CN211959168U - 一种新型s波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，基于市面上常见的方式出现的弊端，为了解决上述两种市面上S波段宽带功放匹配电路实现方式的弊端，在降低成本的同时，提高产品一致性及可靠性。采用纯微带形式实现了S波段宽带连续波功放的匹配电路网络，使电路可以采用封装集成功率器件的同时不使用一颗高频电容。在降低了产品成本以及保持同等优良电气性能指标的同时提高了电路的可靠性以及量产一致性。本申请文件，通过晶体管栅极匹配电路和晶体管漏级匹配电路配合，并且该两个电路采用的事纯微带线电路，匹配电路实际可应用在Cree公司的宽带GaN功率放大管CGH40045F上，主要在2.3GHz～2.7GHz整个400MHz带宽内实现射频信号的放大功能。

Description

一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路

技术领域

本实用新型属于宽带连续波功放匹配电路领域，涉及一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路。

背景技术

目前S波段宽带功率放大器在通信系统中的需求迅速增加，现阶段S波段功率放大器虽然有一些，但是大功率、宽频带的功率放大器却很少，能够在各方面性能指标都满足S波段通信系统要求的就更少不能够满足用户高功率、宽频带的通信需求。有的功放射频控制关断电平不能满足使用要求，还有的响应时间不能满足系统要求；有的工作带宽不能满足通信设备带宽的要求；有的效率较低，体积过大，有的散热无法满足系统要求。

传统的S波段宽带功放设计匹配电路会采用微带加高频电容的方式进行匹配，高频电容由于其高Q值以及加工工艺较难，其成本比普通电容高，在传统的功放设计中，我们大量采用这种高频电容，会极大的提高成本，由于高频电容本身依然具有等效串联电阻ESR及等效串联电感ESL，所以在实际应用中依然具有一定损耗，针对连续波功放应用，其持续大功率输出的工作模式，会导致匹配电路中的高频电容由于损耗产生大量热量，长期工作会有一定可靠性风险。同时，由于高频电容本身各项指标具有一定的误差范围，所以当设计中采用越多的高频电容进行匹配时，这些误差带来的产品一致性的不稳定会大大影响产品批量生产的一次过线率，从而大大增加产品的生产成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供了一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，解决了目前传统的S波段宽带连续波射频功放匹配电路成本高、一致性差生产直通率较低、可靠性较低、工艺复杂的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，包括射频信号经过微带传输线经过隔直电容C1进入功放晶体管栅极匹配电路，直流负电压通过滤波电容C6、C5及一段微带线后，再通过串联电阻R1传递到晶体管栅极匹配电路中功放管的栅极上，由功放管放大后输出到晶体管漏级匹配电路上，再通过隔直电容C2传输到输出端上设置的微带线内，最后该微带线通过天线将系统射频信号发射到空间中，晶体管漏级匹配电路的工作直流电压通过滤波电容C4、C3及一段微带线传递到功放漏级，为功放工作提供直流电源。

S波段主要指在2GHz-4GHz的信号频段，其应用主要为中继、卫星通信、雷达、Wifi、移动通信以及对应的电子对抗等场景。各个应用领域的系统整机的射频末端都少不了射频功率放大器模块。所以在射频功率放大器模块的电路设计中必须要尽可能的提高电路一致性、稳定性以及尽可能的降低成本。

目前市面上S波段功放主要应用于WiFi、移动通信、电子对抗等领域的射频末端，目前市面上S波段宽带功放匹配电路基本采用微带结合高频电容的形式或者采用陶瓷基片以微组装的形式实现。第一种方式高频电容本身成本较贵也存在连续波大功率工作时由于散热不良导致的可靠性风险，且存在一定误差，影响功放电路的指标一致性并提高成本，第二种形式由于需要微组装工艺加工，且采用芯片级器件，其成本也是很高的。

第二种S波段宽带射频功率放大器模块的实现方式是采用芯片级晶体管使用共晶的工艺烧结到散热法兰上，并用金丝将晶体管芯片的栅极和漏级键合到在Al2O3陶瓷基片上仿真设计的微带匹配网络。其优点是一致性好，电路体积很小，很适合对产品体积敏感的应用场景，如机载设备等。但其物料以及加工成本也是极高的，一般工业级或民用级别的产品，采用这种射频功放来设计实现会因为成本太高儿无法实现。

基于上述市面上常见的方式出现的弊端，为了解决上述两种市面上S波段宽带功放匹配电路实现方式的弊端，在降低成本的同时，提高产品一致性及可靠性。采用纯微带形式实现了S波段宽带连续波功放的匹配电路网络，使电路可以采用封装集成功率器件的同时不使用一颗高频电容。在降低了产品成本以及保持同等优良电气性能指标的同时提高了电路的可靠性以及量产一致性。

本申请文件，通过晶体管栅极匹配电路和晶体管漏级匹配电路配合，并且该两个电路采用的事纯微带线电路，匹配电路实际可应用在Cree公司的宽带GaN功率放大管CGH40045F上，主要在2.3GHz～2.7GHz整个400MHz带宽内实现射频信号的放大功能。

