一种具备多倍频程的功率放大器及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种具备多倍频程的功率放大器及其设计方法，该率放大器实现了对功率放大器效率和线性度的提高，并实现了带宽覆盖多个倍频程，非常适合具有高传输速率，多种工作模式，多个通信标准，多个工作频点的现代无线通信系统；该放大器能够同时实现高效率和高线性度，能够实现带宽覆盖多个倍频程，结构简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信中使用的放大器领域，更具体地，涉及一种具备多倍频程的功率放大器及其设计方法。
技术介绍
在这个信息化的社会，信息的传输是社会生活中不可缺少的重要环节，因而通信技术也成为自上世纪80年代以来发展最迅速的领域之一。射频功率放大器是无线通信系统中的重要组成部分之一，其作用是放大通信信号功率，以增加信号的传输距离，所以其功率输出能力直接影响到信号的发射和传输距离。功率放大器也是无线通信系统中的主要耗能原件，功率放大器消耗了基站中40％-60％的能量。功率放大器的效率直接影响到整个通信系统的效率，随着无线通信系统的不断改进以满足用户的各种需求，下一代无线通信系统需要工作在不同的通信标准/频率下对于不同的应用，像LTE、WIMAX，为了实现高的数据率包含了越来越多数量的高频带。以往解决这个问题采用的方法是使用多个无线工作在不同频率的放大器，这样不仅会造成浪费，也会是设备的体积庞大。因此需要功率放大器能够高效的工作在宽频带范围内覆盖多个通信频率。一般的A类，AB类功率放大器不能满足高效的需求。目前提高效率的方法有很多种，像D类放大器、E类放大器、J类放大器、F类放大器以及Doherty放大器，D类放大器的结构限制了他在高频段使用。E类功率放大器因为其相对简单的电路和高效率经常用来做宽带放大器，但是E类放大器属于开关型放大器，在高工作频率下其并联电容不能及时充放电去实现理想的漏极波形导致效率下降。Doherty放大器由于负载调制网络限制其带宽。谐波控制连续F类放大器和J类放大器既能满足高效率，高线性度的需求，又能实现宽带的需求，从实现的难易程度来讲，连续F类放大器以结构简单，实现容易成为宽带高效放大器的首选。由于现有无线通信技术的总带宽覆盖超过一个倍频程的宽带宽，这对相应的功率放大器的需要提出了巨大的需求。不幸的是，大多数现有的F类放大器配置不能满足这个要求。因此，需要一种新的设计方法来进一步扩大F类功率放大器的带宽，实现多倍频程宽带覆盖。
技术实现思路
本专利技术提供一种的高效率，高线性度，带宽覆盖多倍频程的具备多倍频程的功率放大器。本专利技术的又一目的在于提供一种多倍频程的功率放大器的设计方法。为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：一种具备多倍频程的功率放大器，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带单元，第二层为基板，第三层为金属地层；其中第一层微带单元为加载有分立元件和金属化过孔的连续F类功率放大器；所述该放大器由输入匹配电路，稳定电路，输入谐波控制电路，功放芯片M1，输出匹配电路和，栅极偏置电路和漏极偏置电路和信号屏蔽单元组成，输入端口线与输入匹配电路相连，输入匹配电路与稳定电路相连，稳定电路与输入谐波控制电路，栅极偏置电路与输入谐波控制电路中的并联四分之波长短路微带线重合，输入谐波控制电路与功放芯片M1相连，功放芯片M1后面接输出匹配电路和，漏极偏置电路与二次谐波匹配电路中的二次谐波下二分之一并联短路微带线是重合的。输出匹配电路和通过隔直电容与输出端口线相连。进一步地，所述输入匹配电路由多个双枝节的并联开路微带线通过串联微带线连接构成，从左到右微带线的长、宽分别为L2、W2，L3、W3，L4、W4，L5、W5，L6、W6。输入端口微带线的长、宽分别为L1、W1；所述稳定电路由并联的RC谐振电路构成，电阻的阻值为R2，电容的容值为C1；所述输入谐波控制电路由工作中心频率下的并联四分之波长短路微带线和三次谐波下的并联四分之一波长开路微带线构成，其长，宽分别为L8、W8，L7、W7；所述功放芯片M1是Cree公司生产的CGH40010FGaNHEMT。进一步地，所述输出匹配电路由谐波控制网络和多基频匹配网络构成，谐波控制网络由二次谐波控制网络和三次谐波控制网络构成，三次谐波控制网络由双枝节的三次谐波下的四分之一波长并联开路微带线连接串联微带线构成，其长、宽分别为L10、W10，L9、W9；二次谐波控制网络由二次谐波下的四分之一波长并联开路微带线和二分之一并联短路微带线连接串联微带线构成，其长、宽分别为L12、W12，L12、W12，L13、W13；多基频匹配网络由两个并联的开路微带线连接串联微带线构成，其长、宽分别为L15、W15，L16、W16，L14、W14，多基频匹配网络连接在谐波控制网络之后；所述二次谐波控制网络与三次谐波控制网络中的串联微带线的长L9和宽W9有关。所述多基频匹配网络与三次谐波控制网络中的串联微带线的长L9和宽W9和二次谐波控制网络的串联微带线的长L11和宽W11有关。进一步地，所述栅极偏置电路和漏极偏置电路由工作中心频率下四分之一波长微带线连接双叶扇形R1、R2再接焊盘构成，四分之一波长微带线的长、宽分别为L8、W8，L12、W12；栅极偏置电路中的四分之一波长微带线与输入谐波控制网络的并联四分之波长短路微带线是同一根微带线。漏极偏置电路中的四分之一波长微带线与二次谐波控制网络的二分之一波长并联短路微带线是同一个根线；所述输出匹配电路通过隔直电容与输出端口线相连，输出端口微带线的长、宽分别为L17、W17。进一步地，所述信号屏蔽单元由良导体加载金属化过孔构成，金属化过孔采用微带工艺固定在基板上，基板为介质材料基板，其中多倍频程的连续F类功率放大器采用的介质材料采用厚度为0.813mm的Rogers4003C材料，其介电常数为3.38。