基于谐波控制电路的双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谐波控制电路的双带功率放大器及其设计方法，包括晶体管、双带偏置电路、双带输入匹配电路、谐波控制电路、双带基波匹配电路。其中，谐波控制电路输入端连接晶体管漏极，输出端连接双带基波匹配电路。本发明专利技术通过改变传统双带谐波控制网络的输出阻抗条件，使功率放大器在低频点和高频点分别满足逆F类和F类功率放大器的特征，减轻了两频点之间的影响，提高了效率。同时对低频点三次谐波和高频点二次谐波进行结合，降低了谐波电路的计算复杂度。

Double band power amplifier based on harmonic control circuit and its design method

【技术实现步骤摘要】
基于谐波控制电路的双带功率放大器及其设计方法
本专利技术属于射频电路
，涉及提出了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器及其设计方法。
技术介绍
功率放大器作为射频收发系统中的重心和前端部分，其性能对整个通信系统有着很大的影响，因此高效率，宽频带的功率放大器是提高通信质量的关键因素。非线性放大器由于其对效率和输出功率的有效提升一直是功率放大器的研究热点，其中F类和逆F类功率放大器由于拥有出色谐波控制能力和简单的电路而广泛使用。双频带功率放大器需要工作在两个不同的频率点，如何在两频率点同时拥有高效率是一个很难的问题。现有对于双频带功率放大器效率提升的方法比较少，大部分仅仅是将单带功率放大器的谐波控制方法直接运用在双频带功率放大器上。然而，传统的F类或逆F类的谐波控制方法在运用到双带上时会产生问题。例如，如果单纯的使用两频点二次谐波短路，三次谐波开路，低频点的三次谐波与高频点的二次谐波在频率差较近时会互相影响，从而导致效率下降。由此可见传统的双带谐波控制方法并不能同时对两个频点的谐波进行较好的控制，反而会使两频点之间相互影响，导致效率的下降。因此，有必要提出一种改进的谐波控制电路，来优化双频带谐波控制。
技术实现思路
本专利技术针对双带功率放大器谐波控制上的不足，提出了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器，通过改变功率放大器的输出阻抗条件来改变谐波匹配方式，使两频点分别工作于不同的模式，从而减轻两频点在谐波匹配过程中的相互影响，在保证带宽的同时有效提升效率；同时通过对低频点三次谐波和高频点二次谐波进行结合，简化了计算的复杂度，具有良好的应用价值。为达到上述目的，本专利技术将采用以下技术方案：基于谐波控制电路的双带功率放大器，包括晶体管、双带栅极偏置电路、双带输入匹配电路、谐波控制电路、双带漏极偏置电路、双带基波匹配电路；所述的双带输入匹配电路输入端连接50Ω阻抗，输出端连接晶体管栅极，将50Ω阻抗通过合理的阻抗匹配匹配到晶体管阻抗。所述的栅极偏置电路、漏极偏置电路分别连接晶体管输入、输出端用于提供直流电压，维持功率放大器的正常工作。所述的谐波控制电路输入端连接晶体管漏极，输出端连接双带基波匹配电路输入端。所述的双带基波匹配电路输出端连接50Ω负载阻抗，将其输入端两频点的基波阻抗匹配到负载阻抗。谐波控制电路进一步包含串联微带线T1、T2、T3、T7，并联微带线T4、T5、T6。其中，第三微带线(T3)一端分别与第六微带线(T6)和第二微带线(T2)连接，第六微带线(T6)与第三微带线(T3)共同控制高频三次谐波。第二微带线(T2)另一端分别与第五微带线(T5)、第一微带线(T1)相连，第五微带线(T5)分别与第二、三微带线(T2、T3)及第六微带线(T6)共同控制低频三次谐波和高频二次谐波。第一微带线(T1)另一端与第四微带线(T4)和晶体管漏极输出端相连，第四微带线(T4)与第一、二、三微带线(T1、T2、T3)及第五、六微带线(T5、T6)共同控制低频二次谐波。所述的第七微带线(T7)与第三微带线(T3)的另一端相连，通过第七微带线(T7)参数调谐最终实现在OP点低频二次谐波开路三次谐波短路，高频二次谐波短路三次谐波开路，在两基波频率(低频点和高频点)分别满足逆F类和F类的输出阻抗条件。本专利技术还公开了一种基于谐波控制电路的双带功率放大器的设计方法，包含以下步骤：步骤S1：选取双频带中心频点fH和fL，将fH的二次谐波与fL的三次谐波结合为k取2±0.1，称作fa；步骤S2：设计栅极偏置电路和漏极偏置电路以保证功率放大器的正常工作，并进行双带输入电路的匹配；步骤S3：设计谐波控制电路，使fL和fH符合逆F类和F类输出阻抗条件，传输线特征阻抗Z为自由参数，电长度θ为待求参数；设计T6、T5、T4微带线电长度分别为使3fH在A处短路，3fL和2fH在B处短路，2fL在C处短路；设计T3电长度使3fH在输出端开路,利用公式(1)-(3)使3fL和2fH在输出端短路，得出T2电长度θ2，利用公式(4)-(7)使2fL在输出端开路，得出T1电长度θ1，T7进行调谐以满足输出端阻抗条件；最后通过计算将电路参数转换为微带线参数宽度W、长度L；Z'A(fa)＝jZ2tanθ2(3)Z'B(2fL)＝jZ1tanθ1(7)其中ZA(fa)、Z'A(fa)为从谐波控制输出端看向A，A’点的3fL和2fH的输入阻抗，ZB(2fL)、Z'B(2fL)为谐波控制输出端看向B，B’点的2fL的输入阻抗，Zn和θn分别为传输线的阻抗和电长度；步骤S4：利用谐波控制输出端基波阻抗设计基波输出匹配电路；综合步骤S1、S2、S3、S4利用ADS进行原理图仿真及参数调整，以保证效率最大化。与现有技术相比，本专利技术所产生的有益效果是：实现一个在双频段工作的高效率功率放大器，本专利技术的谐波控制电路通过使两频点分别工作于不同的模式成功消除了低频三次谐波和高频二次谐波之间的影响，从而减小了两频点之间的影响。在保证带宽的同时有效提升双待功率放大器的效率，同时计算简单，具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术的原理框图图2是本专利技术谐波控制电路模块的示意图图3是低频三次谐波和高频二次谐波电路示意图图4是低频二次谐波电路示意图图5是传统双带功率放大器的史密斯圆图图6是本专利技术基于谐波控制的双带功率放大器的史密斯圆图图7是传统双带功率放大器和本专利技术双带功率放大器效率仿真示意图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式进一步说明：工作在1.9GHz和2.6GHz的传统双带逆F类谐波控制电路的史密斯圆图参见图5，我们可以看出低频三次谐波和高频二次谐波并没有匹配到开路和短路，而是由于相互影响被匹配到了不理想阻抗值。这是由于在两者频率差较接近时会相互影响，从而对效率产生较大的影响，尤其高频点效率降低较大(二次谐波影响大于三次谐波)，在双带功率放大器谐波控制中，这种由于频率差较近而影响效率的情况是很常见的。针对传统谐波电路所产生的问题，申请人提出了一种解决方案，在低频三次谐波和高频二次谐波相距较近的前提下，通过合并低频三次谐波和高频二次谐波为其中调节因子k的值一般为2，误差因子为正负0.1，使两者均匹配到短路(R＝0)点附近，由于低频三次谐波和高频二次谐波频率差较为接近，其对基波频率的影响较小，我们可以通过调节k值来进一步减轻对基波频率的影响。与此同时，我们匹配低频二次谐波和高频三次谐波匹配到开路点(R＝∞)附近。通过上述方案，最终实现在基波双带匹配电路的输入点(OP)低频点二次谐波开路三次谐波短路，高频点二次谐波短路三次谐波开路，功率放大器在两频点分别属于逆F和F类功率放大器即不同的工作模式，从而解决传统电路中两频点相互影响的问题。参见图1，为本专利技术的原理框图，可以看本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于谐波控制电路的双带功率放大器，其特征在于，包括晶体管、双带栅极偏置电路、双带输入匹配电路、谐波控制电路、双带漏极偏置电路、双带基波匹配电路，其中，/n所述双带输入匹配电路的输入端连接50Ω阻抗，其输出端连接晶体管栅极，用于将50Ω阻抗进行阻抗匹配以匹配到晶体管阻抗；/n所述双带栅极偏置电路和双带漏极偏置电路用于提供直流电压维持功率放大器的正常工作；/n所述谐波控制电路的输入端连接晶体管漏极，其输出端连接双带基波匹配电路输入端；/n所述双带基波匹配电路输出端连接50Ω负载阻抗，将其输入端两频点的基波阻抗匹配到负载阻抗；/n所述谐波控制电路包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3、第四微带线T4、第五微带线T5、第六微带线T6和第七微带线T7，其中，T1、T2、T3和T7为串联微带线，T4、T5和T6为并联微带线；第三微带线T3一端与第六微带线T6和第二微带线T2的一端相连接，第六微带线T6与第三微带线T3共同控制高频三次谐波；第二微带线T2另一端与第五微带线T5、第一微带线T1的一端相连，第五微带线T5与第二微带线T2、第三微带线T3和第六微带线T6共同控制低频三次谐波和高频二次谐波；第一微带线T1的另一端与第四微带线T4的一端和晶体管漏极输出端相连，第四微带线T4与第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3及第五微带线T5、第六微带线T6共同控制低频二次谐波。/n...

