CN106982036A - 一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器，属于功率放大器领域。本发明采用微带线耦合的方式，引入两个额外的电阻调整谐波阻抗，吸收谐波功率，使得即使在晶体管端面看出，有很大的谐波功率，但仍然不会输出到负载上而被匹配网络的电阻吸收；这样在未来功率放大器设计当中，应用该结构进行输出匹配可以在保证谐波功率抑制的情况下，能够灵活的设计晶体管端面的谐波阻抗。采用新型阻性滤波器联合设计功率放大器的输出匹配网络和谐波滤波器，使二者融为一体，整体作为功率放大器的匹配网络；能有效地避免独立设计的二者在级联后使功率放大器输入端的阻抗落入敏感区域从而降低功率放大器的工作性能。

Description

一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器
技术领域
本发明属于功率放大器领域。
背景技术
现在已有的滤波器或者功率放大器，这二者的联合设计考虑较少。未消除功率放大器谐波功率对发射机***的影响，在传统的无线通信***的发射机当中，通常的采用的前端射频***图1所示；
谐波控制是一种有效提高射频功率放大器效率的技术。面对下一代通信***中大动态范围的复杂调制信号,传统结构的发射机只能通过功率回退的方法来满足线性指标,导致功率放大器效率降低；而AB类功率放大器本身的峰值效率也受限于理论值78.5％。为了突破传统发射机的效率瓶颈,***通信发射机应运而生。***发射机的主要特点是依赖信号处理与新型电路模块结构相结合的思路,使得更具效率优势的非线性功率放大器得以应用。基于谐波控制技术的高效率功率放大器便属于非线性功率放大器的一种。因此,对于谐波类功率放大器设计技术的研究与应用成了射频电路领域的热点。
在传统的功率放大器匹配设计，为了得到优异的功率放大器性能，晶体管端面的阻抗被设计为了所需要的谐波控制阻抗，而负载端的阻抗都为标准阻抗50Ω。这个常数阻抗表明不论是基波还是谐波，阻抗值都是50欧姆。而在实际的应用中，为了降低功率放大器带外对其它信道的影响，往往需要一个谐波滤波器。在与功率放大器级联后，呈现在功率放大器负载端面的谐波阻抗远远偏离50Ω。这会为已经设计好的功率带来巨大影响，因为谐波阻抗已经和设计时的完全不同。或者受限于天线的工作带宽，在与其级联后，谐波阻抗也会偏离50Ω。为此恶化功率放大器的性能——效率，增益，输出功率变差。
另一方面，对于一个宽带的谐波滤波器，在尽可能抑制谐波的情况下，散射参数S11必定围绕着史密斯圆图(解决射频电路阻抗匹配问题的有用图形工具)边缘走。如果谐波阻抗区域超过一个倍频程，那么在史密斯圆图上，S11将绕着史密斯圆图边缘缠绕一圈。而功率放大器存在着阻抗敏感区域，在这些区域内，效率功率非常低。从而在功率放大器和滤波器独立设计，再级联在一起后，会有部分阻抗区域落入敏感区，降低这一部分频带的性能。
图2和图3分别给出了采用CREE公司的氮化镓晶体管CGH40010F在2GHz时二次和三次谐波负载牵引的结果(负载牵引是一种常用来确定晶体管最佳输入输出阻抗的仿真方法)。其结果显示，在史密斯圆图边缘部分，存在效率功率敏感区域，在这些区域内，效率和功率非常低。在设计时，应该避免谐波阻抗落入这些区域。对于窄带功率放大器，很容易避开这些敏感区域。可对于宽带功率放大器，如1.7-2.6GHz，其二次三次谐波频段为：3.4-8.4GHz，其谐波频段范围超过了一个倍频程。那么传统的滤波器在滤除谐波的情况下，滤波器的谐波必然沿着史密斯圆图的边沿走，那么在一个倍频程的范围内，必然有部分谐波阻抗落入了功率放大器的敏感区域。从而使功率放大器的性能发生恶化。
图4给出了一个传统的二三次谐波滤波器的版图，其仿真结果如图5和图6。从仿真结果可以看出，在谐波功率相对基波功率被抑制30dBc时，对比前面的负载牵引结果，其S11的部分区域穿过功率放大器的敏感区域阻抗。
此外，在传统设计中，即使功率放大器和滤波器两个独立的器件单独设计的效果较好，但连接在一起，两者性能恶化强烈。按照传统设计独立地仿真了一个有较好性能的功率放大器，一个二次三次谐波滤波器，再级联在一起。其版图如图7所示。图8和图9给出了传统设计中的仿真结果。图8、图9表明，传统功率放大器和滤波器独立设计的缺点十分明显，谐波抑制滤波器和功率放大器联合设计之后，功率放大器效率和输出功率均有很大程度的恶化。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处，改进设计一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器，解决现有功率放大其中谐波得不到有效抑制的问题。
