一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器及其设计方法，包括输入匹配电路、低次谐波控制网络、高次谐波电抗控制网络、基波输出匹配电路，其中，低次谐波控制网络用于使二次谐波短路和三次谐波开路；高次电抗性谐波网络由串并联短截线和阻抗变换器组成，使高次谐波阻抗等效于基波阻抗。相对于现有技术，本发明专利技术采用了电抗性谐波网络，变换高次谐波的电抗值，补偿其电阻值，使其阻抗等效于基波阻抗，更好地控制了输出端的高次谐波，可以在宽频带内实现匹配，克服了功率放大器跨倍频程，基波与谐波相同频率阻抗不同的问题；低次谐波控制网络不仅保证了功率放大器的效率，还避免了二三次谐波与高次谐波的重叠问题。

An ultra wideband power amplifier based on reactance harmonic network and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器及其设计方法
本专利技术涉及射频通讯
，尤其涉及一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器及其设计方法。
技术介绍
随着无线基础设施的复杂性、通信标准和频率分段的日益增加，这对高效宽带功率放大器会提出更高的要求。宽禁带GaNHEMT晶体管被认为是这一发展中重要的使能技术。这主要是由于大大提高了晶体管阻抗大小，简化宽带匹配和放大器的设计。功率放大器的阻抗大小会影响最终放大器的带宽、功率和效率的性能。对于高效类的功放，很难使高次谐波阻抗在倍频程外维持在一个适合大小。虽然平衡效率和带宽的设计可以在一定程度上扩展范围，但不可避免地，最高的基波频率会重叠最低的二次谐波频率，导致相同频率下的基波与谐波阻抗不一致，无法实现跨倍频程的超宽带匹配。故，针对存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器及其设计方法，在更高次谐波使用电阻变换的负载，使其阻抗等效于基波阻抗，更好地控制了输出端的高次(高于二、三次)谐波，克服了功率放大器跨倍频程的阻抗不同，难以匹配的问题，拓展功放的工作带宽。为了克服现有技术的缺陷，本专利技术采用以下技术方案：一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器，包括输入匹配电路、晶体管、低次谐波控制网络、高次电抗性谐波网络、基波输出匹配电路，其中，所述低次谐波控制网络包括一段十二分之一波长的第一传输线TL1、一段十二分之一波长的第二传输线TL2、一段六分之一波长的第三传输线TL3和一段四分之一波长的第四传输线TL4，其中，所述第一传输线TL1的一端与晶体管的输出端相连接，所述第一传输线TL1的另一端与所述第二传输线TL2的一端和所述第三传输线TL3的一端相连接，所述第二传输线TL2的另一端开路；所述第三传输线TL3的另一端与所述第四传输线TL4的一端相连接，所述第四传输线TL4的另一端接地；所述高次电抗性谐波网络包括一段串联50Ω的第五传输线TL5、一段并联50Ω的第六传输线TL6以及阻抗变换电阻R，所述第五传输线TL5与低次谐波控制网络相连接，所述第五传输线TL5的另一端与所述第六传输线TL6的一端和阻抗变换电阻R的一端相连接，所述第六传输线TL6的另一端开路；所述阻抗变换电阻R的另一端与所述基波输出匹配电路的一端相连接；所述输入匹配电路，用于将晶体管源牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输入负载端口；所述基波输出匹配电路，用于将晶体管负载牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输出负载端口。作为进一步的改进方案，所述的输入匹配电路与晶体管之间设有栅极偏置电路，其偏压为-2.7V。作为进一步的改进方案，所述的低次谐波控制网络与高次电抗性谐波网络之间设有漏极偏置电路，其偏压为28V。作为进一步的改进方案，所述晶体管采用GaNHEMTCGH40010F晶体管。本专利技术还公开了一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器的设计方法，具体包括如下步骤：步骤S1：设计输入匹配电路，实现从输入端口到晶体管栅极阻抗的共轭匹配；步骤S2：对晶体管的漏极进行负载牵引，分别得到二三次谐波及高次谐波频率下的最优阻抗；步骤S3：设计低次谐波控制网络，利用串并联短截线，使二次谐波短路，三次谐波开路；步骤S4：设计高次电抗性谐波网络，通过一并联短截线与一段阻抗变换器分别对高次谐波的电抗与电阻进行变换，将高次谐波的阻抗变换到与基波阻抗大小相近；步骤S5：设计过渡无耗网络，使信号无损耗的在两个谐波网络之间传输；步骤S6：设计基波输出匹配，在宽频带内使基波阻抗和高次谐波的阻抗同时匹配到负载端口，实现宽带匹配。作为进一步的改进方案，在所述步骤S1中，对晶体管的栅极，在中心频率下进行源牵引获得最优阻抗，在Smith圆图上进行输入匹配电路的设计。相对于现有技术，本专利技术提供的一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器，在更高次谐波使用电阻负载，使高次阻抗等效于基波阻抗，更好地控制了输出端的高次(高于二、三次)谐波，避免了功率放大器跨倍频程的阻抗不同，难以匹配的现象，拓展功放的工作带宽。但深入研究发现，使用电抗性谐波网络控制谐波的方法导致功放的效率低于其他高效类的功放，因此在此基础上加上对二、三次谐波的控制，二次谐波短路，三次谐波开路，使电流电压波形重叠部分最小，提高功放的效率。附图说明图1是本专利技术目标频段的基波与各次谐波重叠问题的示意图。图2是本专利技术基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器的结构框图。图3是本专利技术中低次谐波控制网络的结构示意图。图4是本专利技术中高次谐波电阻负载谐波控制网络的结构示意图。