进一步地，所述晶体管栅极匹配电路采用纯微带电路，其微带电路宽度为15mm，长度为16.5mm，该微带线电路一端与隔直电容C1连接。

进一步地，所述晶体管栅极匹配电路采用的纯微带电路结构为矩形微带片一侧连接有接入微带片，接入微带片远离矩形微带片一侧设置有接入片头，所述接入微带片与接入片头连接面的宽度小于接入微带片与矩形微带片连接宽度，该接入片头边线向两侧突出。

进一步地，所述晶体管漏级匹配电路采用纯微带电路，其微带电路宽度为16.5mm，长度为18.1mm，该微带线电路一端与隔直电容C2连接。

进一步地，所述晶体管漏级匹配电路采用的纯微带电路结构为矩形微带片一侧连接有三角形微带片，三角形微带片的顶角上连接有接入片头。

进一步地，所述功放管选用宽带GaN功率放大管CGH40045F。

进一步地，所述晶体管栅极匹配电路和晶体管漏级匹配电路加工时均采用1盎司铜厚进行加工，在PCB设计中将两电路匹配设置在对应功放管栅极和漏级上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，在降低成本的同时，提高产品一致性及可靠性。

2.一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，采用纯微带形式实现了S波段宽带连续波功放的匹配电路网络，使电路可以采用封装集成功率器件的同时不使用一颗高频电容。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路；

图2是功放管S参数(S21)仿真数据图；

图3是功放管S参数(S11)仿真数据图；

图4是功放管稳定性仿真数据图；

图5是功放管大信号输出功率及谐波仿真数据图；

图6是功放管大信号输出效率仿真数据图；

图7是功率管增益—输出功率仿真数据图；

图8是功率管AM-AM仿真数据图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，术语“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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

本实用新型较佳实施例提供的一一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，包括射频信号经过微带传输线经过隔直电容C1进入功放晶体管栅极匹配电路，直流负电压通过滤波电容C6、C5及一段微带线后，再通过串联电阻R1传递到晶体管栅极匹配电路中功放管的栅极上，由功放管放大后输出到晶体管漏级匹配电路上，再通过隔直电容C2传输到输出端上设置的微带线内，最后该微带线通过天线将系统射频信号发射到空间中，晶体管漏级匹配电路的工作直流电压通过滤波电容C4、C3及一段微带线传递到功放漏级，为功放工作提供直流电源。

匹配电路实际可应用在Cree公司的宽带GaN功率放大管CGH40045F上，主要在2.3GHz～2.7GHz整个400MHz带宽内实现射频信号的放大功能。其仿真原理电路如图1所示，在实际使用时，射频信号经过50Ω微带传输线经过隔直电容C1进入功放栅极输入匹配电路，该功放栅极输入匹配电路可以实现在2.3GHz～2.7GHz整个400MHz频率范围内将输入端阻抗从50Ω变换到CGH40045F功率管栅极在2.3GHz～2.7GHz频段内的阻抗，该匹配设计通过降低其Q值，实现更宽带宽的匹配，满足CGH40045F在宽带范围内的栅极输入匹配需求。

栅极输入匹配电路，包含CGH40045F功放管栅极馈电电路网络。其工作模式为将直流负电压偏置约-3V通过滤波电容C6、C5及一段微带线，再通过串联电阻R1传递到功放管CGH40045F的栅极。该馈电网络设计Q值较低，可实现在宽带范围内对射频信号产生高阻抗效应，避免射频信号通过馈电网络传输到电源引起系统振荡。同时R1可实现降低馈电网络的等效串联电感ESL来提升功放电路的可靠性及降低功放脉冲应用场景下的上升沿的振铃。

射频信号经过输入匹配传输到功放管栅极，由功放管放大后通过功放管漏级输出到输出微带匹配电路上，再通过隔直电容C2传输到输出端50Ω微带线，最后通过天线将系统射频信号发射到空间。功放漏级输出匹配电路主要实现将功放管CGH40045F在2.3GHz～2.7GHz的漏级阻抗匹配到50Ω。其设计时采用较低Q值，使其能在更宽的带宽内将CGH40045F功放管的漏级阻抗匹配到50Ω。功放漏级输出匹配同样包含功放漏级馈电电路网络。功放管漏级工作直流电压+28V通过滤波电容C4、C3及一段微带线传递到功放漏级，为功放工作提供直流电源。该馈电网络同样经过仿真优化，降低其Q值，使其在整个工作带宽内对射频信号产生高阻抗，避免射频信号通过馈电网络传输到外部电源引起整个系统的干扰机振荡。同时该馈电网络也通过仿真优化，降低了其在带内的等效串联电感ESL，从而提升了功放的可靠性及降低功放脉冲应用场景下的上升沿的振铃。

