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一种新型双频带高效F类功率 放大器

阅读：571发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种新型双频带高效F类功率放大器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种新型双频带高效F类功率放大器，晶体管源极接地，栅极连接RC稳定电路，漏极连接新型谐波控制电路；RC稳定电路分别连接双频带输入匹配电路和双频带栅极直流偏置电路；新型谐波控制电路连接低频带谐波调节电路，低频带谐波调节电路分别连接低频带谐波控制电路、双频带输出匹配电路和具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路。本发明克服了现有技术电路复杂度过高和晶体管寄生参数效应存在导致的工作效率恶化问题；在满足双频带传输的前提下，有效简化了电路结构，同时考虑了晶体管寄生参数效应，从而达到提升功放效率的目的。，下面是一种新型双频带高效F类功率放大器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：晶体管输入端由双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；双频带栅极直流偏置电路位于双频带输入匹配电路和晶体管之间；在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能；晶体管输出端由新型谐波控制电路、低频带谐波调节电路、低频带谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成；所述新型谐波控制电路位于晶体管和低频带谐波调节电路之间；所述低频带谐波控制电路位于低频带谐波调节电路和双频带漏极直流电路之间；所述双频带漏极直流偏置电路位于低频带谐波控制电路和双频带输出匹配电路之间。
2.根据权利要求1所述一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：所述新型谐波控制电路由一段串联的传输线T9，两段并联的终端开路传输线T10、T11构成，其中传输线T10接在传输线T9上；在高频带f2处，该电路结合晶体管寄生参数，提供在晶体管本征漏极端的F类阻抗条件。
3.根据权利要求2所述一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：新型谐波控制电路工作方式如下所述：两段并联的终端开路传输线T10、T11分别在C点和D点，提供高频带f2的二次谐波和三次谐波短路状态；结合晶体管寄生参数，调节传输线T9的特征阻抗Z1和连接处C点前的电长度θ1，在晶体管本征漏极端呈现二次谐波2f2的阻抗短路状态；再调节T10的特征阻抗Z2，T11的特征阻抗Z3以及T9另一段的电长度θ2，在晶体管本征漏极端呈现三次谐波3f2的阻抗开路状态。
4.根据权利要求1所述一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：所述低频带谐波调节电路由两段串联的传输线构成，在低频带f1处，结合晶体管寄生参数进行调整，满足在晶体管本征漏极端的二次谐波短路和三次谐波开路状态。
5.根据权利要求1所述一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：所述低频带谐波控制电路由两段串联的传输线构成，提供在A点的低频带二次谐波2f1和三次谐波3f1短路状态，该电路解决了传输线宽度过细导致的高特征阻抗问题，使电路具有可行性。
6.根据权利要求1所述一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：所述晶体管输出端的双频带漏极直流偏置电路在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件。
7.根据权利要求1所述一种新型双频带高效F类功率放大器，其特征在于：所述双频带输出匹配电路能在基波频率f1和f2处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。

说明书全文

一种新型双频带高效F类功率放大器

技术领域

[0001] 本发明属于功率放大器技术领域，尤其涉及一种新型双频带高效F类功率放大器。

背景技术

[0002] 目前，随着移动通信系统的进一步发展，具备覆盖多标准、多频带的射频前端会成为未来通信终端的关键构成部分。功率放大器作为射频前端中最关键以及耗能最大的模块，也需要具备在多标准和多频带工作的能力。所以，高效率多频带功率放大器的设计已成为功放研究领域的热点，而高效率双频带功率放大器是其中最基本的一类。

[0003] F类功率放大器作为高效率功率放大器之一，其谐波控制电路能将信号的偶次谐波阻抗调整为短路状态，使晶体管漏极端电流波形为半正弦波；奇次谐波阻抗调整到开路状态，使晶体管漏极端电压波形为方波；在理想的情况下，漏极电压和电流波形没有重叠，所以理想的F类功率放大器的漏极效率能达到100％。实际设计F类功放时，一般只考虑二次谐波和三次谐波。F类功率放大器的设计与双频带功率放大器的高效率需求相结合，双频带F类功率放大器成为功率放大器设计的一个热门研究领域。

[0004] 但是，目前已有的双频带F类功率放大器没有实现优异的功率附加效率（PAE）性能。主要是由于以下原因造成的：首先，现有的双频带F类功率放大器电路结构复杂，无法很好地同时控制两个工作频带的二次谐波和三次谐波[1] -[2]；其次，晶体管本身的寄生参数会影响漏极端的二次谐波短路和三次谐波开路的条件[3]，从而影响双频带F类功率放大器的效率。

