CN102364874B - 双频带功率放大器的偏置电路 - Google Patents

Abstract

一种双频带功率放大器的偏置电路，由两段串联微带线和一段微带线并联开路枝节构成的、呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线，分别位于所述串联微带线一端的两个射频短路电容和位于射频回路中并联的两个隔直电容所组成。其中两段串联微带线的电路结构和参数完全相同，并联开路枝节的一端连接于两段串联微带线中间，另一端处于开路。两个射频短路电容和两个隔直电容的自谐振频率分别为f₁和f₂，前者并联接在串联微带线的末端，且两端分别接直流电源和接地，并与等效双频四分之一波长传输线组成射频扼流电路。后者串接在双频带功率放大器的射频回路。本发明偏置电路结构简单，易于实现，能同时工作于两个频段。

Description

双频带功率放大器的偏置电路

技术领域

本发明涉及一种用于射频微波领域的双频带功率放大器的偏置电路，属于模拟电路的技术领域。

背景技术

射频功率放大器是射频电路的重要组成，广泛应用于无线通信中的发射机和接收机，以保证发射信号辐射到空间中时，具有足够大的功率，或者在接收端能够正确还原为功率级别的可识别信号。传统的射频功率放大器主要由晶体管、输入和输出的匹配电路以及相应的直流偏置电路所组成。

通信技术发展至今，各个通信***都呈现出频段越来越多样化的特征，目前，第三代移动通信(3rd Generation)、下一代移动通信***IMT-Advanced和无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)均工作于多个频段。这些频段的信号在通信时，往往需要频段数与无线通信设备的套数相对应。因此，使得每个射频器件能够实现双频段甚至多频段工作，对于提高射频前端设备的集成度，以降低功耗、体积和设备成本都具有很重要的现实意义。

目前，人们在双频带功率放大器的技术领域已经作了大量研究，双频器件也获得了一定的应用。通过检索现有的涉及双频功率放大器的专利和论文发现：目前，双频功率放大器通常都是用串联在直流通路中的电感、或采用四分之一波长传输线与电容或微带短路相结合的偏置电路，以实现通直流、隔绝射频信号的作用。但是，由于功放的工作频率较高，且输入输出段的功率大，因此，基于电感的射频扼流电路并不适用于功放的偏置电路，而且，四分之一波长传输线与微带短路相结合的偏置电路的带宽较窄，很难达到在两个距离较远的频段上同时实现扼流的作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于双频带功率放大器的偏置电路，采用微带线和电容构成的本发明偏置电路的电路设计构思新颖、巧妙，结构简单，易于实现，能够同时工作于两个频段内。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种用于双频带功率放大器的偏置电路，所述偏置电路是由两段串联微带线和一段微带线并联开路枝节构成的、呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线，分别位于串联微带线一端的两个射频短路电容和位于射频回路中并联的两个隔直电容所组成；其中两段串联微带线的电路结构和参数完全相同，所述微带线并联开路枝节的一端连接于该两段串联微带线的连接处，其另一端、即终端处于开路；所述两个射频短路电容和两个隔直电容的自谐振频率与该偏置电路两个工作频段的中心频率相同，分别为f₁和f₂，两个射频短路电容并联接在串联微带线的末端，且其两端分别连接直流电源和接地，该两个射频短路电容和等效双频四分之一波长传输线组成射频扼流电路；两段串联微带线的一端连接两个射频短路电容，隔直电容连接在两段串联微带线的另一端；所述并联在串联微带线末端的两个射频短路电容因其自谐振频率分别为f₁和f₂，故对于频率为f₁和f₂的射频信号，能够同时视为短路；且所述的呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线可同时等效为频率为f₁和f₂的射频信号上的四分之一波长传输线，根据四分之一波长传输线阻抗变换的原理，串联微带线的另一端则被视为该两个频率f₁和f₂的射频信号开路，从而起到阻隔射频信号进入直流回路的作用。

所述两段串联微带线电路的电长度和特性阻抗相同，其计算公式分别为：θ_a＝n₁π，式中，Z_a是所述两段串联微带线的特性阻抗，θ_a是两段串联微带线电路的电长度，f₁和f₂分别为该偏置电路两个工作频段的中心频率，f₀＝f₁+f₂，系数n₁为正整数；Z_c是等效双频四分之一波长传输线的特性阻抗，其数值不受限制。

所述两段串联微带线电路的电长度计算公式θ_a＝n₁π中的系数n₁应在综合考虑串联微带线特性阻抗Z_a的印制电路板可实现的基础上，选择最小的正整数，以减小微带线的外形尺寸。

所述微带线并联开路枝节的电长度和特性阻抗的计算公式分别为：θ_b＝n₂π， $Z_b=\frac{1}{2}\×Z_a\×\tan (2\×\frac{f_1}{f_0}\×{\mathrm{\θ}}_a)\×\tan (\frac{f_1}{f_0}\×{\mathrm{\θ}}_b),$ 式中，θ_b是Z_b对应于频率f₀下的电长度，系数n₂为正整数，且应在综合考虑所述微带线并联开路枝节特性阻抗Z_b的印制电路板可实现的基础上，选择最小的正整数，以减小微带线的外形尺寸，f₀＝f₁+f₂。

