CN215581068U

CN215581068U - 基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器

Info

Publication number: CN215581068U
Application number: CN202120182668.8U
Authority: CN
Inventors: 王洪; 熊胗婷; 陈竟雄
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2031-01-22

Abstract

本实用新型提供一种基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器。所述功率放大器包括从上至下排列的微带接地共面波导模块、PCB基板、金属地层和散热模块。其中，微带共面波导模块包括改良后的随接地共面波导中心导带线宽变化的接地带与若干无规则非阵列金属化过孔，提供比传统CPWG结构立体化屏蔽效果更好的抗EMI性能；金属地层和散热模块为RF信号提供最短回流路径，增加散热。本实用新型的功率放大器结构简单，工作稳定，抗电磁干扰能力强，可重复利用率高，适应场景多。

Description

基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器

技术领域

本实用新型涉及射频微波领域，特别涉及一种基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器。

背景技术

射频功率放大器(RF PA)是射频发射系统中主要部分，也是5G移动通信基站中最常见的一种技术。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大(缓冲级、中间级、末级)获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后，射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。

射频功放的工作频率通常在GHz以上，因此会产生较大的电磁干扰(EMI)问题，常规的射频功率放大器设计中，经常会因为微带传输线的电磁能量辐射使得晶体管产生自激或偏离预设信道的情况。不仅如此，长时间处于饱和工作状态的放大器会造成晶体管发热，进而出现阻抗失配、增益降低、效率减退的等问题，严重者甚至会超出晶体管最大节温而击穿器件。

最新的文献报道中，天津大学的王彩霞等人设计了一款S波段高效E类GaN HEMT功率放大器，饱和输出功率为40.1dBm，且饱和功率增益为11.1dB，但该射频功放仅工作于2.5GHz的单频点(王彩霞,傅海鹏,成千福.S波段高效E类GaN HEMT功率放大器设计[J].南开大学学报(自然科学版),2020,53(04):32-36.)；大连海洋大学程晖设计的基于CGH40010F的连续F类功率放大器，虽达到1GHz的带宽，但实际功率仅为39.5dBm，输出功率偏低(程晖.基于CGH40010F的连续F类功率放大器仿真与设计[J].现代电子技术,2020,43(16):26-29+33.)。二者均采用传统微带传输线方式，射频信号在空间发生了辐射和互相干扰，没有与接地带进行电磁屏蔽耦合，导致部分能量损失，功率下降。

有鉴于此，如何实现射频功率放大器的稳定工作，大幅降低其信号辐射和发热带来的一系列困难成为本领域普通技术人员亟待解决的课题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器，利用接地共面波导(CPWG)结构增加电路的立体电磁屏蔽效果，并且通过CPWG接地带上的若干无规则金属化过孔实现法拉第屏蔽和对地涡流，避免形成共振腔体。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，包括：从上至下排列的微带接地共面波导模块、PCB基板、金属地层和散热模块；

所述微带接地共面波导模块包括输入匹配网络、输出匹配网络、第一偏置电路、第二偏置电路、接地共面波导、晶体管、电源接口、输入接口和输出接口；

其中，输入接口、输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络和输出接口顺次连接；第一偏置电路一端与电源接口的第一端连接，另一端接入输入匹配网络和晶体管第一端的连接处；第二偏置电路一端与电源接口的第二端连接，另一端接入输出匹配网络和晶体管第二端的连接处；接地共面波导在PCB基板顶层以一定的间距环绕在输入匹配网络、输出匹配网络、第一偏置电路和第二偏置电路周围，并通过若干金属化过孔与金属地层连接；电源接口的第三端与接地共面波导连接，并通过若干无规则非阵列金属化过孔与金属地层连接。

进一步地，所述输入匹配网络包括：第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第一隔直电容、第一稳定电阻和第一稳定电容；所述输出匹配网络包括：第七微带线、第八微带线、第九微带线和第二隔直电容；