进一步地，所述金属地层为铺满良导体的金属地层。一种具备多倍频程的功率放大器的设计方法，包括以下步骤：S1：用电路仿真软件得出功放芯片的直流特性图和所需要的基频频点的最佳输出，输出阻抗以及中心频点的二次，三次输出谐波阻抗；S2：利用斯密斯原图做输入宽带匹配，输入谐波控制匹配，输出谐波控制匹配，输出多基频匹配，最后将整个电路连接起来再做总体的调节，使整个电路达到最佳效果完成设计。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术提出了一种具备多倍频程的连续F类功率放大器，实现了对功率放大器效率和线性度的提高，并实现了带宽覆盖多个倍频程，非常适合具有高传输速率，多种工作模式，多个通信标准，多个工作频点的现代无线通信系统；该放大器能够同时实现高效率和高线性度，能够实现带宽覆盖多个倍频程，结构简单，成本低。附图说明图1为本专利技术实施例侧面结构示意图；图2为本专利技术实施例连续F类功率放大器实物结构图；图3为本专利技术实施例连续F类功率放大器微带结构图；图4为本专利技术实施例0.9GHz、1.4GHz和1.8GHz三个基频点在电流产生平面和封装平面阻抗的斯密斯原图表示；图5为本专利技术实施例1.4GHz谐波阻抗扩展的斯密斯原图表示；图6为本专利技术实施例封装平面多个基频点匹配轨迹的斯密斯原图表示；图7为本专利技术实施例电流产生平面整个匹配轨迹的斯密斯原图表示；图8、9、10为本专利技术实施例0.9GHz、1.4GHz和1.8GHz三个频点在电流产生平面的电流电压波形；图11为本专利技术实施例多倍频程的连续F类功率放大器S参数图；图12为本专利技术实施例整个带宽范围内漏极效率和输出功率图；图13、14、15为本专利技术实施例0.9GHz、1.4GHz和1.8GHz三个频点输出功率、附加效率和漏极效率随输入功率变化图；图16为本专利技术实施例0.9GHz、1.4GHz和1.8GHz三个频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具备多倍频程的功率放大器，其特征在于，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带单元(101)，第二层为基板(102)，第三层为金属地层(103)；其中第一层微带单元(101)为加载有分立元件和金属化过孔的连续F类功率放大器(200)；所述该放大器(200)由输入匹配电路(202)，稳定电路(203)，输入谐波控制电路(204)，功放芯片M1，输出匹配电路(205)和(206)，栅极偏置电路(207)和漏极偏置电路(207)和信号屏蔽单元(201)组成，输入端口线与输入匹配电路(202)相连，输入匹配电路(202)与稳定电路(203)相连，稳定电路(203)与输入谐波控制电路(204)，栅极偏置电路(207)与输入谐波控制电路(204)中的并联四分之波长短路微带线重合，输入谐波控制电路(204)与功放芯片M1相连，功放芯片M1后面接输出匹配电路(205)和(206)，漏极偏置电路(207)与二次谐波匹配电路(206)中的二次谐波下二分之一并联短路微带线是重合的。输出匹配电路(205)和(206)通过隔直电容与输出端口线相连。

【技术特征摘要】
1.一种具备多倍频程的功率放大器，其特征在于，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带单元(101)，第二层为基板(102)，第三层为金属地层(103)；其中第一层微带单元(101)为加载有分立元件和金属化过孔的连续F类功率放大器(200)；所述该放大器(200)由输入匹配电路(202)，稳定电路(203)，输入谐波控制电路(204)，功放芯片M1，输出匹配电路(205)和(206)，栅极偏置电路(207)和漏极偏置电路(207)和信号屏蔽单元(201)组成，输入端口线与输入匹配电路(202)相连，输入匹配电路(202)与稳定电路(203)相连，稳定电路(203)与输入谐波控制电路(204)，栅极偏置电路(207)与输入谐波控制电路(204)中的并联四分之波长短路微带线重合，输入谐波控制电路(204)与功放芯片M1相连，功放芯片M1后面接输出匹配电路(205)和(206)，漏极偏置电路(207)与二次谐波匹配电路(206)中的二次谐波下二分之一并联短路微带线是重合的。输出匹配电路(205)和(206)通过隔直电容与输出端口线相连。2.根据权利要求1所述的具备多倍频程的功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路(202)由多个双枝节的并联开路微带线通过串联微带线连接构成，从左到右微带线的长、宽分别为L2、W2，L3、W3，L4、W4，L5、W5，L6、W6。输入端口微带线的长、宽分别为L1、W1；所述稳定电路(203)由并联的RC谐振电路构成，电阻的阻值为R2，电容的容值为C1；所述输入谐波控制电路(204)由工作中心频率下的并联四分之波长短路微带线和三次谐波下的并联四分之一波长开路微带线构成，其长，宽分别为L8、W8，L7、W7；所述功放芯片M1是Cree公司生产的CGH40010FGaNHEMT。3.根据权利要求2所述的具备多倍频程的功率放大器，其特征在于，所述输出匹配电路由谐波控制网络(205)和多基频匹配网络(206)构成，谐波控制网络由二次谐波控制网络和三次谐波控制网络构成，三次谐波控制网络由双枝节的三次谐波下的四分之一波长并联开路微带线连接串联微带线构成，其长、宽分别为L10、W10，L9、W...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑少勇，刘兆武，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44