一种宽带F类功率放大器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种宽带F类功率放大器及设计方法。由于传统的F类功率放大器是利用微带线进行谐波控制，而微带线的高Q值特性往往极大的限制了功率放大器的工作带宽。本发明专利技术一种宽带F类功率放大器包括带通输入匹配电路、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、π型谐波控制网络和低通输出匹配电路。晶体管的输入端接栅极偏置电路的电压输出端，输出端接漏极偏置电路的电压输出端。带通输入匹配电路包括第一输入微带线、第二输入微带线、第三输入微带线和第四输入微带线。π型谐波控制网络包括第一谐波微带线、第二谐波微带线、第三谐波微带线和第四谐波微带线。本发明专利技术使得F类功率放大器在保持高效率的同时，带宽增大。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带F类功率放大器及设计方法
本专利技术属于功率放大器
，具体涉及一种宽带F类功率放大器及设计方法。
技术介绍
半个多世纪以来，射频微波技术得到了迅猛的发展，在手机、卫星通信、WLAN等通信领域被广泛应用。射频功放模块是无线通信系统中的重要组成部分，为了满足信号的远距离传输并且保障信号可靠接收，在无线收发系统中必须使用功放模块来进行信号的放大。因此，功率放大器模块的性能直接决定了整个收发机系统的工作情况。毫无疑问，功放模块是射频前端的核心部分。伴随着通信技术的不断发展，人们对于通信技术的要求越来越高，而功率放大器作为通信收发系统中重要组成部分也越来越受到人们重视。因此，宽带高效率射频功率放大器是如今人们研究射频功率放大器的重中之重。而F类功率放大器具备了高效率的特点，使其能够有效地被利用于基站建设。F类功率放大器是一种特殊的开关型功率放大器，它充分利用对各次谐波的控制，使其效率能够达到理论值100％。同时，F类功率放大器使用无源负载网络来控制各次谐波，从而来控制输出的电压波形和电流波形，这使得F类功率放大器对于晶体管的要求比较低。但现有技术中F类功率放大器存在以下问题：由于传统的F类功率放大器是利用微带线进行谐波控制，而微带线的高Q值特性往往极大的限制了功率放大器的工作带宽。在之前设计的电路中，已经在一定程度上解决了F类功率放大器的带宽和谐波控制之间的问题。但单一的微带调谐线，存在一个问题：在设计带宽内，在靠近最高频率点和最低频率点时，效率存在一个明显下降的问题，从而导致带内平坦度偏低的问题。因此，就如何解决带内高频率和低频率偏低的问题变成一个难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种宽带F类功率放大器及设计方法。本专利技术一种宽带F类功率放大器，包括带通输入匹配电路、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、π型谐波控制网络和低通输出匹配电路。所述晶体管的输入端接栅极偏置电路的电压输出端，输出端接漏极偏置电路的电压输出端。所述的带通输入匹配电路包括第一输入微带线、第二输入微带线、第三输入微带线和第四输入微带线。第二输入微带线的一端接第一输入微带线的一端，另一端接第三输入微带线、第四输入微带线的一端及接晶体管的输入端。第一输入微带线、第二输入微带线及第四输入微带线的另一端均悬空。第一输入微带线的特征阻抗值Z1＝ω0·L1；第二输入微带线的特征阻抗值第三输入微带线的特征阻抗值Z3＝ω0·L2；第四输入微带线的特征阻抗值其中，g1、g2的取值在0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表中查取。g1为0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表第一行的第二个参数；g2为0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表第一行的第三个参数。