本发明专利技术涉及功率放大器的设计、制造，为实现在射频宽带范围内可以达到更大的输出功率和附加效率。本发明专利技术采用的技术方案是，GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法及放大器，包括如下步骤：首先使用氮化镓功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建三级前级驱动电路；采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器；功率放大器，结构是，氮化镓功率管制成的单管射频功率放大器输出到三级前级驱动电路，最后经驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器输出。本发明专利技术主要应用于放大器的设计、制造。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功率放大器的设计、制造，更具体地，涉及宽带大功率射频功率放大器的设计。
技术介绍
射频功率放大器是无线发射机中非常重要的组成部分，被普遍地应用在无线远程通信、定位导航、卫星通信等系统中。射频功率放大器作为发射机的重要模块，其工作带宽、输出功率、附加效率以及其线性度等性能严重地影响了无线通信系统的质量。Paul Saad等人使用GaN高电子迁移率晶体管设计出一款工作频段为2-4GHz的高效射频功率放大器。A.Margonmenos等人报道研究出一种工作在70-105GHz的宽频带GaN功率放大器。可将该微波放大器用于工作在E和W频段的发射模块。查尔莫斯科技大学DavidGustafsson等人提出了一种工作在1.0-3.0GHz的功率放大器。该放大器附加效率有显著提高。南京电子技术研究所，运用传统的传输线理论，采用4只GaN芯片进行阻抗匹配，运用切比雪夫宽带匹配原理，实现了S频段输出功率大于65W，相对带宽为30％、效率大于45％的功率放大器。中国电子科技集团公司第三十六研究所在计算机中利用ADS电路仿真，针对GaN功率管进行特性分析，提出了一种工作在L频段，连续波输出功率为100W，效率大于50％的高新能功率放大器。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，实现在射频宽带范围内可以达到更大的输出功率和附加效率。本专利技术采用的技术方案是，GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法，包括如下步骤：首先使用氮化镓功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建三级前级驱动电路；采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器。单管射频功率放大器的设计：首先要设计功率管的静态工作点以及搭建偏置电路，再进行稳定性分析，让放大器满足绝对稳定条件，继而通过仿真软件测试出功率管的输入和输出阻抗，并设计得到输入和输出匹配网络。1.1静态工作点和偏置电路射频功率放大器在AB类工作状态，根据ADS仿真软件中电流-电压(I-V)静态曲线和数据手册确定静态工作点电压；确定静态工作点后开始设计偏置网络，在设计偏置网络时，在输入端、输出端串联电容，其作用是去耦和滤波；在电源两端并联旁路电容，其作用是滤除波动干扰；1.2稳定性设计如果将射频功率放大器抽象成一个双端口网络，其特性由S参量以及负载反射系数ΓL和波源反射系数ΓS确定，根据上面分析，当反射系数的模小于1时电路处于稳定状态，通过公
式表示为：|ΓL|<1 |ΓS|<1则输入反射系数Γin和输出反射系数Γout有：|Γin|=|S11-ΓLΔ1-S22ΓL|<1|Γout|=|S22-ΓSΔ1-S11ΓS|<1]]>其中，Δ＝S11S22-S12S21，根据公式推导，绝对稳定条件可以通过稳定性因子k来表达：k=1-|S11|2-|S22|2+|Δ|22|S12||S21|>1]]>其中，|Δ|＝|S11S22-S12S21|<1；当反射系数大于1的时候，则有Re(Zin)<0和Re(Zout)<0，在输入或输出端添加串联电阻或并联电容；S11为输出端口匹配时，输入端口反射波与入射波之比；S21为输出端口匹配时，输出端口传输波与输入端口入射波之比；S22为输入端口匹配时，输出端口发射波与入射波之比；S12为输入端口匹配时，输入端口传输波与输出端口入射波之比。输入输出匹配网络设计在设计输入输出阻抗匹配电路之前，我们必须先测得晶体管的输入输出阻抗。为了测试输出输入阻抗，采用的方法是负载牵引法(LoadPull)和源牵引法(SourcePull)，在确保输入阻抗匹配的条件下，通过不断变化负载阻抗值，最终在一系列阻抗值中确定使得功率管输出功率最大时刻的阻抗值，同理也能确定使得功率管工作效率最高的输出阻抗值；在确认输入输出阻抗后，则需要为晶体管设计输入输出阻抗匹配电路，将其阻抗匹配至标准输入输出阻抗50欧姆，采用微带线和电容融合的电路拓扑结构设计匹配网络。GaN HEMT多级射频功率放大器，结构是，氮化镓功率管制成的单管射频功率放大器输出到三级前级驱动电路，三级前级驱动电路是利用功率管搭建而成；前级驱动电路输出到四个单管功率放大器并联构成的末级功率放大器组，最后经驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器输出。