CN212649418U - 一种高效率谐波调谐功放电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效率谐波调谐功放电路，涉及功率放大器设计领域，包含GaN HEMT晶体管、输入基波匹配网络、栅极偏置电路、输入谐波调谐网络、漏极偏置电路、输出谐波调谐网络、输出基波匹配网络、漏极RC并联网络、栅极RC并联网络；本实用新型提出了一种在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下，进行高效率谐波调谐功放设计的方法。通过负载牵引技术确定晶体管器件端面的最佳阻抗条件并设计相应的匹配网络，再根据动态负载线GaN HEMT模型所获得的电流源端面的电流、电压波形对功放整体电路进行调谐和优化。

Description

一种高效率谐波调谐功放电路

技术领域

本实用新型涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种高效率谐波调谐功放电路。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，射频功率放大器作为收发机系统中必不可少的单元模块之一，发挥着非常重要的作用。通常衡量功率放大器性能最重要的技术指标包括效率、输出功率、增益、线性度等，其中高效率功放一直是功放设计领域的热门研究方向。近年来，研究发现除基波阻抗之外，合适的输入、输出谐波阻抗对改善功放效率也有着非常显著的作用。通过有效控制功放谐波阻抗进而实现高效率的常见谐波调谐功放类别有J类、F类/逆F类、E类等。

由于GaN材料具有禁带宽度宽、击穿场强高、热传导率高和峰值电子漂移速度高的特点，能很好地满足功放高温、高频、高功率等工作要求，因此基于GaN HEMT的功率放大器得到越来越多的研究。然而，当使用已经封装好的晶体管进行功放设计时，由于寄生参数和封装参数的影响，设计者往往只能基于晶体管器件端 面进行分析和设计。但是通过理论推导所得到的阻抗条件及漏极电流、电压波形都是基于理想晶体管电流源端面分析的。因此，实际设计过程中，设计者无法简单地依据理论值进行分析和设计。虽然可以采取寄生补偿的方法从电流源端面进行分析和设计，但是该方法要求已知晶体管精确的寄生参数和封装参数。而实际晶体管精确的寄生参数和封装参数由于受工作频率、温度等因素的影响一般难以获得。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中当设计者使用已经封装好的晶体管进行功放设计时，只能基于理想晶体管电流源端面分析推导得出阻抗条件以及漏极电流、电压。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种高效率谐波调谐功放电路，包含GaN HEMT晶体管、栅极偏置电路、漏极偏置电路、谐波控制网络、输入基波匹配网络、输入谐波调谐网络、输出谐波调谐网络、输出基波匹配网络、漏极RC并联网络、栅极RC并联网络；

其中，输入基波匹配网络的输入端引入RFin，输出端连接输入谐波调谐网络的输入端，输入谐波调谐网络的输出连接GaN HEMT晶体管的栅极，输入谐波调谐网络同时串接一个RC并联网络，GaN HEMT晶体管的源极接地，GaN HEMT晶体管的漏极连接输出谐波调谐网络的输入端，输出谐波调谐网络的输出端连接输出基波匹配网络的输入端，输出基波匹配网络的输出端连接RFout，输出谐波调谐网络同时串接一个RC并联网络。

作为本实用新型一种高效率谐波调谐功放电路的进一步优选方案，所述输入谐波调谐网络、栅极偏置电路包含串联微带线TL4、扇形微带线Stub1、串联微带线TL5、扇形微带线Stub2；

其中，串联微带线TL5的一端与输入基波匹配网络的输出端连接，串联微带线TL5的另一端分别与扇形微带线Stub1、扇形微带线Stub2连接，串联微带线TL4的一端与输入谐波调谐网络的输入端并联，串联微带线TL4的另一端与GaN HEMT晶体管的栅极连接。

作为本实用新型一种高效率谐波调谐功放电路的进一步优选方案，所述输出谐波调谐网络、漏极偏置电路包含串联微带线TL6、串联微带线TL8、扇形微带线Stub3、扇形微带线Stub4、串联微带线TL7；

其中，串联微带线TL6的一端与GaN HEMT晶体管的漏极连接，串联微带线TL6的另一端分别与串联微带线TL8的一端、输出基波匹配网络的输入端连接，串联微带线TL8的另一端分别与扇形微带线Stub3、扇形微带线Stub4连接，串联微带线TL7与串联微带线TL6的另一端连接。