FBW＝(ω2-ω1)/ω0；ω1＝2πf1；ω2＝2πf2；f1为设计带宽的下极限值；f2为设计带宽的上极限值；R0＝(VDS-VGS)/I；VDS为漏极偏置电路输出的电压值；VGS为栅极偏置电路输出的电压值；I为晶体管的电流值。所述的π型谐波控制网络包括第一谐波微带线、第二谐波微带线、第三谐波微带线和第四谐波微带线。第二谐波微带线的一端接第一谐波微带线的一端，另一端接第三谐波微带线的一端。第三谐波微带线的另一端接第四谐波微带线的一端。第一谐波微带线及第四谐波微带线的另一端均悬空。第二谐波微带线靠近第一谐波微带线的那端接晶体管的输出端。所述的低通输出匹配模块包括第1输出微带线、第2输出微带线、……、第n输出微带线Tn。n为三的倍数，且小于36。第1输出微带线的一端接π型谐波控制网络内第三谐波微带线靠近第四谐波微带线的那端，另一端接第2输出微带线及第3输出微带线的一端。第2输出微带线及第3输出微带线的另一端均悬空。第3i+1输出微带线靠近π型谐波控制网络的那端接第3i-2输出微带线远离π型谐波控制网络的那端。第3i+1输出微带线远离π型谐波控制网络的那端接第3i+2输出微带线及第3i+3输出微带线的一端。第3i+2输出微带线及第3i+3输出微带线的另一端均悬空，i＝1,2,…,n/3-1。在i＝1,2,…,n/3的情况下，第3i-2输出微带线的特征阻抗值第3i-1输出微带线Z3i-1′＝第3i输出微带线的特征阻抗值Z3i′＝ω0′·Li′。其中，为设计带宽的中心频率；Ci′的取值与Li′的取值在0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表中查取。查取方法为：在0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表中找到目标行，即阶对应的那行。目标行的第2i-1个参数为Ci′的取值，第2i个参数为Li′的取值。进一步地，所述第一输入微带线、第二输入微带线、第三输入微带线和第四输入微带线的电长度均为λ/8。进一步地，所述第一谐波微带线的电长度为λ/8，第四谐波微带线的电长度为λ/12。进一步地，所述第1输出微带线、第2输出微带线、……、第n输出微带线Tn的电长度均为λ/8。该宽带F类功率放大器的设计方法具体如下：步骤一：在ADS软件中设计栅极偏置电路及漏极偏置电路，得到一个偏置在B类或者AB类功率放大器。步骤二、在ADS软件中设计带通输入匹配电路和低通输出匹配电路。步骤三：在ADS软件中设计π型谐波控制网络。步骤四：在ADS软件中将调试好的带通输入匹配电路、低通输出匹配电路、栅极偏置电路、漏极偏置电路、π型谐波控制网络和晶体管组合起来构成宽带F类功率放大器。得到原理图。进入步骤五。步骤五：在ADS软件中将步骤四所得原理图导出形成版图。再进行版图、原理图联合仿真。若版图、原理图联合仿真所得F类功率放大器的效率值在设计带宽内均大于70％，则直接进入步骤六。若版图、原理图联合仿真所得的F类功率放大器的效率值在设计带宽内出现小于或等于70％的情况，则调整F类功率放大器π型谐波控制网络中第二谐波微带线和第三谐波微带线的电长度，并重复步骤四。步骤六：根据步骤五所得的版图加工出F类功率放大器。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术的技术方案通过改进现有设计的F类功率放大器的输入匹配网络、输出匹配网络和谐波控制网络，输入匹配网络使用带通滤波匹配方法，输出匹配网络使用低通滤波匹配方法，谐波控制网络使用π型网络，使得F类功率放大器在保持高效率的同时，带宽增大。2、本专利技术在达到1GHz(2GHz～3GHz范围内)的带宽内效率均达到70％以上，明显优于现有F类功率放大器的仅在0.2GHz(2.4GHz～2.6GHz范围内)的带宽内效率达到70％以上。3、本专利技术在带宽内的效率都超过了70％，高于基站所用的功率放大器效率(现有技术中基站功率放大器在带宽内的效率一般在50％左右)。