因自谐振频率分别为f₁和f₂的所述两个隔直电容并联后串接在射频回路中，故其对于频率为f₁和f₂的信号同时提供短路，对功率放大器匹配电路不产生任何影响，并避免因直流信号进入信号源或后级电路所产生的不良影响。

本发明是一种采用微带与集总参数元件混合电路组成的用于双频带功率放大器的双频带偏置电路，用于为双频段射频功率放大器提供直流偏置，其创新特点是：采用微带线与电容结合的方式，使得电路结构非常简单，易于实现，工作可靠；能够同时工作于两个频段，且带宽较宽，在射频回路阻隔直流的同时，提供两个频率的射频通路。其中的射频扼流电路可以同时阻隔该两个频段的射频信号进入直流回路，以免引起差损。总之，本发明能够很好地运用在双频功率放大器中，因而能有效降低多频通信设备体积和生产成本，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明双频带功率放大器的偏置电路的电原理图。

图2是本发明偏置电路用于1.9GHz和3.5GHz双频功率放大器的射频扼流电路部分的软件仿真实施例的电路原理图(端口1和端口2均为50Ω)。

图3是本发明偏置电路用于1.9GHz和3.5GHz双频功率放大器的射频扼流电路部分的软件仿真实施例的试验结果示意图。

图4是本发明偏置电路用于1.9GHz和3.5GHz双频功率放大器的隔直电路部分的软件仿真实施例的电路原理图(端口1和端2均为50Ω)。

图5是本发明双频带偏置电路用于1.9GHz和3.5GHz双频功率放大器的隔直电路部分的软件仿真实施例的试验结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，本发明双频带功率放大器的偏置电路是由两段串联微带线和一段微带线并联开路枝节构成的、呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线，分别位于串联微带线一端的两个射频短路电容和位于射频回路中并联的两个隔直电容所组成。其中两段串联微带线的电路结构和参数完全相同，微带线并联开路枝节的一端连接于该两段串联微带线的连接处，其另一端、即终端处于开路。两个射频短路电容和两个隔直电容的自谐振频率都分别为f₁和f₂，两个射频短路电容并联接在串联微带线的末端，且其两端分别接直流电源和接地。两个射频短路电容和等效双频四分之一波长传输线组成射频扼流电路，并联的两个隔直电容串接在双频带功率放大器的射频回路。

本发明偏置电路中两段串联微带线电路的电长度和特性阻抗的计算公式分别为：θ_a＝n₁π，式中，θ_a是微带线电路对应于f₀＝f₁+f₂的电长度(单位是弧度)，f₁和f₂分别为该偏置电路两个工作频段的中心频率，系数n₁为正整数；Z_c是等效双频四分之一波长传输线的特性阻抗(单位是欧姆)，其数值不受限制。

所述两段串联微带线电路的电长度计算公式θ_a＝n₁π中的系数n₁应在综合考虑串联微带线特性阻抗Z_a的印制电路板可实现的基础上，选择最小的正整数(如选为1)，以减小微带线的外形尺寸。实际微带线的特性阻抗通常是20～120欧姆。

微带线并联开路枝节的电长度和特性阻抗的计算公式分别为：θ_b＝n₂π， $Z_b=\frac{1}{2}\×Z_a\×\tan (2\×\frac{f_1}{f_0}\×{\mathrm{\θ}}_a)\×\tan (\frac{f_1}{f_0}\×{\mathrm{\θ}}_b),$ 式中，θ_b是对应于f₀的电长度(单位是弧度)，系数n₂为正整数，且应在综合考虑串联微带线特性阻抗Z_b的印制电路板可实现的基础上，选择最小的正整数(如选为1)，以减小微带线的外形尺寸。

并联在串联微带线末端的两个射频短路电容因其自谐振频率分别为f₁和f₂，故其对于频率为f₁和f₂的射频信号，能够同时视为短路；且因为呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线可同时等效为频率为f₁和f₂的射频信号上的四分之一波长传输线，根据四分之一波长传输线阻抗变换的原理，串联微带线的另一端被视为该两个频率f₁和f₂的射频信号开路，从而阻隔射频信号进入直流回路，因而避免了接入直流偏置电路而造成的差损。

因自谐振频率分别为f₁和f₂的两个隔直电容并联在射频回路中，故其对于频率为f₁和f₂的信号同时提供短路，因此隔直电容既不会对功率放大器匹配电路产生任何影响，又避免因直流信号进入信号源或后级电路产生不良影响。