其中，输入接口、第一隔直电容、第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、晶体管、第七微带线、第八微带线、第九微带线、第二隔直电容和输出接口顺次连接；第一稳定电阻和第一稳定电容并联接入第二微带线和第三微带线之间；

所述第一偏置电路包括：第一滤波电容、第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容、第五滤波电容、第一微带偏置线和第二稳定电阻；所述第二偏置电路包括：第六滤波电容、第七滤波电容、第八滤波电容、第九滤波电容、第十滤波电容、第十一滤波电容、第二微带偏置线；

其中，第一微带偏置线一端连接电源接口的第一端，另一端连接第二稳定电阻一端，第二稳定电阻的另一端接入第四微带线和第五微带线之间；第一滤波电容、第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容和第五滤波电容的两端均分别跨接第一微带偏置线与电源接口的连接处和接地共面波导上；第二微带偏置线一端连接电源接口的第二端，另一端接入第七微带线和第八微带线之间；第六滤波电容、第七滤波电容、第八滤波电容、第九滤波电容、第十滤波电容和第十一滤波电容的两端均分别跨接在第二微带偏置线与电源接口的连接处和接地共面波导上。

进一步地，所述接地共面波导与输入匹配网络、输出匹配网络、第一偏置电路、第二偏置电路的第i条微带线的间距为L_i，第i条微带线线宽为w_i，中心导带线宽和间距变化满足关系式：

1.5*w_i≤L_i≤3.0*w_i；

PCB基板顶层的接地共面波导上有若干无规则非阵列金属化过孔，过孔间距为0至λ/20，排列区域为顶层非信号线走线的所有共面波导接地带。

进一步地，所述微带接地共面波导模块包括改良后的随接地共面波导中心导带线宽变化的接地带与若干无规则非阵列金属化过孔，通过印刷电路板形式印制在PCB基板顶层，所述金属地层通过印刷电路板形式印制在PCB基板背层，所述散热模块与金属地层良好接触并通过螺丝钉紧密安装。

进一步地，所述电源接口是5针的弯脚接线端子，其中，从电源接口任意一端起，第一针为第一端，与第一微带偏置线连接；第四针和第五针为第二端，与第二微带偏置线连接；第二针和第三针为第三端，与接地共面波导连接。

进一步地，所述晶体管是HEMT/JFET/LDMOS中的一种，晶体管的第一端是栅极，第二端是漏级，晶体管的源极通过两枚M2.5螺丝钉固定到散热模块，晶体管的工作频率为0-6GHz，封装形式是Flange；

所述PCB基板为高频微波板材，介电常数为2至10，基板厚度为4mil至60mil，PCB基板顶层和背层印制的接地共面波导和金属地层均为电解铜箔，铜箔厚度为17μm至70μm，表面处理工艺为沉银。

进一步地，所述散热模块为铝合金，长度与PCB基板的长度相等，宽度与PCB基板的宽度相等，高度为5mm至15mm；散热模块的顶面开有与PCB基板对应的牙孔和晶体管安装槽，其中，牙孔位置和大小均与PCB基板相同，为通孔；晶体管安装槽深度为H，晶体管法兰厚度为h，满足关系式：

h≤敷铜厚度+基板厚度+H≤h+0.2mm。

进一步地，所述第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线、第八微带线、第九微带线中的任意一条或多条微带线周围有若干矩形焊点阵列，用于阻抗控制与调节。

基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器设计方法，包括以下步骤：

S1.根据所需的工作频段、输出功率确定晶体管的型号，下载Datasheet并获取参数，包括：漏极工作电压、工作频率、阈值电压、饱和输出功率、最大增益、饱和输出功率下的效率，选取AB类静态工作点；若晶体管在未匹配时出现低频振荡，则添加RC稳定网络或栅极电阻，利用射频/微波仿真软件，使得工作频段内稳定性因子大于1；未出现低频振荡则不需要添加RC稳定网络或栅极电阻；

