6.根据权利要求1所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述左右手传输线谐波控制网络包括依次串联的微带线TL₉、微带线TL₁₀、电容C₈、电容C₉以及开路微带线TL₁₁；

所述微带线TL₉未与微带线TL₁₀连接的一端为左右手传输线谐波控制网络的输入端，所述微带线TL₉和微带线TL₁₀的连接节点为左右手传输线谐波控制网络的输出端；

所述电容C₈和电容C₉的连接节点还与接地电感L₁连接。

7.根据权利要求4所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述输出基波控制网络包括依次串联的微带线TL₁₂、微带线TL₅以及隔直电容C₁₁，所述微带线TL₁₂未与微带线TL₅连接的一端为输出基波控制网络的输入端，所述隔直电容C₁₁未与微带线TL₅连接的一端为输出基波控制网络的输出端，所述微带线TL₁₂和微带线TL₅的连接节点还分别与接地电容C₁₀以及漏极供电偏置网络连接。

8.根据权利要求7所述的高效率F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述漏极供电偏置网络包括微带线TL₁₄，所述微带线TL₁₂和微带线TL₅的连接节点与微带线TL₁₄的一端连接，所述微带线TL₁₄的另一端分别与接地电容C₁₂、接地电容C₁₃、高压偏置电源VD以及电阻R₇连接。