CN208539862U - 一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于波形控制技术的连续逆F类堆叠功率放大器，包括输入基波匹配稳定网络、栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络、连续逆F类输出匹配网络、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栅源补偿型二堆叠自偏置晶体管结构，并结合了连续逆F类输出匹配网络，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。

Description

一种基于波形控制技术的连续逆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，具体涉及一种基于波形控制技术的连续逆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超宽带、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超宽带、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，主要体现在超宽带、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带宽一直是电路实现的技术瓶颈。

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，这些高效率放大器的宽带特性仍然存在一些不足，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，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；C类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低，宽带输出能力和效率较低；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，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。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波形控制技术的连续逆F类堆叠功率放大器，利用栅源补偿型二堆叠自偏置晶体管结构以及连续逆F类匹配技术，实现超宽带下高效率、高增益、高功率输出特性。

本实用新型的技术方案为：一种基于波形控制技术的连续逆F类堆叠功率放大器，包括输入基波匹配稳定网络、栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络、连续逆F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波匹配稳定网络的输入端为整个连续逆F类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；连续逆F类输出匹配网络的输出端为整个连续逆F类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与输入基波匹配稳定网络连接，漏极供电偏置网络分别与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络以及连续逆F类输出匹配网络连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用基于栅源补偿型二堆叠自偏置晶体管结构，并结合了连续逆F类输出匹配网络，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。同时本实用新型利用栅源补偿网络补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电压。

输入基波匹配稳定网络包括依次串联的隔直电容C₁、微带线TL₁、微带线TL₄和RC抑制电路；隔直电容C₁的一端连接微带线TL₁，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输入端，RC抑制电路的一端连接微带线TL₄，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输出端；微带线TL₁和微带线TL₄的连接节点还分别与开路微带线TL₂以及开路微带线TL₃连接，微带线TL₄和RC抑制电路的连接节点还与栅极供电偏置网络连接；RC抑制电路包括并联的电阻R₂和电容C₃。

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匹配稳定网络除了能对射频输入基波信号进行阻抗匹配以外，还能实现信号自激抑制功能，从而提高电路的稳定性。

栅极供电偏置网络包括微带线TL₅，微带线TL₅的一端连接于微带线TL₄和RC抑制电路的连接节点，其另一端分别与电阻R₁的一端以及接地电容C₂连接，电阻R₁的另一端与低压偏置电源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栅源补偿型二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。

栅源补偿型二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Md₂和底层晶体管Md₁；底层晶体管Md₁的源极接地，其栅极与微带线TL₆的一端连接，微带线TL₆的另一端为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；顶层晶体管Md₂的栅极与电阻R₃的一端连接，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，电阻R₃的另一端分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₆连接，电阻R₆的另一端分别与电阻R₄的一端以及接地电阻R₅连接，电阻R₄的另一端与漏极供电偏置网络连接；顶层晶体管Md₂的栅极和源极之间串联有电容C₅和电感L₁；顶层晶体管Md₂的源极和底层晶体管Md₁的漏极通过微带线TL₇连接，顶层晶体管Md₂的源极和微带线TL₇的连接节点还与微带线TL₈的一端连接，微带线TL₈的另一端与接地电容C₄连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型的核心架构采用栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络，可以有效提升功率放大器的功率容量和功率增益。并且本实用新型采用的栅源补偿型二堆叠自偏置功率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；同时加入了栅源补偿回路，补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率。

连续逆F类输出匹配网络包括依次串联的微带线TL₉、微带线TL₁₃、微带线TL₁₅、微带线TL₁₇和隔直电容C₈；微带线TL₉的一端连接微带线TL₁₃，其另一端为连续逆F类输出匹配网络的输入端，隔直电容C₈的一端连接微带线TL₁₇，其另一端为连续逆F类输出匹配网络的输出端；微带线TL₉和微带线TL₁₃的连接节点还分别与微带线TL₁₀的一端以及漏极供电偏置网络连接，微带线TL₁₀的另一端分别与开路微带线TL₁₁以及开路微带线TL₁₂连接；微带线TL₁₃和微带线TL₁₅的连接节点还与开路微带线TL₁₄连接，微带线TL₁₅和微带线TL₁₇的连接节点还与开路微带线TL₁₆连接。