图5是本专利技术输入功率为30dBm条件下在ADS中的输出功率仿真结果图。图6是本专利技术在ADS中漏极效率的仿真结果图。图7是本专利技术基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器设计方法的流程框图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中跨倍频程的超宽带功率放大器的结构进行了深入的研究。申请人发现现有技术中大多宽带功率放大器无法在倍频程之外的带宽内取得良好的性能，即使是连续性B/J功放也无法忽略基波阻抗和高次谐波阻抗值不同的问题。为了克服现有技术的缺陷，本申请提供的一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器，低次谐波实现波形整形，提高工作效率。在更高次谐波使用电抗性谐波控制网络，使高次谐波阻抗等效于基波阻抗，更好地控制了输出端的高次谐波，避免了功率放大器跨倍频程的谐波阻抗不同现象，拓展功放的工作带宽。参见图1，所示为本专利技术的目标频段0.5～2.5GHz内，基波与谐波重叠问题的示意图。对所选晶体管CGH40010F漏极分别在频点0.5、1、1.5、2、2.5GHz下进行负载牵引，得到各自最优阻抗为26.9+j*23.6、26.1+j*11.1、21.2+j*7.9、19.6+j*16.8、13.8+j*7.2，接下来的谐波控制电路结构就需要对五个频点下基波阻抗和各次谐波阻抗进行变换。参见图2，所示为本专利技术基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器的结构图，包括输入匹配电路、低次谐波控制网络、高次谐波电阻负载控制网络、基波输出匹配电路，其中，输入匹配电路，将晶体管源牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输入负载端口；低次谐波控制网络，利用四分之一波长线的阻抗变换特性，通过各谐波频率下四分之一波长线，使二次谐波短路，三次谐波开路，提高功放的效率；高次电抗性谐波控制网络，利用并联短截线与电阻R，变换高次谐波的电抗值，补偿其电阻值；基波输出匹配电路，将晶体管负载牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输出负载端口。参见图3，所示为本专利技术低次谐波控制网络的结构示意图，低次谐波控制网络包括两段十二分之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器，其特征在于，包括输入匹配电路、晶体管、低次谐波控制网络、高次电抗性谐波网络、基波输出匹配电路，其中，/n所述低次谐波控制网络包括一段十二分之一波长的第一传输线TL1、一段十二分之一波长的第二传输线TL2、一段六分之一波长的第三传输线TL3和一段四分之一波长的第四传输线TL4，其中，所述第一传输线TL1的一端与晶体管的输出端相连接，所述第一传输线TL1的另一端与所述第二传输线TL2的一端和所述第三传输线TL3的一端相连接，所述第二传输线TL2的另一端开路；所述第三传输线TL3的另一端与所述第四传输线TL4的一端相连接，所述第四传输线TL4的另一端接地；/n所述高次电抗性谐波网络包括一段串联50Ω的第五传输线TL5、一段并联50Ω的第六传输线TL6以及阻抗变换电阻R，所述第五传输线TL5与低次谐波控制网络相连接，所述第五传输线TL5的另一端与所述第六传输线TL6的一端和阻抗变换电阻R的一端相连接，所述第六传输线TL6的另一端开路；所述阻抗变换电阻R的另一端与所述基波输出匹配电路的一端相连接；/n所述输入匹配电路，用于将晶体管源牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输入负载端口；/n所述基波输出匹配电路，用于将晶体管负载牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输出负载端口。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器，其特征在于，包括输入匹配电路、晶体管、低次谐波控制网络、高次电抗性谐波网络、基波输出匹配电路，其中，
所述低次谐波控制网络包括一段十二分之一波长的第一传输线TL1、一段十二分之一波长的第二传输线TL2、一段六分之一波长的第三传输线TL3和一段四分之一波长的第四传输线TL4，其中，所述第一传输线TL1的一端与晶体管的输出端相连接，所述第一传输线TL1的另一端与所述第二传输线TL2的一端和所述第三传输线TL3的一端相连接，所述第二传输线TL2的另一端开路；所述第三传输线TL3的另一端与所述第四传输线TL4的一端相连接，所述第四传输线TL4的另一端接地；
所述高次电抗性谐波网络包括一段串联50Ω的第五传输线TL5、一段并联50Ω的第六传输线TL6以及阻抗变换电阻R，所述第五传输线TL5与低次谐波控制网络相连接，所述第五传输线TL5的另一端与所述第六传输线TL6的一端和阻抗变换电阻R的一端相连接，所述第六传输线TL6的另一端开路；所述阻抗变换电阻R的另一端与所述基波输出匹配电路的一端相连接；
所述输入匹配电路，用于将晶体管源牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输入负载端口；
所述基波输出匹配电路，用于将晶体管负载牵引得到的最佳阻抗匹配到50欧姆的输出负载端口。


2.根据权利要求1所述的基于电抗性谐波网络的超宽带功率放大器，其特征在于，所述的输入匹配电路与晶体管之间设有栅极偏置...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国华，周国祥，程知群，郭灿天赐，王涛，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学富阳电子信息研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33