[0005] 综上所述，如何解决现有电路结构复杂度过高和补偿晶体管寄生参数，提高双频带F类功率放大器的PAE，成为一个亟需解决的技术难题。

[0006] 【参考文献】[1]R.Negra,et,al."Concurrent Dual-Band Class-F Load Coupling Network for Applications at 1.7 and 2.14 GHz," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 55, no. 3, pp. 259-263, March 2008.
[2]J.Pang,et,al."A Novel Design of Concurrent Dual-Band High Efficiency Power Amplifiers With Harmonic Control Circuits," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett, vol. 26, no. 2, pp. 137-139, Feb. 2016.
[3]J. H. Kim,et,al."Modeling and Design Methodology of High-Efficiency Class-F and Class-F-1 Power Amplifiers,"IEEE Trans. Microwave Theory & Tech., vol. 59, no. 1, pp. 153-165, Jan. 2011.
[4]Q.Cai,et,al."A Simple Method of Designing High-Efficiency Second-
Harmonic-Tuned Power Amplifier,"IEEE Microw. Wireless Compon. Lett,vol. 27, no. 12, pp. 1149-1151, Dec. 2017.
[5]W.Che,et,al."Formula Derivation and Verification of Characteristic Impedance for Offset Double-Sided Parallel Strip Line (DSPSL),"IEEE Microw. Wireless Compon. Lett,vol. 20, no. 6, pp. 304-306, June 2010。

发明内容

[0007] 一种新型双频带高效F类功率放大器，克服了现有技术电路复杂度过高和晶体管寄生参数效应存在导致的工作效率恶化问题；在满足双频带传输的前提下，有效简化了电路结构，同时考虑了晶体管寄生参数效应，从而达到提升功放效率的目的。

[0008] 一种新型双频带高效F类功率放大器，晶体管输入端由双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；双频带栅极直流偏置电路位于双频带输入匹配电路和晶体管之间；在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能。晶体管输出端由新型谐波控制电路、低频带谐波调节电路、低频带谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成。所述新型谐波控制电路位于晶体管和低频带谐波调节电路之间；所述低频带谐波控制电路位于低频带谐波调节电路和双频带漏极直流电路之间；所述双频带漏极直流偏置电路位于低频带谐波控制电路和双频带输出匹配电路之间。

[0009] 所述新型谐波控制电路由一段串联的传输线T9，两段并联的终端开路传输线T10、T11构成，其中传输线T10接在传输线T9上；在高频带f2处，该电路结合晶体管寄生参数，提供在晶体管本征漏极端的F类阻抗条件。该新型谐波控制电路工作方式如下所述：两段并联的终端开路传输线T10、T11分别在C点和D点，提供高频带f2的二次谐波和三次谐波短路状态；
结合晶体管寄生参数，调节传输线T9的特征阻抗Z1和连接处C点前的电长度θ1，在晶体管本征漏极端呈现二次谐波2f2的阻抗短路状态；再调节T10的特征阻抗Z2，T11的特征阻抗Z3以及T9另一段的电长度θ2，在晶体管本征漏极端呈现三次谐波3f2的阻抗开路状态。

[0010] 所述低频带谐波调节电路由两段串联的传输线构成，在低频带f1处，结合晶体管寄生参数进行调整，满足在晶体管本征漏极端的二次谐波短路和三次谐波开路状态；所述低频带谐波控制电路由两段串联的传输线构成，提供在A点的低频带二次谐波2f1和三次谐波3f1短路状态，该电路解决了传输线宽度过细导致的高特征阻抗问题，使电路具有可行性；所述晶体管输出端的双频带漏极直流偏置电路在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件；所述双频带输出匹配电路能在基波频率f1和f2处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。

[0011] 本发明的有益效果是：（1）提出了一种新型的谐波控制电路，简化了电路结构的同时，在高频带f2处满足晶体管本征漏极端的F类阻抗条件；（2）在满足低频带谐波控制电路可行性的同时，有效简化了该电路的结构复杂度；（3）考虑了晶体管寄生分量对功放效率的影响。从而有效提高双频带F类功率放大器的工作效率。附图说明

[0012] 图1是本发明新型双频带高效F类功率放大器的原理框图；图2是本发明新型双频带高效F类功率放大器的电路结构图；
图3（a）是本发明低频带谐波控制电路的结构示意图；
图3（b）是偏移双侧平行带线（Offset DSPSL）的横截面图；
图4是本发明提出的新型谐波控制电路图。

具体实施方式

[0013] 为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。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它的附图。