上述进一步方案的有益效果是：本实用新型的输出匹配网络采用连续逆F类匹配架构，可以使得电路具有类似于逆F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标，同时连续逆F类工作模式与连续F类工作模式相比具有更好的电流驱动力与功率输出能力。

漏极供电偏置网络包括微带线TL₁₈，微带线TL₁₈的一端连接于微带线TL₉和微带线TL₁₃的连接节点，其另一端分别与电阻R₄、接地电容C₇以及高压偏置电源VD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栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md₂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波形控制技术的连续逆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波形控制技术的连续逆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波形控制技术的连续逆F类堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入基波匹配稳定网络、栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络、连续逆F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波匹配稳定网络的输入端为整个连续逆F类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；连续逆F类输出匹配网络的输出端为整个连续逆F类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与输入基波匹配稳定网络连接，漏极供电偏置网络分别与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络以及连续逆F类输出匹配网络连接。

如图2所示，输入基波匹配稳定网络包括依次串联的隔直电容C₁、微带线TL₁、微带线TL₄和RC抑制电路；隔直电容C₁的一端连接微带线TL₁，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输入端，RC抑制电路的一端连接微带线TL₄，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输出端；微带线TL₁和微带线TL₄的连接节点还分别与开路微带线TL₂以及开路微带线TL₃连接，微带线TL₄和RC抑制电路的连接节点还与栅极供电偏置网络连接；RC抑制电路包括并联的电阻R₂和电容C₃。

栅极供电偏置网络包括微带线TL₅，微带线TL₅的一端连接于微带线TL₄和RC抑制电路的连接节点，其另一端分别与电阻R₁的一端以及接地电容C₂连接，电阻R₁的另一端与低压偏置电源VG连接。

栅源补偿型二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Md₂和底层晶体管Md₁；底层晶体管Md₁的源极接地，其栅极与微带线TL₆的一端连接，微带线TL₆的另一端为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；顶层晶体管Md₂的栅极与电阻R₃的一端连接，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，电阻R₃的另一端分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₆连接，电阻R₆的另一端分别与电阻R₄的一端以及接地电阻R₅连接，电阻R₄的另一端与漏极供电偏置网络连接；顶层晶体管Md₂的栅极和源极之间串联有电容C₅和电感L₁；顶层晶体管Md₂的源极和底层晶体管Md₁的漏极通过微带线TL₇连接，顶层晶体管Md₂的源极和微带线TL₇的连接节点还与微带线TL₈的一端连接，微带线TL₈的另一端与接地电容C₄连接。

连续逆F类输出匹配网络包括依次串联的微带线TL₉、微带线TL₁₃、微带线TL₁₅、微带线TL₁₇和隔直电容C₈；微带线TL₉的一端连接微带线TL₁₃，其另一端为连续逆F类输出匹配网络的输入端，隔直电容C₈的一端连接微带线TL₁₇，其另一端为连续逆F类输出匹配网络的输出端；微带线TL₉和微带线TL₁₃的连接节点还分别与微带线TL₁₀的一端以及漏极供电偏置网络连接，微带线TL₁₀的另一端分别与开路微带线TL₁₁以及开路微带线TL₁₂连接；微带线TL₁₃和微带线TL₁₅的连接节点还与开路微带线TL₁₄连接，微带线TL₁₅和微带线TL₁₇的连接节点还与开路微带线TL₁₆连接。

漏极供电偏置网络包括微带线TL₁₈，微带线TL₁₈的一端连接于微带线TL₉和微带线TL₁₃的连接节点，其另一端分别与电阻R₄、接地电容C₇以及高压偏置电源VD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进入连续逆F类堆叠功率放大器的输入基波匹配稳定网络，经输入基波匹配稳定网络进行阻抗匹配后进入栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络。输入基波匹配稳定网络中，由电阻R₂和电容C₃并联构成的RC抑制电路能实现信号自激抑制功能，从而提高电路的稳定性。

栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络采用了按照源极-漏极相连堆叠构成的晶体管结构对输入信号进行放大，可以有效提升连续逆F类堆叠功率放大器的功率容量和功率增益。在栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中，由电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、电阻R₆和电容C₆共同构成了自偏置结构，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。同时在栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中，加入了由电容C₅和电感L₁串联构成的栅源补偿回路，补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率。此外，微带线TL₈及接地电容C₄用于实现连续逆F类在晶体管堆叠间的漏极电压波形控制及整形。

经栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络放大后的信号进入连续逆F类输出匹配网络进行阻抗匹配后，最终形成射频输出信号到达输出端OUT。连续逆F类输出匹配网络中，由微带线TL₉～TL₁₇共同构成了连续逆F类匹配架构，可以使得电路具有类似于逆F类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标，同时连续逆F类工作模式与连续F类工作模式相比具有更好的电流驱动力与功率输出能力。

此外，栅极供电偏置网络能够对栅源补偿型二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栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管Md₂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，实现超宽带的高效率、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 (6)

1.一种基于波形控制技术的连续逆F类堆叠功率放大器，其特征在于，包括输入基波匹配稳定网络、栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络、连续逆F类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；

所述输入基波匹配稳定网络的输入端为整个所述连续逆F类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；

所述连续逆F类输出匹配网络的输出端为整个所述连续逆F类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；

所述栅极供电偏置网络与输入基波匹配稳定网络连接，所述漏极供电偏置网络分别与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络以及连续逆F类输出匹配网络连接。

2.根据权利要求1所述的连续逆F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述输入基波匹配稳定网络包括依次串联的隔直电容C₁、微带线TL₁、微带线TL₄和RC抑制电路；

所述隔直电容C₁的一端连接微带线TL₁，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输入端，所述RC抑制电路的一端连接微带线TL₄，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输出端；

所述微带线TL₁和微带线TL₄的连接节点还分别与开路微带线TL₂以及开路微带线TL₃连接，所述微带线TL₄和RC抑制电路的连接节点还与栅极供电偏置网络连接；

所述RC抑制电路包括并联的电阻R₂和电容C₃。

3.根据权利要求2所述的连续逆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TL₅，所述微带线TL₅的一端连接于微带线TL₄和RC抑制电路的连接节点，其另一端分别与电阻R₁的一端以及接地电容C₂连接，所述电阻R₁的另一端与低压偏置电源VG连接。

4.根据权利要求1所述的连续逆F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述栅源补偿型二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Md₂和底层晶体管Md₁；

所述底层晶体管Md₁的源极接地，其栅极与微带线TL₆的一端连接，所述微带线TL₆的另一端为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；

所述顶层晶体管Md₂的栅极与电阻R₃的一端连接，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，所述电阻R₃的另一端分别与电阻R₆的一端以及接地电容C₆连接，所述电阻R₆的另一端分别与电阻R₄的一端以及接地电阻R₅连接，所述电阻R₄的另一端与漏极供电偏置网络连接；

所述顶层晶体管Md₂的栅极和源极之间串联有电容C₅和电感L₁；

所述顶层晶体管Md₂的源极和底层晶体管Md₁的漏极通过微带线TL₇连接，所述顶层晶体管Md₂的源极和微带线TL₇的连接节点还与微带线TL₈的一端连接，所述微带线TL₈的另一端与接地电容C₄连接。

5.根据权利要求4所述的连续逆F类堆叠功率放大器，其特征在于，所述连续逆F类输出匹配网络包括依次串联的微带线TL₉、微带线TL₁₃、微带线TL₁₅、微带线TL₁₇和隔直电容C₈；

所述微带线TL₉的一端连接微带线TL₁₃，其另一端为连续逆F类输出匹配网络的输入端，所述隔直电容C₈的一端连接微带线TL₁₇，其另一端为连续逆F类输出匹配网络的输出端；

所述微带线TL₉和微带线TL₁₃的连接节点还分别与微带线TL₁₀的一端以及漏极供电偏置网络连接，所述微带线TL₁₀的另一端分别与开路微带线TL₁₁以及开路微带线TL₁₂连接；

所述微带线TL₁₃和微带线TL₁₅的连接节点还与开路微带线TL₁₄连接，所述微带线TL₁₅和微带线TL₁₇的连接节点还与开路微带线TL₁₆连接。

6.根据权利要求5所述的连续逆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TL₁₈，所述微带线TL₁₈的一端连接于微带线TL₉和微带线TL₁₃的连接节点，其另一端分别与电阻R₄、接地电容C₇以及高压偏置电源VD连接。