S2.设计第一偏置电路和第二偏置电路，该电路至少包括四分之一波长阻抗变换微带线和若干滤波电容，根据S11和S22的值趋近阻抗无穷大时选取各元件取值；

S3.输入输出匹配网络设计，在史密斯圆图中，选择Q值小于1.5的匹配路线，将牵引好的负载阻抗和源阻抗通过至少3节变阻抗微带传输线变换到标准50欧姆，变阻抗微带传输线的参数受选定的PCB基板、工作频率影响，运用射频/微波仿真软件中的史密斯圆图工具进行选取计算；

S4.进行小信号和大信号仿真，重点关注大信号仿真的指标为最大输出功率Psat、PAE、P1dB、增益、增益压缩、谐波失真、ACPR、IMD₃，电磁仿真达到设计要求后生成微带传输线版图；

S5.接地共面波导的计算，在步骤S4中生成的微带传输线版图周围绘制金属接地层，金属接地层与微带传输线间距大于该处微带传输线的1.5倍线宽，小于该处微带传输线的3倍线宽，金属接地层上有若干无规则排列的金属化过孔，过孔间距为0至λ/20，通过过孔与PCB基板背层的全覆盖实心金属地层连接；

S6.根据电容、电阻和各接口元件的封装尺寸进行版图的布局，其中发热器件和强辐射器件摆放遵循规则为：传输线拐角要大于90°；RF与IF走线应走十字交叉；保证地层的信号完整性；RF输出远离RF输入，分别位于PCB的两端；发热器件、强辐射器件、电源三者距离PCB四周边缘至少20H，H指的是该器件到其最近的参考GND层的距离，以上布局规则可有效的减小90％的EMI；

S7.设计散热模块，将各机械安装孔径、位置均保持与PCB基板对齐，晶体管对应位置开安装槽和牙孔，用于固定晶体管；散热模块左右两侧各开两个适合微带SMA接头封装尺寸的牙孔，用于固定射频输入、输出接头；

S8.元器件焊接、散热模块安装、进行功率放大器调测。

进一步地，步骤S3中，变阻抗微带传输线的参数的选取规则为：

S3.1、锁定特征阻抗Z₀；

S3.2、输入PCB基板的介电常数和工作中心频率；

S3.3、软件自动计算出微带传输线的长和宽；

S3.4、改变特征阻抗Z₀；

S3.5、重复步骤S3.1至S3.4，直到匹配点变换为史密斯圆图中心点即标准50欧姆。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果是：

1).提供一种基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器及设计方法，当工作在微波和毫米波频率时，对于相同电路材料的微带线和接地共面波导(CPWG)结构，本实用新型提供的CPWG的表面波泄露和辐射损耗更小，CPWG接地带与中心导带的距离跟随线宽变化，呈现地线-信号线-地线(GSG)布局增强对邻信道信号的隔离度，改进的CPWG结构与射频信号线的间距规则严格控制电磁场向空间辐射分布，若干无规则非阵列金属化过孔减少空间涡流，大幅提高立体屏蔽效果，从而降低在高密度电路中的串扰。

2).在大功率电路应用中，CPWG在基板背面加工了额外的金属接地层，这层背敷的金属接地板面不仅加强了基板的机械强度和电路稳定性，更为有源器件提供了良好的散热介质。

3).改善了传统射频功放晶体管需要和传输线进行焊锡连接的问题，传统焊锡接触方式不便于技术人员的调试电路。由于射频晶体管都是高精密度静电敏感元件，极易损坏，因此保存和操作条件都极其苛刻。本实用新型采用PCB表面沉银工艺进行栅极和源极接触，并通过螺钉将晶体管固定到开槽散热模块上，节约了电路调试成本，使得晶体管安装方式更加灵活可控。

4).相对于传统射频功放的两路偏置，本实用新型将第一和第二偏置电路集合到一个电源接口上，缩减了电路面积，简化了电路结构。

本实用新型可以实现至少600MHz的带宽，单级增益大于15dB。基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器结构简单，工作稳定，抗电磁干扰能力强，晶体管与电路装置之间无需焊接，安装更换方式灵活，便于静电敏感元件的保存，可重复利用率高，适应场景多。