本发明已经进行了实施试验，下面简要介绍实施例的仿真试验情况：

实施例是用软件仿真的、能够同时工作于1.9GHz和3.5GHz的双频带功率放大器的偏置电路，也是由图1中的等效双频四分之一波长传输线、射频短路电容和隔直电容所组成(参见图2所示的射频扼流电路)。

实施例中的射频短路电容和隔直电容各有2个：C1和C2，均为村田0603封装的电容，该两个电容的容值分别为2.7pF和9pF。等效双频四分之一波长传输线是采用2段完全相同的串联微带线和1段微带开路枝节组成实现的，取Z_c＝135Ω，n₁＝1,n₂＝2,可计算出串联微带线的特性阻抗为68Ω，长度为17.3mm，微带开路枝节为末端开路的枝节，其特性阻抗为61Ω，长度为34mm。其中的介质板相对介电常数为3.48，介质板厚度为20mil。

参见图3，为了说明射频短路电容加入射频扼流电路时，对射频信号呈现开路，表现为端口1到端口2的传输系数(S(2,1))，图示的S(2,1)理论最大值为0dB，表示从端口1发出的射频信号全部传送到端口2；且S(2,1)越大，表明从端口1到端口2的射频信号损耗越小，即射频扼流电路的差损越小。

Freq/GHz	1.9	3.5
			S(2,1)/dB	-0.00367	-0.00577

上述两个数值都非常接近于0，而且，这两个点往两边延伸后，在一个较大频率范围内的S(2,1)变化都比较小，表明本发明射频扼流电路可以用于带宽较宽的双频带功率放大器。

参见图5，该图5的分析方法与图3类似，并联的两个隔直电容的两端有两个端口，如果对于1.9GHz和3.5GHz的信号S(2,1)接近于0dB，就表示这两个隔直电容对于该两个射频信号就越呈现短路。

Freq/GHz	1.9	3.5
			S(2,1)/dB	-0.02704	-0.04254

总之，实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种用于双频带功率放大器的偏置电路，其特征在于：所述偏置电路是由两段串联微带线和一段微带线并联开路枝节构成的、呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线，分别位于串联微带线一端的两个射频短路电容和位于射频回路中并联的两个隔直电容所组成；其中两段串联微带线的电路结构和参数完全相同，所述微带线并联开路枝节的一端连接于该两段串联微带线的连接处，其另一端、即终端处于开路；所述两个射频短路电容和两个隔直电容的自谐振频率与该偏置电路两个工作频段的中心频率相同，分别为f₁和f₂，两个射频短路电容并联接在串联微带线的末端，且其两端分别连接直流电源和接地，该两个射频短路电容和等效双频四分之一波长传输线组成射频扼流电路；两段串联微带线的一端连接两个射频短路电容，隔直电容连接在两段串联微带线的另一端；所述并联在串联微带线末端的两个射频短路电容因其自谐振频率分别为f₁和f₂，故对于频率为f₁和f₂的射频信号，能够同时视为短路；且所述的呈T型结构的等效双频四分之一波长传输线可同时等效为频率为f₁和f₂的射频信号上的四分之一波长传输线，根据四分之一波长传输线阻抗变换的原理，串联微带线的另一端则被视为该两个频率f₁和f₂的射频信号开路，从而起到阻隔射频信号进入直流回路的作用。

2.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于：所述两段串联微带线电路的电长度和特性阻抗相同，其计算公式分别为：θ_a＝n₁π，式中，Z_a是所述两段串联微带线的特性阻抗，θ_a是两段串联微带线电路的电长度，f₁和f₂分别为该偏置电路两个工作频段的中心频率，f₀＝f₁+f₂，系数n₁为正整数；Z_c是等效双频四分之一波长传输线的特性阻抗，其数值不受限制。

3.根据权利要求2所述的偏置电路，其特征在于：所述两段串联微带线电路的电长度计算公式θ_a＝n₁π中的系数n₁应在综合考虑串联微带线特性阻抗Z_a的印制电路板可实现的基础上，选择最小的正整数，以减小微带线的外形尺寸。

4.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于：所述微带线并联开路枝节的电长度和特性阻抗的计算公式分别为：θ_b＝n₂π， $Z_b=\frac{1}{2}\×Z_a\×\tan (2\×\frac{f_1}{f_0}\×{\mathrm{\θ}}_a)\×\tan (\frac{f_1}{f_0}\×{\mathrm{\θ}}_b),$ 式中，θ_b是Z_b对应于频率f₀下的电长度，系数n₂为正整数，且应在综合考虑所述微带线并联开路枝节特性阻抗Z_b的印制电路板可实现的基础上，选择最小的正整数，以减小微带线的外形尺寸，f₀＝f₁+f₂。

5.根据权利要求1所述的偏置电路，其特征在于：因自谐振频率分别为f₁和f₂的所述两个隔直电容并联后串接在射频回路中，故其对于频率为f₁和f₂的信号同时提供短路，对功率放大器匹配电路不产生任何影响，并避免因直流信号进入信号源或后级电路所产生的不良影响。