前级放大器输出端口为隔离器，保证与末级放大的良好隔离；2个3dB电桥用于将三级前级驱动电路的第三级放大器输出功率等分为四路，分别给四个末级放大器提供等幅的功率推动，四个末级放大器通过3个3dB电桥整合后输出。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术设计了多级射频大功率放大器。该放大器由前三级驱动放大电路和末级功率放大器组两部分级联组成。前三级驱动放大电路各级使用的功率管分别为AH125、CGH40006和CGH40045。前级驱动放大电路将功率推动到40dBm，三阶互调抑制为40dBc，为末级功放组提供足够大的输入功率。末级功率放大器组由4个单管功率放大器模块并联组成，其中单管功率放大器模块使用的功率管为CGH40120F，最终末级功率放大器组输出功率可达400W，附加效率大于46％，三阶互调抑制可达18.4dBc。最后将前三级驱动放大电路和末级功率放大器组两部分级联成原始宽带大功率放大器并对其测试，其最终指标达到预期效果。附图说明：图1多级射频功率放大器电路结构。图2多级射频功率放放大器电路。图3整体电路小信号增益。图4输入功率为0dBm，输出功率随频率变化。图5输入功率为0dBm，附加效率随频率变化。具体实施方式本专利技术通过对功率放大器相关技术的研究设计出一种多级射频功率放大器，通过ADS电路仿真，该射频功率放大器在工作带宽、输出功率、附加效率以及线性度方面均取得了良好的效果。本专利技术采用Cree公司生产的GaN高电子迁移率晶体管设计功率增益大于55dB、输出功率为55dBm的大功率射频功率放大器，并在ADS软件上进行仿真验证。首先使用CGH40120F氮化镓功率管设计了一种单管射频功率放大器。该功率放大器工作在L频段，输出功率在全频段内大于50dBm，功率增益大于14dB。同时放大器的附加效率大于48％，并且具有良好的线性度。在此基础上，使用AH125、CGH40006、CGH40045功率管搭建了三级前级驱动电路，驱动信号功率达到40dBm；采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组。最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器。仿真结果表明该功率放大器在频段950MHz～1250MHz内，实现了功率增益大于55dB，输出功率为55dBm，附加效率大于42％，且具有较好的线性度，取得较好的效果。技术方案如下：1、首先进行单管射频功率放大器的设计，射频功率放大器的设计不同于低频电路，其需要考虑工作频段、带宽等特殊因素，特别是入射电压波和入射电流波与有源器件的匹配。设计射频功率放大器首先要设计功率管的静态工作点以及搭建偏置电路，再进行稳定性分析，让放大器满足绝对稳定条件，继而通过仿真软件测试出功率管的输入和输出阻抗。并本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法，其特征是，步骤如下：首先使用氮化镓功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建三级前级驱动电路；采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器。
【技术特征摘要】
1.一种GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法，其特征是，步骤如下：首先使用氮化镓功率管设计单管射频功率放大器，再利用功率管搭建三级前级驱动电路；采用四个单管功率放大器并联构成末级功率放大器组，最后将驱动电路和末级功率推动电路级联形成最终的射频大功率放大器。2.如权利要求1所述的GaN HEMT多级射频功率放大器设计方法，其特征是，单管射频功率放大器的设计：首先要设计功率管的静态工作点以及搭建偏置电路，再进行稳定性分析，让放大器满足绝对稳定条件，继而通过仿真软件测试出功率管的输入和输出阻抗，并设计得到输入和输出匹配网络；1.1静态工作点和偏置电路射频功率放大器在AB类工作状态，根据ADS仿真软件中电流-电压(I-V)静态曲线和数据手册确定静态工作点电压；确定静态工作点后开始设计偏置网络，在设计偏置网络时，在输入端、输出端串联电容，其作用是去耦和滤波；在电源两端并联旁路电容，其作用是滤除波动干扰；1.2稳定性设计如果将射频功率放大器抽象成一个双端口网络，其特性由S参量以及负载反射系数ΓL和波源反射系数ΓS确定，根据上面分析，当反射系数的模小于1时电路处于稳定状态，通过公式表示为：|ΓL|<1 |ΓS|<1则输入反射系数Γin和输出反射系数Γout有：|Γin|=|S11-ΓLΔ1-S22ΓL|<1|Γout|=|S22-ΓSΔ1-S11ΓS|<1]]>其中，△＝S11S22-S12S21，根据公式推导，绝对稳定条件可以通过稳定性因子k来表达：k=1-|S11|2-|S22|2+|Δ|22|S12||S21|>1]]>其中，|△|＝|S11S22-S12S21|<1；当反射系数大于1的时候，则有Re(Zi...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾冰，刘开华，马永涛，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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