附图说明

图1为本实用新型实施例中基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器的侧面剖视图。

图2为本实用新型实施例中的接地共面波导模块结构框图。

图3为本实用新型实施例中的电路原理图。

图4为本实用新型实施例中的PCB布局图。

图5为实施例中现有技术中射频功率放大器的结构框图。

图6为本实用新型实施例中基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器与传统射频功率放大器的小信号增益仿真对比图。

图7为本实用新型实施例中基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器与传统射频功率放大器的大信号增益仿真对比图。

图8为本实用新型实施例中基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器与传统射频功率放大器、商业化射频功率放大器的输入回波损耗实测对比图。

图9为本实用新型实施例中基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器与传统射频功率放大器、商业化射频功率放大器的正向传输系数实测对比图。

具体实施方式

下面结合对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围作出更为清楚的界定。显然，本领域的普通技术人员可以通过对说明书的阅读获取本实用新型的核心思想和优势，本实用新型的应用场景不局限于说明书中的实施例，可以应用于不同实施方式。另外，本实用新型中的其他细节也可以在不背离本实用新型精神的原则下被适当修改和替换，任何不付出创造性劳动的其他实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

需要注意的是，附图仅用于示例性说明，不能理解为本实用新型的限制。为了更好的描述实施例，附图通常以简洁形式给出，图中细节和尺寸只适用于本实施例，并不代表特定的比例。

实施例：

如图1所示，本实用新型提出的基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器从上至下分为4层，第一层是微带接地共面波导模块101，也是PCB基板102的正面印刷电路和各元器件安装面；第二层PCB基板102是PCB介质材料，本实施例中选用Rogers 4350B，介电常数为3.48，损耗因子为0.0037@10GHz；第三层是金属地层103，它既能增大GND面积、保证信号完整性、减小地线阻抗，又能和下一层金属导体形成良好导体接触，利于散热；第四层是散热模块104，本实施例中选用铝合金，厚度为10mm，作用是加速发热元件的散热效果，保证正常工作温度。

如图2所示，根据本实用新型提出的基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器设计方法，在实施例中输入匹配网络201、输出匹配网络202、第一偏置电路203和第二偏置电路204四周区域敷有地铜，目的是将传统信号从微带线传输模式变成接地共面波导传输模式，增强对地屏蔽信号，减少不必要的串扰和辐射带来的功放工作状态失常。值得注意的是，本实施例中解决了传统射频功率放大器需要两路间隔较远的电源偏置的问题，通常传统功放把第一电源接口设计在PCB基板102左边缘，第二电源接口设计在PCB基板102右边缘，增加了电路的复杂程度。基于简化电路结构，增强布局合理性的目的，本实施例中将第一、第二直流馈电口和地线集合在一个接口上，增强了该射频功率放大器的实用性。

如图3所示，所述输入匹配网络201包括：第一微带线301、第二微带线302、第三微带线303、第四微带线304、第五微带线305、第六微带线306、第一隔直电容313、第一稳定电阻311和第一稳定电容312；所述输出匹配网络202包括：第七微带线307、第八微带线308、第九微带线309和第二隔直电容310；

其中，输入接口208、第一隔直电容313、第一微带线301、第二微带线302、第三微带线303、第四微带线304、第五微带线305、第六微带线306、晶体管206、第七微带线307、第八微带线308、第九微带线309、第二隔直电容310和输出接口209顺次连接；第一稳定电阻311和第一稳定电容312并联接入第二微带线302和第三微带线303之间；

所述第一偏置电路203包括：第一滤波电容314、第二滤波电容315、第三滤波电容316、第四滤波电容317、第五滤波电容318、第一微带偏置线319和第二稳定电阻320；所述第二偏置电路204包括：第六滤波电容321、第七滤波电容322、第八滤波电容323、第九滤波电容324、第十滤波电容325、第十一滤波电容326、第二微带偏置线327；