作为本实用新型一种高效率谐波调谐功放电路的进一步优选方案，所述输入基波匹配网络包含串联微带线TL1、电容Cb1、串联微带线TL2、电阻R1、电容C1、串联微带线TL3；

其中，RFin端引入串联微带线TL1的一端，串联微带线TL1的另一端与电容Cb1的一端连接，电容Cb1的另一端与电阻R1和电容C1构成的并联网络连接，电阻R1和电容C1并联网络的另一端连接串联微带线TL3，串联微带线TL3的另一端连接输入谐波调谐网络的输入端；

作为本实用新型一种高效率谐波调谐功放电路的进一步优选方案，所述输出基波匹配网络包含串联微带线TL9、串联微带线TL11、串联微带线TL12、串联微带线TL10、电容Cb2；

其中，串联微带线TL9的一端与输出谐波调谐网络的输出端连接，串联微带线TL9的另一端与串联微带线TL11的一端连接，串联微带线TL11的另一端与电容Cb2的一端连接，电容Cb2的另一端与串联微带线TL12的一端连接，串联微带线TL12的另一端与RFout端连接。

作为本实用新型一种高效率谐波调谐功放电路的进一步优选方案，所述栅极RC并联网络包含电阻R2、电容C2、电容C3、电容C4、栅极电源V_GS；

其中，电阻R2的一端与栅极偏置电路的输出端连接，电阻R2的另一端与电容C1、电容C2、电容C3、电容C4构成的并联网连接，栅极电源V_GS并联在电容C2的两端、且正极连接电阻R2，栅极电源V_GS负极接地。

作为本实用新型一种高效率谐波调谐功放电路的进一步优选方案，所述漏极RC并联网络包含、电容C5、电容C6、电容C7、漏极电源V_DS；

其中，漏极偏置电路的输出端与电容C5、电容C6、电容C7构成的并联网络连接，漏极电源V_DS并联在电容C5、电容C6、电容C7构成的并联网络的两端、且正极与漏极偏置电路的输出端连接，漏极电源V_DS的负极接地。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有一下技术效果：

1、本实用新型提出了一种在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下，进行高效率谐波调谐功放设计的方法。通过负载牵引技术确定晶体管器件端面的最佳阻抗条件并设计相应的匹配网络，再根据动态负载线GaN HEMT模型所获得的电流源端面的电流、电压波形对功放整体电路进行调谐和优化；

2、在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下,本实用新型基于动态负载线GaNHEMT模型和负载牵引技术设计并制作了一款高效率谐波调谐功放；

3、在满足较高性能的同时,基于该方法所设计的功放还具有结构简单、调谐方便的优点。

附图说明

图1是功放整体电路结构。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

一种高效率谐波调谐功放电路，如图1所示，包含GaN HEMT晶体管、栅极偏置电路、漏极偏置电路、谐波控制网络、输入基波匹配网络、输入谐波调谐网络、输出谐波调谐网络、输出基波匹配网络、漏极RC并联网络、栅极RC并联网络；

其中，输入基波匹配网络的输入端引入RFin，输出端连接输入谐波调谐网络的输入端，输入谐波调谐网络的输出连接GaN HEMT晶体管的栅极，输入谐波调谐网络同时串接一个RC并联网络，GaN HEMT晶体管的源极接地，GaN HEMT晶体管的漏极连接输出谐波调谐网络的输入端，输出谐波调谐网络的输出端连接输出基波匹配网络的输入端，输出基波匹配网络的输出端连接RFout，输出谐波调谐网络同时串接一个漏极RC并联网络。

在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下，通过负载牵引技术确定晶体管端面的最佳阻抗条件并设计相应的匹配网络，再根据动态负载线GaN HEMT模型所获得的电流源端面的电流、电压波形对功放整体电路进行调谐和优化。

所述输入谐波调谐网络、栅极偏置电路包含串联微带线TL4、扇形微带线Stub1、串联微带线TL5、扇形微带线Stub2；

其中，串联微带线TL5的一端与输入基波匹配网络的输出端连接，串联微带线TL5的另一端分别与扇形微带线Stub1、扇形微带线Stub2连接，串联微带线TL4的一端与输入谐波调谐网络的输入端并联，串联微带线TL4的另一端与GaN HEMT晶体管的栅极连接。

