CN210273981U

CN210273981U - 一种高效率高选择性双频滤波功率放大器

Info

Publication number: CN210273981U
Application number: CN201920857609.9U
Authority: CN
Inventors: 彭习文; 谢泽明
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2029-06-06

Abstract

本实用新型公开了一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，包括散热铝板、上层铝盖、输入匹配网络、功放管、栅极直流馈电网络、漏极直流馈电网络和输出匹配滤波器网络。本实用新型通过对紧凑的、低插损的双频悬置线滤波器和阻抗变换网络进行谐波控制，从而实现高效率高选择性双频滤波功放。

Description

一种高效率高选择性双频滤波功率放大器

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种高效率高选择性双频滤波功率放大器。

背景技术

功率放大器和滤波器是无线通信系统的重要组成部分，是无线通信系统必不可缺的关键部件。传统方法是二者独立设计，然后再进行连接。功率放大器需要通过匹配网络将其最佳输出阻抗匹配到50欧姆后再与滤波器网络进行直接级联。

随着无线通信的发展，通信系统越来越趋向于小型化和集成化，因此，一体化的滤波接收机具有极大的需求。滤波功放将功率放大器、滤波器等前端器件进行联合设计，使得射频接收机系统的结构更加紧凑，能够减少不必要的损耗引入，并且更加容易实现射频接收机的小型化和高效率。

在现有的射频接收系统中，实现高效率射频接收机的方式主要是通过输出匹配网络将功率放大器的最佳输出阻抗变换为50欧姆，再通过50欧姆的连接线和50欧姆的滤波器网络直接级联来实现。但由于设计时功率放大器和滤波器与50欧姆连接线的失配以及滤波器和匹配网络带来的损耗，使得功率放大器的功率附加效率大大降低。一般来说，1dB的损耗可以将功率放大器的效率从80％下降到60％。

近几年，功率放大器输出端所连接的滤波器结构一般采用微带结构或腔体结构。由于微带结构的滤波器存在着介质损耗大的问题，使得联合设计的滤波功率放大器存在着带宽窄和损耗大导致的效率低的缺陷，并且由于腔体存在加工精度要求高和实际调试复杂的问题，不利于实际工程的使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效率高选择性双频滤波功率放大器。本实用新型通过对紧凑的、低插损的双频悬置线滤波器和阻抗变换网络进行谐波控制来实现高效率高选择性的双频滤波功放。

本实用新型的目的能够通过以下技术方案实现：

一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，包括散热铝板、上层铝盖、输入匹配网络、功放管、栅极直流馈电网络、漏极直流馈电网络和输出匹配滤波器网络；

所述散热铝板，用于作为功率放大器的理想地板以及提供悬置线滤波器的下层腔体；

所述上层铝盖，用于作为功率放大器的理想地板以及提供悬置线滤波器的上层腔体；

所述输入匹配网络，用于将50欧姆分别匹配到功放管的两个中心频率的最佳输入阻抗，使功率放大器在两个频带内都达到最大的功率附加效率；

所述功放管，用于对输入信号进行放大；

所述栅极直流馈电网络，用于将栅极偏置电压加载到功放管的栅极，从而提供功放管在两个频带下正常工作的栅极静态工作点；

所述漏极直流馈电网络，用于将漏极偏置电压加载到功放管的漏极，从而提供功放管在两个频带下正常工作的漏极静态工作点；

所述输出匹配滤波器网络，用于将功放管的两个中心频率处的最佳输出阻抗匹配到50欧姆，并实现双频高选择性滤波，使功率放大器达到最大的功率附加效率，同时输出匹配滤波器网络不仅具有滤波器的滤波特性，而且对高次谐波具有抑制作用。

进一步地，所述输入匹配网络包括隔直电容、RC并联网络、十字型输入阻抗变换网络、第一段微带线和第二段微带线；所述十字型输入阻抗变换网络的一端与RC并联网络相连，另一端与第一段微带线连接，第一段微带线的另一端通过隔直电容与第二段微带线相连；所述RC并联网络的一端与所述十字型输入阻抗变换网络相连，另一端通过阻抗为24.3欧姆的微带线与功放管输入端的管脚相连。

更进一步地，所述输入匹配网络中第一段微带线和第二段微带线的阻抗均为50欧姆，且两段50欧姆微带线通过隔直电容相连接。

进一步地，所述栅极直流馈电网络包括T型微带馈电线和滤波电容，所述T型微带馈电线的上端与滤波电容连接，所述T型微带馈电线的下端与功放管管脚输入端相连的阻抗为24.3欧姆的微带线的中间相连接。

进一步地，所述漏极直流馈电网络包括T型微带馈电线和滤波电容，所述T型微带馈电线的上端与滤波电容相连接，所述T型微带馈电线的下端与功放管管脚输出端的阻抗变换网络连接。