其中，第一微带偏置线319一端连接电源接口207的第一端，另一端连接第二稳定电阻320一端，第二稳定电阻320的另一端接入第四微带线304和第五微带线305之间；第一滤波电容314、第二滤波电容315、第三滤波电容316、第四滤波电容317和第五滤波电容318的两端均分别跨接第一微带偏置线319与电源接口207的连接处和接地共面波导205上；第二微带偏置线327一端连接电源接口207的第二端，另一端接入第七微带线307和第八微带线308之间；第六滤波电容321、第七滤波电容322、第八滤波电容323、第九滤波电容324、第十滤波电容325和第十一滤波电容326的两端均分别跨接在第二微带偏置线327与电源接口207的连接处和接地共面波导205上。

本实施例中，第一滤波电容314取值为10UF，第二滤波电容315与第八滤波电容323取值为33nF，第三滤波电容316取值为470pF，第四滤波电容317与第十滤波电容325取值为39pF，第五滤波电容318与第十一滤波电容326取值为10PF，第六滤波电容321取值为33UF，第七滤波电容322取值为1UF，第九滤波电容324取值为100pF，第一隔直电容313与第二隔直电容310取值为4pF，第一稳定电阻311取值为20Ω、第一稳定电容312取值为5pF，第二稳定电阻320取值为51Ω。

具体实施中，所选取的晶体管206为GaN HEMT，型号是Cree公司的CGH40010F，封装形式为Flange，与第六微带线306相连的一端为栅极，与第七微带线307相连的一端为漏级，源极接地，栅极偏压为-2.8V，漏级偏压为+28V。值得一提的是，图3中的三角形均表示接地，但电容电阻接地方式是焊接到PCB顶层的接地共面波导205上，而晶体管206源极接地是通过螺丝钉与散热模块104旋紧实现的，由于PCB基板102背层的金属地层103是未覆盖阻焊的铜箔，铜与铝散热块都是导体，二者接触形成一个面积更大的地。可见，本实施例中，接地共面波导205通过若干金属化过孔与金属地层103连接，金属地层103通过铜接触、螺钉接触与散热模块104连接，做到了统一接地。

如图4所示，本实施例中PCB正面的布局视图包含了微带接地共面波导模块101的所有元素。其中，第一滤波电容314为贴片极性钽电解电容，封装形式为CASE C，由于栅极负偏压故正级接地；第二滤波电容315、第八滤波电容323为贴片无极性陶瓷电容，封装形式为0805；第三滤波电容316、第四滤波电容、第五滤波电容318、第九滤波电容324、第十滤波电容325、第十一滤波电容326、第一隔直电容313、第二隔直电容310、第一稳定电容312为贴片无极性陶瓷电容，封装形式为0603；第六滤波电容321贴片极性铝电解电容，封装形式为10*10mm，由于漏级正偏压故负极接地；第七滤波电容322贴片无极性陶瓷电容，封装形式为1210；，第一稳定电阻311、第二稳定电阻320贴片无极性电阻，封装形式为0603。

在图4实施例布局中，各CPWG中心微带线取值如表1所示。

表1

可以看出，在射频主信号线上，需要严格控制微带传输线与接地共面波导205的距离，因为CPWG传输线模式会根据信号线与地线的距离改变其特性阻抗。对于射频功率放大器来说，阻抗匹配的重要程度不言而喻。距离过近，会影响信号线的阻抗，使其值偏小；距离过远，则接地共面波导起不到信号屏蔽的作用，此时CPWG约等于微带线。在本实施例中，已经利用阻抗控制软件计算过CPWG模式下的阻抗变换，保证与初始设计不发生偏差。

值得一提的是，接地共面波导205上进行了若干无规则非阵列金属化过孔处理，目的有四：一是要错落的打，是为了避免形成共振腔体，反而带来辐射问题；二是沿着边界打接地孔，可以拓展CPWG信号的带宽；三是密集接地孔可以增加隔离度；四是与金属地层103连接，实现充分良好接地。