所述输出谐波调谐网络、漏极偏置电路包含串联微带线TL6、串联微带线TL8、扇形微带线Stub3、扇形微带线Stub4、串联微带线TL7；

其中，串联微带线TL6的一端与GaN HEMT晶体管的漏极连接，串联微带线TL6的另一端分别与串联微带线TL8的一端、输出基波匹配网络的输入端连接，串联微带线TL8的另一端分别与扇形微带线Stub3、扇形微带线Stub4连接，串联微带线TL7与串联微带线TL6的另一端连接。

为了实现高效率，需要设计合适的输入、输出谐波调谐网络将谐波阻抗调谐至所确定的高效率相位区域。为了减小电路复杂度和尺寸，如图1所示，谐波调谐网络和偏置电路共用了部分电路。通过在栅极和漏极偏置电路中分别加载一个扇形微带线Stub1和Stub3，在B点和A点分别实现源二次谐波短路和负载二次谐波短路。为了对负载三次谐波进行调谐，在输出谐波调谐网络中并联了一段1/12波长线TL7在A点实现三次谐波短路。当A点和B点分别满足负载二、三次谐波和源二次谐波短路时，分别在晶体管栅极和漏极串联微带线TL4和TL6对谐波源阻抗和谐波负载阻抗进行调谐。

当串联微带线TL4和TL6调谐至合适的长度和宽度时，通过谐波调谐网络得到的谐波阻抗。在1.95-2.05GHz基波频率范围内，二、三次谐波负载阻抗分别落在83°-120°和60°-65°相位区域，二次谐波源阻抗落在230°-251°相位区域，三者均处于所确定的高效率相位区域内。即所设计的谐波调谐网络能够很好地满足功放的谐波阻抗要求。

所述输入基波匹配网络包含串联微带线TL1、电容Cb1、串联微带线TL2、电阻R1、电容C1、串联微带线TL3；

其中，RFin端引入串联微带线TL1的一端，串联微带线TL1的另一端与电容Cb1的一端连接，电容Cb1的另一端与电阻R1和电容C1构成的并联网络连接，电阻R1和电容C1并联网络的另一端连接串联微带线TL3，串联微带线TL3的另一端连接输入谐波调谐网络的输入端；

所述输出基波匹配网络包含串联微带线TL9、串联微带线TL11、串联微带线TL12、串联微带线TL10、电容Cb2；

其中，串联微带线TL9的一端与输出谐波调谐网络的输出端连接，串联微带线TL9的另一端与串联微带线TL11的一端连接，串联微带线TL11的另一端与电容Cb2的一端连接，电容Cb2的另一端与串联微带线TL12的一端连接，串联微带线TL12的另一端与RFout端连接。

由于在A点满足负载二、三次谐波短路的阻抗条件，在B点满足源二次谐波短路的阻抗条件。即后续所设计的基波匹配电路不会对已确定的谐波阻抗产生影响。因此，可以将设计好的谐波调谐网络加入基波负载牵引电路确定功放B点处的最佳基波源阻抗和A点处的最佳基波负载阻抗。牵引得到的最佳基波源阻抗和负载阻抗分别为(338.35-j·0)Ω和(14.25-j·4.14)Ω，此时功放对应的功率附加效率为84.75%，输出功率为39.98dBm。根据所确定的最佳基波源阻抗和基波负载阻抗，分别选用阶梯阻抗匹配网络和L型匹配网络完成了输入、输出基波匹配网络的设计。

所述栅极RC并联网络包含电阻R2、电容C2、电容C3、电容C4、栅极电源V_GS；

其中，电阻R2的一端与栅极偏置电路的输出端连接，电阻R2的另一端与电容C1、电容C2、电容C3、电容C4构成的并联网连接，栅极电源V_GS并联在电容C2的两端、且正极连接电阻R2，栅极电源V_GS负极接地。

所述漏极RC并联网络包含、电容C5、电容C6、电容C7、漏极电源V_DS；

其中，漏极偏置电路的输出端与电容C5、电容C6、电容C7构成的并联网络连接，漏极电源V_DS并联在电容C5、电容C6、电容C7构成的并联网络的两端、且正极与漏极偏置电路的输出端连接，漏极电源V_DS的负极接地。