更进一步地，所述栅极直流馈电网络及漏极直流馈电网络中的T型微带馈电线在两个中心频率下均满足λ_g/4，实现滤波开路的效果，其中λ_g为高效率滤波功率放大器匹配网络的中心频率的波长。

进一步地，所述输出匹配滤波器网络包括阻抗变换网络、隔直电容和双频悬置线滤波器，所述隔直电容连接阻抗变换网络和双频悬置线滤波器。

更进一步地，所述双频悬置线滤波器为两个中心枝节加载谐振器组成的双频悬置线滤波器。

更进一步地，所述中心枝节加载谐振器数量为2，开路字节加载谐振器形成高频带，短路枝节加载谐振器形成低频带，2个中心枝节加载谐振器都通过缝隙进行耦合。

本实用新型相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本实用新型将功率放大器和双频滤波器联合设计了一个具有滤波功能的高效率高选择性功率放大器，在双频阻抗变换网络实现双频匹配的同时与滤波器来作为输出网络作高次谐波抑制，从而实现高效率高选择性双频滤波功率放大器。

2、本实用新型的双频滤波网络结构是基于中心枝节加载谐振器，通过将两个中心枝节加载谐振器折叠使得整个双频滤波器结构更加紧凑。

3、本实用新型的双频滤波器网络结构是基于悬置线滤波器，相比于微带滤波器具有损耗低，带宽宽等特点，相比于腔体滤波器具有易于加工，方便调试等特点。

4、本实用新型的双频滤波器网络结构是基于中心枝节加载谐振器，通过使用同一馈线对两个中心枝节加载谐振器进行缝隙耦合，对两个通带而言，在通带两侧分别有两个传输零点，能实现较好的滤波特性和通带选择性。

附图说明

图1是一种高效率高选择性双频滤波功率放大器的结构示意图。

图2是本实用新型中散热铝板和上层铝盖的结构示意图。

图3是本实用新型中输入匹配网络和栅极馈电线的结构示意图。

图4是本实用新型中漏极馈电线和输出匹配滤波器网络的结构示意图。

图5是本实用新型实施例中双频悬置线滤波器仿真S参数的曲线示意图。

图6是本实用新型实施例中低频段双频滤波功放输出功率和效率的仿真图。

图7是本实用新型实施例中高频段双频滤波功放输出功率和效率的仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种高效率高选择性双频滤波功率放大器的结构示意图，所述功率放大器包括散热铝板52、上层铝盖51和介质基板6，散热铝板和上层铝盖的结构示意图如图2所示。

所述介质基板的上表面包括输入匹配网络1、功放管2、栅极直流馈电网络3、漏极直流馈电网络5和输出匹配滤波器网络4。所述功率放大器的结构设置于介质基板6的上表面，下表面为导体铜7，构成滤波功率放大器的底板，方框53无导体铜。

所述输入匹配网络1包括一段50欧姆的微带线8、隔直电容9、另一段50欧姆的微带线10、电阻13和电容12并联的RC电路、十字型输入阻抗变换网络11。所述十字型输入阻抗变换网络11的一端与一段50欧姆微带线10相连接，通过隔直电容9与另一段50欧姆的微带线8相连接；另一端接入RC电路，与微带线27相连，进而与功放管2的栅极相连接。

所述栅极直流馈电网络3由T型微带馈电线14和滤波电容15组成；所述T型微带馈电线14的上端与滤波电容15相连，T型微带馈电线14的下端与功放管2的管脚相连的微带线27的中间部位相连，T型微带馈电线14的上端也与外部直流电源Vgs相连，从而提供功放管的栅极电压。

所述漏极直流馈电网络5由T型微带馈电线17和滤波电容18组成；所述T型微带馈电线17的上端分别与滤波电容18相连，T型微带馈电线17的下端与功放管输出端阻抗变换网络相连，T型微带馈电线17的上端也和外部直流电Vds相连，从而提供功放管漏极电压和漏极电流；所述输出阻抗变换网络16的一端与功放管2的漏极相连，另一端通过隔直电容19与双频滤波器相连。

所述输出匹配滤波器网络20由两个中心枝节加载谐振器和两个馈线端口组成，输入端口通过缝隙耦合且与两个中心枝节加载谐振器耦合，输出端口通过缝隙耦合且与两个中心枝节加载谐振器耦合输出。