为今后的基站功放建设提供了一种新的方法。附图说明图1为本专利技术的工作原理图；图2为本专利技术中低通输出匹配电路的工作原理图；图3为对本专利技术进行ADS阻抗值仿真得到的史密斯圆图；图4为在ADS软件中对本专利技术、基站功率放大器、现有F类功率放大器分别进行效率模拟仿真所得的效率折线图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种宽带F类功率放大器，包括带通输入匹配电路1、栅极偏置电路2、晶体管3、漏极偏置电路4、π型谐波控制网络5和低通输出匹配电路6。晶体管3的输入端(栅极)接栅极偏置电路2的电压输出端，输出端(漏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带F类功率放大器，包括栅极偏置电路、晶体管和漏极偏置电路；其特征在于：还包括带通输入匹配电路、π型谐波控制网络和低通输出匹配电路；所述晶体管的输入端接栅极偏置电路的电压输出端，输出端接漏极偏置电路的电压输出端；所述的带通输入匹配电路包括第一输入微带线、第二输入微带线、第三输入微带线和第四输入微带线；第二输入微带线的一端接第一输入微带线的一端，另一端接第三输入微带线、第四输入微带线的一端及接晶体管的输入端；第一输入微带线、第二输入微带线及第四输入微带线的另一端均悬空；第一输入微带线的特征阻抗值Z1＝ω0·L1；第二输入微带线的特征阻抗值

【技术特征摘要】
1.一种宽带F类功率放大器，包括栅极偏置电路、晶体管和漏极偏置电路；其特征在于：还包括带通输入匹配电路、π型谐波控制网络和低通输出匹配电路；所述晶体管的输入端接栅极偏置电路的电压输出端，输出端接漏极偏置电路的电压输出端；所述的带通输入匹配电路包括第一输入微带线、第二输入微带线、第三输入微带线和第四输入微带线；第二输入微带线的一端接第一输入微带线的一端，另一端接第三输入微带线、第四输入微带线的一端及接晶体管的输入端；第一输入微带线、第二输入微带线及第四输入微带线的另一端均悬空；第一输入微带线的特征阻抗值Z1＝ω0·L1；第二输入微带线的特征阻抗值第三输入微带线的特征阻抗值Z3＝ω0·L2；第四输入微带线的特征阻抗值其中，g1、g2的取值在0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表中查取；g1为0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表第一行的第二个参数；g2为0.5dB等波纹契比雪夫归一化低通滤波电路参数表第一行的第三个参数；FBW＝(ω2-ω1)/ω0；ω1＝2πf1；ω2＝2πf2；f1为设计带宽的下极限值；f2为设计带宽的上极限值；R0＝(VDS-VGS)/I；VDS为漏极偏置电路输出的电压值；VGS为栅极偏置电路输出的电压值；I为晶体管的电流值；所述的π型谐波控制网络包括第一谐波微带线、第二谐波微带线、第三谐波微带线和第四谐波微带线；第二谐波微带线的一端接第一谐波微带线的一端，另一端接第三谐波微带线的一端；第三谐波微带线的另一端接第四谐波微带线的一端；第一谐波微带线及第四谐波微带线的另一端均悬空；第二谐波微带线靠近第一谐波微带线的那端接晶体管的输出端；所述的低通输出匹配模块包括第1输出微带线、第2输出微带线、……、第n输出微带线Tn；n为三的倍数，且小于36；第1输出微带线的一端接π型谐波控制网络内第三谐波微带线靠近第四谐波微带线的那端，另一端接第2输出微带线及第3输出微带线的一端；第2输出微带线及第3输出微带线的另一端均悬空；第3i+1输出微带线靠近π型谐波控制网络的那端接第3i-2输出微带线远离π型谐波控制网络的那端；第3i+1输出微带线远离π型谐波控制网络的那端接第3...

【专利技术属性】
技术研发人员：程知群，冯瀚，徐雷，田健廷，张振东，李晨，熊国萍，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33