在高频情况下，对于特定的电流返回路径，电感要比阻抗要重要的多，高频的返回电流是沿着电感最小路径前进的，电感最小的返回路径在信号线正下方，它使输出电流路径与返回电流路径之间的总回路面积最小。因此，对于元器件的接地引脚，应该采用将接地过孔就近打在相应焊盘附近的方法。

本实施例中，输入接口208和输出接口209是两节长5mm，宽1.5mm的微带线，它既可以作为射频源SMA接口的馈入点，又为第一隔直电容313与第二隔直电容310提供了一端的焊接座。

为了不引入介电常数未知的介质层，减少损耗，本实施例的PCB基板102顶面与底面均未覆盖阻焊油墨。

如图5所示，传统射频功率放大器采用微带传输线模式，信号主线两边未铺设地线，造成的空间能量辐射损耗较多，且偏置电路需要两端接口，不便于后续走线和布局设计。

如图6所示，该图为本实用新型一较佳实施例与传统射频功率放大器的小信号增益仿真对比图，可以观察到，在中心频率附近，本实用新型提供的射频宽带功率放大器明显比传统射频宽带功率放大器的增益有一定提高。预使射频功放实现15dB以上的高增益，则本实施例中的带宽为3.20-4.10GHz，而传统射频功放为3.26-4.07GHz，带宽扩宽约100M。

如图7所示，该图为本实用新型一较佳实施例与传统射频功率放大器的大信号增益仿真对比图，由于功率放大器一般工作在非线性状态，因此仅仅讨论小信号结果是没有意义的。该图的横坐标是输出功率，纵坐标是系统增益，可以观察到，随着输出功率的增加，系统增益先缓慢下降，当Pout达到饱和输出功率Psat后，增益急剧下降，产生严重的增益压缩现象。在大信号仿真结果中，本实用新型提供的射频宽带功率放大器仍然比传统射频宽带功率放大器表现更好，下面将大信号工作状态下技术人员相对关注的指标列表对比如表2所示。

表2

不难看出，本实用新型提供的基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器与传统技术相比，增益更高，P1dB与饱和输出功率Psat更大，增益压缩更小，效率更高。

图6、图7、表2的数据是基于原理图的仿真，未考虑微带线及接地共面波导之间的耦合效应，也未计算出能量在空间的辐射损耗，是一种理想情况下的结果。由于本实用新型的实施例在仿真下均有一定优势，可以预见的是，该实施例的实测数据会比传统技术有更大幅度的提升，下面通过两幅图来阐述。

如图8所示，该图为本实用新型一较佳实施例与传统射频功率放大器、商业化射频功率放大器的输入回波损耗实测对比图。输入回波损耗(或称S11)表示的是输入端的反射损耗，其值越大，表示该端口反射的能量越多，即传输效果越差。通常规定，回波损耗小于-10dB可视为反射较小。

显然地，根据本实用新型提供的设计方法实现的实施例的回波损耗比商业化产品以及传统射频功率放大器的回波损耗小，且带宽更宽。该实施例在f＝2.948-3.644GHz的范围内均有S11<-10dB，商业化产品在f＝3.276-3.814GHz的范围内有S11<-10dB，传统技术由于缺乏散热设计，故受工作状态受晶体管结温影响较大，仅在中心频率f＝3.545GHz处有S11＝-5.864dB。

如图9所示，该图为本实用新型一较佳实施例与传统射频功率放大器、商业化射频功率放大器的正向传输系数实测对比图。正向传输系数(或称S21)表示的是一端口向二端口传输的能量，在无源系统中表示损耗，有源系统中表示增益，通常来说，单级功率放大器增益大于13dB可视为增益较大。