本实施例设计的一个CGH40010F功放管的中心频率为2.4G和3.5GHz，其在中心频点的最佳的输出阻抗分别为为17.617+15.106*jΩ和9.427+5.089*jΩ。如图3和图4所示，本实施例的设计采用相对介电常数为3.5、厚度为d2为0.8mm的Rogers4003C介质板做基板、具有d2为2mm的散热铝板52和具有d2为2mm的上层铝盖51，50欧姆的微带线8的主要尺寸8a、8b分别为1.8mm和2mm，50欧姆的微带线10的主要尺寸10a、10b分别为1.8mm和15.5mm。三支节型输入阻抗变换网络的主要尺寸21a、21b、22a、22b、23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b分别为2.1mm，6.9mm、1mm、16.7mm、0.5mm、2mm、0.4mm、2mm、0.4mm、2mm、1mm、5.7mm。T型微带馈电线14的主要尺寸28a、28b、29a、29b分别为16.7mm、1mm、1mm、13.1mm。隔直电容9、并联电容12、滤波电容15分别为9.3pf、1.8pf、9.3pf。连接功放管2栅极与RC并联网络连接的微带线27a、27b为5mm、13mm。输出阻抗变化网络16的主要尺寸30a、30b、31a、31b、32a、32b、33a、33b、34a、34b、35a、35b、36a、36b、37a、37b、38a、38b、39a、39b、42a、42b分别为2.3mm，10mm、5.9mm、4mm、4mm、4.6mm、0.8mm、11.7mm、8.4mm、0.7mm、2.4mm、3mm、0.6mm、10.2mm、3mm、1.5mm、1mm、2mm、1.3mm、5.9mm、3mm、5.9mm。T型微带馈电线17的主要尺寸40a、40b、41a、41b分别为16.7mm、1mm、1mm、13.1mm。隔直电容19、滤波电容15分别为9.3pf、9.3pf。双频滤波器20的主要尺寸43a、43b、44a、44b、45a、45b、46a、46b、47a、47b、48a、48b、49a、49b、50a、50b分别为2mm、6mm、13mm、1mm、11.5mm、1mm、13.5mm、1mm、1mm、7mm、13.5mm、1mm、1mm、14.2mm、2.5mm、1mm。输入端口与中心枝节加载谐振器之间的缝隙G1和G2的尺寸为1.2mm、0.4mm，当然由于该滤波器为对称结构，因此输出端口与输入端口缝隙尺寸一致。中心枝节加载谐振器与馈线开路端的相对距离D1和D2的尺寸为7mm和1mm。

在本实施例中，优选的，所述的功放管选择GREE公司生产的CGH40010F GaN HEMT功率管；隔直电容和滤波电路的尺寸和数值选择GJM1555C1H9R3BB01。

该滤波器结构S参数如图5所示，在双频下实现了高选择性并实现了低插损的性能。接上双频滤波器的滤波功率放大器仿真下的输出功率和效率的仿真图如图6和图7所示，可以看出，在1.8GHz到3GHz范围内，输入功率为30dBm的条件下，实现最大PAE为74.2％，并且在2.3GHz到2.5GHz实现了效率大于70％和输出功率大于40dBm。在2.8GHz到4GHz范围内，输入功率为34dBm的条件下，实现最大PAE为65.3％，并且在3.25GHz到3.61GHz实现了效率大于60％和输出功率大于40dBm，从而在双频范围内表现出了良好的滤波特性和高效性。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，其特征在于，包括散热铝板、上层铝盖、输入匹配网络、功放管、栅极直流馈电网络、漏极直流馈电网络和输出匹配滤波器网络；

所述输入匹配网络包括隔直电容、RC并联网络、十字型输入阻抗变换网络、第一段微带线和第二段微带线；所述十字型输入阻抗变换网络的一端与RC并联网络相连，另一端与第一段微带线连接，第一段微带线的另一端通过隔直电容与第二段微带线相连；所述RC并联网络的一端与所述十字型输入阻抗变换网络相连，另一端通过阻抗为24.3欧姆的微带线与功放管输入端的管脚相连；

所述栅极直流馈电网络包括T型微带馈电线和滤波电容，所述T型微带馈电线的上端与滤波电容连接，所述T型微带馈电线的下端与功放管管脚输入端相连的微带线的中间相连接；

所述漏极直流馈电网络包括T型微带馈电线和滤波电容，所述T型微带馈电线的上端与滤波电容相连接，所述T型微带馈电线的下端与功放管管脚输出端的阻抗变换网络连接；

所述输出匹配滤波器网络包括阻抗变换网络、隔直电容和双频悬置线滤波器，所述隔直电容连接阻抗变换网络和双频悬置线滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络中第一段微带线和第二段微带线的阻抗均为50欧姆。

3.根据权利要求2所述的一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，其特征在于，所述栅极直流馈电网络和漏极直流馈电网络中的T型微带馈电线在两个中心频率下均满足λ_g/4，其中λ_g为高效率滤波功率放大器匹配网络的中心频率的波长。

4.根据权利要求1所述的一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，其特征在于，所述双频悬置线滤波器为两个中心枝节加载谐振器组成的双频悬置线滤波器。

5.根据权利要求4所述的一种高效率高选择性双频滤波功率放大器，其特征在于，所述中心枝节加载谐振器数量为2，开路字节加载谐振器形成高频带，短路枝节加载谐振器形成低频带，2个中心枝节加载谐振器都通过缝隙进行耦合。