[0014] 本发明提供的一种新型双频带高效F类功率放大器，其原理框图如图1所示，其中，晶体管输入端由双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；晶体管输出端由新型谐波控制电路、低频带谐波调节电路、低频带谐波控制电路、双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成。

[0015] 图2所示为低频带基波f1，高频带基波f2的双频带高效F类功率放大器的电路结构图。双频带输入匹配电路和双频带输出匹配电路都由三段串联的传输线和一段并联开路短截线构成，在两个工作频带处匹配晶体管最优基波阻抗到50Ω；R-C稳定电路与栅极偏置线连接的电阻R1用来保证功放的稳定性；并联的扇形线T17、T19和传输线T16、T18一起构成双频带漏极直流偏置电路；除此之外，需要结合晶体管寄生参数，调整由两段串联传输线T12、T13构成的低频带谐波调节电路，在晶体管本征漏极端呈现低频带f1的二次谐波短路和三次谐波谐波开路状态。

[0016] 图3（a）所示为本发明低频带谐波控制电路的结构示意图，由两段串联的传输线T14、T15构成；对于低频带f1的二次谐波2f1和三次谐波3f1，低频带谐波控制电路可以在A点呈现短路状态。具体实现原理和方法阐述如下：这个由两段串联传输线构成的简单结构可以实现在两个任意频率下从零到无限大的阻抗变换的目标；假设传输线T14、T15的特征阻抗分别为Z5、Z6，电长度分别为θ5、θ6，使用文献[4]的设计流程，
（1）
（2）
（3）
它们的计算方式如式（1）-（3）所示。

[0017] 但是对于某些特定频率而言，谐波控制电路的两个串联传输线之间的阻抗比Z5/Z6有些大。例如，对于低频带f1=1.9GHz和高频带f2=3.3GHz。m=3f1/2f1=1.5，θ5=θ6=π/(1+1.5)=0.4π=72o，Z5/Z6=tan(72o)*tan(72o)=9.47。假设传输线T15的特征阻抗Z6的值选为25Ω，则传输线T14的特征阻抗Z5的值接近于237Ω。当使用的介质基板材料为RO5880，相对介电常数εr=2.2，厚度为31mil，在传输线T14的特征阻抗为237Ω的情况下，线宽为0.011mm，接近印刷电路板工艺的制造极限，而且高特征阻抗的微带传输线的高功率处理能力有限。双侧平行带线（DSPSL）由介质基板中两个相对侧的金属薄片组成，这两个金属薄片完全相同，它可以实现具有各种特征阻抗的传输线路；当偏移介质基板顶部和底部的金属薄片，得到的偏移双侧平行带线（Offset DSPSL）可以很容易地实现特征阻抗高达250Ω的微带线，而不需要减小金属薄片的宽度[5]。图3（a）中的黑色矩形表示偏移双侧平行带线的底部金属薄片。图3（b）是偏移双侧平行带线（Offset DSPSL）的横截面图；εr是介质基板的相对介电常数，h是介质基板的厚度，w是金属薄片宽度，d是偏移距离。

[0018] 图4为本发明提出的新型谐波控制电路。可以满足高频带f2下，F类功放在晶体管本征漏极端的二次谐波和三次谐波阻抗条件。串联传输线T9的特征阻抗为Z1，电长度分别为θ1和θ2。Cds为晶体管漏极和源极之间的寄生电容，Ld为寄生电感，Cp为封装寄生电容。并联开路传输线T10的特征阻抗为Z2，T10在2f2下的电长度θ3为90o。

[0019] ZL是从晶体管封装端向外看过去的阻抗。对二次谐波2f2，T10提供在C点的短路状态，此时ZL的表达式如式（4）所示：（4）
得到晶体管本征漏极端的负载阻抗Z(2ɷ)的表达式如式（5）所示：
（5）
其中，ɷ=2πf2。

[0020] 为了满足F类功放的二次谐波阻抗短路状态，需要让式（5）的分子为零，即可求得θ1的表达式（6）：（6）
其中，n为整数。在实际设计时，电长度θ1取大于零的最小值。

[0021] 对高频带f2的三次谐波3f2，Z为从C点向D点看过去的阻抗，其表达式如式（7）所示：（7）
T11的电长度θ4为90o，提供在D点的短路状态，此时ZL的表达式如式（8）所示：
（8）
得到晶体管本征漏极端的负载阻抗Z(3ɷ)的表达式如式（9）所示：
（9）
为了满足F类功放的三次谐波阻抗开路状态，也就是Z(3ɷ)=∞，需要让式（9）的分母为零，结合式（7）-（9），可以求得θ2。

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