实施例二

所述晶体管栅极匹配电路采用纯微带电路，其微带电路宽度为15mm，长度为16.5mm，该微带线电路一端与隔直电容C1连接。所述晶体管栅极匹配电路采用的纯微带电路结构为矩形微带片一侧连接有接入微带片，接入微带片远离矩形微带片一侧设置有接入片头，所述接入微带片与接入片头连接面的宽度小于接入微带片与矩形微带片连接宽度，该接入片头边线向两侧突出。

所述晶体管漏级匹配电路采用纯微带电路，其微带电路宽度为16.5mm，长度为18.1mm，该微带线电路一端与隔直电容C2连接。所述晶体管漏级匹配电路采用的纯微带电路结构为矩形微带片一侧连接有三角形微带片，三角形微带片的顶角上连接有接入片头。

由于本申请文件采用的技术是针对功率管CGH40045F采用了纯微带形式进行匹配，所以其物理尺寸及形状需要有一定优化选择，在上述两个匹配电路中，其微带电路的宽度和长度为优选参数，建议技术人员进行选用，并且在加工时，晶体管栅极匹配电路和晶体管漏级匹配电路加工时均采用1盎司铜厚进行加工，在PCB设计中将两电路匹配设置在对应功放管栅极和漏级上。

实施例三

针对本申请文件的电路效果，进行仿真实验，其实验数据如图2至图8所示，其中图2为功放管S参数(S21)仿真数据，可以获知在m5时，即频率为2.490Ghz时，dB(S(2,1))达到最高值16.439；在图3功放管S参数(S11)仿真数据中，在频率为2.460Ghz时，dB(S(1,1)为-4.023，达到最小值。

图4为功放管稳定性仿真数据，其中K为双端口网络稳定性因数，其大于1时，整个双端口网络处于稳定状态，其计算公式为：

k＝{1-|S₁₁|²-|S₂₂|²+|S₁₁*S₂₂-S₁₂*S₂₁|²}/{2*|S₁₂*S₂₁|}；

图5功放管大信号输出功率及谐波仿真数据，可以看出功率管经过该匹配电路后整个带内输出功率大于47dBm即50W。

图6功放管大信号输出效率仿真数据，可以看出功率管经过该匹配电路后整个带内输出效率在52％～55％之间。

图7功率管增益—输出功率仿真数据，可以看出功率管经过该匹配电路后的1dB压缩点输出功率大于47dBm即50W。

图8为功率管AM-AM仿真数据，可以看出功率管经过该匹配电路后的饱和输出功率大概为48.4dBm即69W。

从上述仿真实验结果可以表明功放管经过该匹配网络，实际带内输出性能可达到连续波50W以上，同时单管输出效率在55％左右。实际测试指标优于原厂器件资料。

总的来说，本实用新型所设计的功放宽带匹配电路可实现将S波段中2.3GHz～2.7GHz整个400MHz带宽频段内的连续波射频信号经过功率管CGH40045F放大并输出连续波射频功率50W以上，同时对应工作效率在55％左右，实现了比原厂器件资料更优的指标的同时优化了电路的可靠性，一致性，并降低了成本及一定的电路体积，满足了对应频段电子对抗设备的射频末端的应用场景。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：包括射频信号经过微带传输线经过隔直电容C1进入功放晶体管栅极匹配电路，直流负电压通过滤波电容C6、C5及一段微带线后，再通过串联电阻R1传递到晶体管栅极匹配电路中功放管的栅极上，由功放管放大后输出到晶体管漏级匹配电路上，再通过隔直电容C2传输到输出端上设置的微带线内，最后该微带线通过天线将系统射频信号发射到空间中，晶体管漏级匹配电路的工作直流电压通过滤波电容C4、C3及一段微带线传递到功放漏级，为功放工作提供直流电源。

2.根据权利要求1所述的一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：所述晶体管栅极匹配电路采用纯微带电路，其微带电路宽度为15mm，长度为16.5mm，该微带线电路一端与隔直电容C1连接。

3.根据权利要求2所述的一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：所述晶体管栅极匹配电路采用的纯微带电路结构为矩形微带片一侧连接有接入微带片，接入微带片远离矩形微带片一侧设置有接入片头，所述接入微带片与接入片头连接面的宽度小于接入微带片与矩形微带片连接宽度，该接入片头边线向两侧突出。

4.根据权利要求1所述的一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：所述晶体管漏级匹配电路采用纯微带电路，其微带电路宽度为16.5mm，长度为18.1mm，该微带线电路一端与隔直电容C2连接。

5.根据权利要求3所述的一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：所述晶体管漏级匹配电路采用的纯微带电路结构为矩形微带片一侧连接有三角形微带片，三角形微带片的顶角上连接有接入片头。

6.根据权利要求1所述的一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：所述功放管选用宽带GaN功率放大管CGH40045F。

7.根据权利要求1所述的一种新型S波段低成本高效率宽带连续波功放匹配电路，其特征在于：所述晶体管栅极匹配电路和晶体管漏级匹配电路加工时均采用1盎司铜厚进行加工，在PCB设计中将两电路匹配设置在对应功放管栅极和漏级上。

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