【技术特征摘要】
1.基于谐波控制电路的双带功率放大器，其特征在于，包括晶体管、双带栅极偏置电路、双带输入匹配电路、谐波控制电路、双带漏极偏置电路、双带基波匹配电路，其中，
所述双带输入匹配电路的输入端连接50Ω阻抗，其输出端连接晶体管栅极，用于将50Ω阻抗进行阻抗匹配以匹配到晶体管阻抗；
所述双带栅极偏置电路和双带漏极偏置电路用于提供直流电压维持功率放大器的正常工作；
所述谐波控制电路的输入端连接晶体管漏极，其输出端连接双带基波匹配电路输入端；
所述双带基波匹配电路输出端连接50Ω负载阻抗，将其输入端两频点的基波阻抗匹配到负载阻抗；
所述谐波控制电路包括第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3、第四微带线T4、第五微带线T5、第六微带线T6和第七微带线T7，其中，T1、T2、T3和T7为串联微带线，T4、T5和T6为并联微带线；第三微带线T3一端与第六微带线T6和第二微带线T2的一端相连接，第六微带线T6与第三微带线T3共同控制高频三次谐波；第二微带线T2另一端与第五微带线T5、第一微带线T1的一端相连，第五微带线T5与第二微带线T2、第三微带线T3和第六微带线T6共同控制低频三次谐波和高频二次谐波；第一微带线T1的另一端与第四微带线T4的一端和晶体管漏极输出端相连，第四微带线T4与第一微带线T1、第二微带线T2、第三微带线T3及第五微带线T5、第六微带线T6共同控制低频二次谐波。


2.根据权利要求1所述的基于谐波控制电路的双带功率放大器，其特征在于，第七微带线T7与第三微带线T3的另一端相连，通过第七微带线T7参数调谐最终实现在OP点低频二次谐波...

【专利技术属性】
技术研发人员：程知群，孟明文，刘国华，徐鹏，
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