在GaN HEMT晶体管的栅极串接RC并联网络可以保证功放的稳定性，同时在栅极偏置电路中串联了一个200Ω的电阻R2以进一步改善功放的稳定性。C2-C7为滤波电容以改善直流电源的稳定性，减少杂波信号对功放性能的影响。漏源电压V_DS和栅源电压V_GS分别为28V、-2.8V，此时漏极静态电流为154mA，偏置在深AB类。

在晶体管寄生参数和封装参数未知的情况下,本实用新型基于动态负载线GaNHEMT模型和负载牵引技术设计并制作了一款高效率谐波调谐功放。在满足较高性能的同时,基于该方法所设计的功放还具有结构简单、调谐方便的优点。

需要说明的是，以上所述只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：包含GaN HEMT晶体管、输入基波匹配网络、输入谐波调谐网络、输出谐波调谐网络、输出基波匹配网络、漏极RC并联网络、栅极RC并联网络；

其中，输入基波匹配网络的输入端引入RFin，输入基波匹配网络的输出端连接输入谐波调谐网络的输入端，输入谐波调谐网络的输出端连接GaN HEMT晶体管的栅极，输入谐波调谐网络同时串接一个栅极RC并联网络，GaN HEMT晶体管的源极接地，GaN HEMT晶体管的漏极连接输出谐波调谐网络的输入端，输出谐波调谐网络的输出端连接输出基波匹配网络的输入端，输出基波匹配网络的输出端连接RFout，输出谐波调谐网络同时串接一个漏极RC并联网络。

2.根据权利要求1所述的一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：所述输入基波匹配网络包含串联微带线TL1、电容Cb1、串联微带线TL2、电阻R1、电容C1、串联微带线TL3；

其中，RFin端引入串联微带线TL1的一端，串联微带线TL1的另一端与电容Cb1的一端连接，电容Cb1的另一端与串联微带线TL1的一端连接，串联微带线TL1的另一端与电阻R1和电容C1构成的并联网络的一端连接，电阻R1和电容C1并联网络的另一端连接串联微带线TL3，串联微带线TL3的另一端连接输入谐波调谐网络的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：所述输入谐波调谐网络包含串联微带线TL4、扇形微带线Stub1、串联微带线TL5、扇形微带线Stub2；

其中，串联微带线TL5的一端与输入基波匹配网络的输出端连接，串联微带线TL5的另一端分别与扇形微带线Stub1、扇形微带线Stub2连接，串联微带线TL4的一端与输入谐波调谐网络的输入端并联，串联微带线TL4的另一端与GaN HEMT晶体管的栅极连接。

4.根据权利要求1所述的一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：所述输出谐波调谐网络包含串联微带线TL6、串联微带线TL8、扇形微带线Stub3、扇形微带线Stub4、串联微带线TL7；

其中，串联微带线TL6的一端与GaN HEMT晶体管的漏极连接，串联微带线TL6的另一端分别与串联微带线TL8的一端、输出基波匹配网络的输入端连接，串联微带线TL8的另一端分别与扇形微带线Stub3、扇形微带线Stub4连接，串联微带线TL7与串联微带线TL6的另一端连接。

5.根据权利要求1所述的一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：所述输出基波匹配网络包含串联微带线TL9、串联微带线TL11、串联微带线TL12、串联微带线TL10、电容Cb2；

其中，串联微带线TL9的一端与输出谐波调谐网络的输出端连接，串联微带线TL9的另一端与串联微带线TL11的一端连接，串联微带线TL11的另一端与电容Cb2的一端连接，电容Cb2的另一端与串联微带线TL12的一端连接，串联微带线TL12的另一端与RFout端连接。

6.根据权利要求1所述的一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：所述栅极RC并联网络包含电阻R2、电容C2、电容C3、电容C4、栅极电源V_GS；

其中，电阻R2的一端与栅极偏置电路的输出端连接，电阻R2的另一端与电容C1、电容C2、电容C3、电容C4构成的并联网连接，栅极电源V_GS并联在电容C2的两端、且正极连接电阻R2，栅极电源V_GS负极接地。

7.根据权利要求1所述的一种高效率谐波调谐功放电路，其特征在于：所述漏极RC并联网络包含、电容C5、电容C6、电容C7、漏极电源V_DS；

其中，漏极偏置电路的输出端与电容C5、电容C6、电容C7构成的并联网络连接，漏极电源V_DS并联在电容C5、电容C6、电容C7构成的并联网络的两端、且正极与漏极偏置电路的输出端连接，漏极电源V_DS的负极接地。

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