从图9不难看出，根据本实用新型提供的设计方法实现的实施例、商业化产品的系统增益都较高，该实施例在f＝2.883-3.584GHz的范围内均有S21>15dB，商业化产品在f＝3.376-3.808GHz的范围内有S21>15dB，传统技术在中心频率f＝3.545GHz处有8.222dB的增益，且为窄带射频功放。

图8、图9的实测数据与图6、图7的仿真结果吻合：本实施例的带宽特性好，当S11<-10dB且S21>15dB时，本实用新型的一较佳实施例工作频率为f＝2.948-3.584GHz，带宽636MHz；市面商业化产品的工作频率为3.376-3.808GHz，带宽为432MHz；传统技术实现的射频功放是窄带的，并且增益并不太高，仅为10dB左右。所以，本实施例相比其他现有技术，在带宽、增益、效率方面均有较大提升，实现了一种工作稳定、结构简单的射频宽带功率放大器。

从上述描述中，显而易见的是，本实用新型的实施例描述了一种基于接地共面波导结构的射频宽带功率放大器及设计方法，以便在简化电路的同时大幅降低射频信号的EMI干扰，实现射频功率放大器的稳定工作。晶体管安装槽的设计使得在没有常规焊接晶体管栅极和漏级的情况下，协同解决了散热不良和更换方式固定的问题。不仅如此，输入匹配网络阻抗呈现解题变化的多节传输线，扩宽了射频功率放大器的频带范围，使其工作范围更大，增益平坦度更好。

以上所述仅为本实用新型的一较佳实施例，描述的实施例在各方面仅阐述性而非限定性，并不因此限制本实用新型的保护范围。本领域的技术人员应该明白，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以对本实用新型进行形式和细节的改变，并不受限于此处的特定实施例，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换、排列，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，包括：从上至下排列的微带接地共面波导模块(101)、PCB基板(102)、金属地层(103)和散热模块(104)；

所述微带接地共面波导模块(101)包括输入匹配网络(201)、输出匹配网络(202)、第一偏置电路(203)、第二偏置电路(204)、接地共面波导(205)、晶体管(206)、电源接口(207)、输入接口(208)和输出接口(209)；

其中，输入接口(208)、输入匹配网络(201)、晶体管(206)、输出匹配网络(202)和输出接口(209)顺次连接；第一偏置电路(203)一端与电源接口(207)的第一端连接，另一端接入输入匹配网络(201)和晶体管(206)第一端的连接处；第二偏置电路(204)一端与电源接口(207)的第二端连接，另一端接入输出匹配网络(202)和晶体管(206)第二端的连接处；接地共面波导(205)在PCB基板(102)顶层以一定的间距环绕在输入匹配网络(201)、输出匹配网络(202)、第一偏置电路(203)和第二偏置电路(204)周围，并通过若干金属化过孔与金属地层(103)连接；电源接口(207)的第三端与接地共面波导(205)连接，并通过若干无规则非阵列金属化过孔与金属地层(103)连接。

2.根据权利要求1所述的基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络(201)包括：第一微带线(301)、第二微带线(302)、第三微带线(303)、第四微带线(304)、第五微带线(305)、第六微带线(306)、第一隔直电容(313)、第一稳定电阻(311)和第一稳定电容(312)；所述输出匹配网络(202)包括：第七微带线(307)、第八微带线(308)、第九微带线(309)和第二隔直电容(310)；

其中，输入接口(208)、第一隔直电容(313)、第一微带线(301)、第二微带线(302)、第三微带线(303)、第四微带线(304)、第五微带线(305)、第六微带线(306)、晶体管(206)、第七微带线(307)、第八微带线(308)、第九微带线(309)、第二隔直电容(310)和输出接口(209)顺次连接；第一稳定电阻(311)和第一稳定电容(312)并联接入第二微带线(302)和第三微带线(303)之间；

所述第一偏置电路(203)包括：第一滤波电容(314)、第二滤波电容(315)、第三滤波电容(316)、第四滤波电容(317)、第五滤波电容(318)、第一微带偏置线(319)和第二稳定电阻(320)；所述第二偏置电路(204)包括：第六滤波电容(321)、第七滤波电容(322)、第八滤波电容(323)、第九滤波电容(324)、第十滤波电容(325)、第十一滤波电容(326)、第二微带偏置线(327)；

其中，第一微带偏置线(319)一端连接电源接口(207)的第一端，另一端连接第二稳定电阻(320)一端，第二稳定电阻(320)的另一端接入第四微带线(304)和第五微带线(305)之间；第一滤波电容(314)、第二滤波电容(315)、第三滤波电容(316)、第四滤波电容(317)和第五滤波电容(318)的两端均分别跨接第一微带偏置线(319)与电源接口(207)的连接处和接地共面波导(205)上；第二微带偏置线(327)一端连接电源接口(207)的第二端，另一端接入第七微带线(307)和第八微带线(308)之间；第六滤波电容(321)、第七滤波电容(322)、第八滤波电容(323)、第九滤波电容(324)、第十滤波电容(325)和第十一滤波电容(326)的两端均分别跨接在第二微带偏置线(327)与电源接口(207)的连接处和接地共面波导(205)上。

3.根据权利要求2所述的基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述接地共面波导(205)与输入匹配网络(201)、输出匹配网络(202)、第一偏置电路(203)、第二偏置电路(204)的第i条微带线的间距为L_i，第i条微带线线宽为w_i，中心导带线宽和间距变化满足关系式：

1.5*w_i≤L_i≤3.0*w_i；

PCB基板(102)顶层的接地共面波导(205)上有若干无规则非阵列金属化过孔，过孔间距为0至λ/20，排列区域为顶层非信号线走线的所有共面波导接地带。

4.根据权利要求3所述的基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述微带接地共面波导模块(101)包括改良后的随接地共面波导(205)中心导带线宽变化的接地带与若干无规则非阵列金属化过孔，通过印刷电路板形式印制在PCB基板(102)顶层，所述金属地层(103)通过印刷电路板形式印制在PCB基板(102)背层，所述散热模块(104)与金属地层(103)良好接触并通过螺丝钉紧密安装。

5.根据权利要求2所述的基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述电源接口(207)是5针的弯脚接线端子，其中，从电源接口(207)任意一端起，第一针为第一端，与第一微带偏置线(319)连接；第四针和第五针为第二端，与第二微带偏置线(327)连接；第二针和第三针为第三端，与接地共面波导(205)连接。

6.根据权利要求1所述基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述晶体管(206)是HEMT/JFET/LDMOS中的一种，晶体管(206)的第一端是栅极，第二端是漏级，晶体管(206)的源极通过两枚M2.5螺丝钉固定到散热模块(104)，晶体管(206)的工作频率为0-6GHz，封装形式是Flange；

所述PCB基板(102)为高频微波板材，介电常数为2至10，基板厚度为4mil至60mil，PCB基板(102)顶层和背层印制的接地共面波导(205)和金属地层(103)均为电解铜箔，铜箔厚度为17μm至70μm，表面处理工艺为沉银。

7.根据权利要求1所述的基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述散热模块(104)为铝合金，长度与PCB基板(102)的长度相等，宽度与PCB基板(102)的宽度相等，高度为5mm至15mm；散热模块(104)的顶面开有与PCB基板(102)对应的牙孔和晶体管安装槽，其中，牙孔位置和大小均与PCB基板(102)相同，为通孔；晶体管安装槽深度为H，晶体管法兰厚度为h，满足关系式：

h≤敷铜厚度+基板厚度+H≤h+0.2mm。

8.根据权利要求2～5任一项所述的基于共面波导结构的射频宽带功率放大器，其特征在于，所述第一微带线(301)、第二微带线(302)、第三微带线(303)、第四微带线(304)、第五微带线(305)、第六微带线(306)、第七微带线(307)、第八微带线(308)、第九微带线(309)中的任意一条或多条微带线周围有若干矩形焊点阵列，用于阻抗控制与调节。