本发明采用微带线耦合的方式，引入两个额外的电阻调整谐波阻抗，吸收谐波功率，使得即使在晶体管端面看出，有很大的谐波功率，但仍然不会输出到负载上而被匹配网络的电阻吸收；这样在未来功率放大器设计当中，应用该结构进行输出匹配可以在保证谐波功率抑制的情况下，能够灵活的设计晶体管端面的谐波阻抗。因而本发明的技术方案为一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器，该功率放大器包括：功放模块、微带线匹配网络、微带线滤波网络，其特征在于在微带线滤波网络上引出谐波吸收支路，该谐波吸收支路包括：耦合微带线、电阻，该耦合微带线一端连接微带线滤波网络，另一端连接电阻，电阻另一端接地。
进一步的，所述微带线滤波网络上引出两条谐波吸收支路，每条吸收支路中的电阻大小为50欧姆。
本发明通过采用新型阻性滤波器联合设计功率放大器的输出匹配网络和谐波滤波器，使二者融为一体，整体作为功率放大器的匹配网络；能有效地避免独立设计的二者在级联后使功率放大器输入端的阻抗落入敏感区域从而降低功率放大器的工作性能；同时能避免谐波阻抗发生改变后对功放性能造成的影响，有较强的抗谐波阻抗失配能力。本发明在1.6-2.7GHz的工作频段内的效率为70％～80％之间；输出功率优于40dBm。
说明书附图
图1为传统发射机射频前端结构；
图2为2GHz处二次负载牵引结果；
图3为2GHz处三次谐波负载牵引结果；
图4为传统的谐波滤波器版图；
图5为传统的二次、三次谐波滤波器；
图6为传统谐波滤波器散射参数S21仿真结果；
图7为传统功率放大器匹配网络与谐波滤波器网络级联版图；
图8为仿真漏极效率曲线：实线为功率放大器效率，虚线为功率放大器与滤波器级联后的效率曲线；
图9为仿真输出功率曲线：实线为功率放大器输出功率，虚线为功率放大器与滤波器级联后的输出功率曲线；
图10应用本发明的新型发射机射频前端结构；
图11提出一种新的阻性滤波器；
图12为功率放大器匹配网络与新型阻性滤波器的联合设计；
图13为功率放大器匹配网络与阻性滤波器在晶体管端面的S11曲线；
图14为新型阻性滤波器和功率放大器联合设计，输出功率与效率的仿真结果；
图15为实测联合设计电路输出效率、功率、增益曲线；
图16为实测联合设计电路二次三次谐波相对基波抑制情况；
图17为负载阻抗发生变化后，输出匹配网络的阻抗值的变化曲线。
具体实现方式
本发明的研究内容为：功率放大器匹配网络的谐波控制，阻性滤波器研究。因为谐波控制类功率放大器，其性能依赖于谐波，特别是二次、三次谐波阻抗。而谐波控制类功率放大器，需要一定的谐波功率，使晶体管端面的电压电流波形尽可能的错开，以达到高效率状态。矛盾的是，这些谐波功率对发射***又是有害的，因此需要通过滤波器抑制。谐波滤波器的引入又会造成功率放大器输入端阻抗发生变化。因此，本发明的研究着重于对谐波抑制的情况下，同时保证谐波阻抗避开谐波阻抗敏感区域。
第一，首先研究新型阻性滤波器拓扑结构：
下图11即为本发明中设计的应用在功率放大器输出端的新型的阻性谐波滤波器，通过滤波器内部的阻性元件吸收谐波功率和调整功率放大器的谐波阻抗。谐波功率的吸收通过引入一个并联的阻性支路，通过采用耦合线匹配使其对基波为强反射状态，而谐波呈现较好的匹配状态。这样，不论是基波阻抗还是谐波阻抗，在输入端口输入阻抗函数Zin和源阻抗Rs能较好的匹配。
第二、设计含有新型阻性结构的谐波抑制宽带功率放大器(功率放大器和谐波抑制滤波器的联合设计)：
图12是本技术发明设计的功率放大器匹配网络与所提出的阻性滤波器结构，从图中谐波滤波器网络可以看出，引入两个额外电阻，来吸收功率放大器谐波功率。
第三，对设计的电路应用射频电路仿真工具进行仿真验证：
图13给出了功率放大器输出端口封装平面看过去匹配网络的S11随频率的的转动曲线，在整个基波到三次谐波频段内，绕过史密斯圆图的阻抗敏感区域，确保实现高效率和较高输出功率。
图14给出了联合设计的效率和输出功率的仿真曲线，根据结果可以看出，所提出的阻性滤波器与功率放大器匹配网络的联合设计可以取得较好的结果。其中在整个预设工作频段内(1.6-2.7GHz)的效率为70％～80％之间；输出功率优于40dBm。
第四，对发明进行实物加工测试：
图15至17给出了本发明的实物测试结果图。
实测结果显示，本发明提出的电路结构能确确实实改善现存传统设计中存在的问题，在保证功率放大器的效率和功率较优的情况下抑制了功率放大器二次和三次谐波功率，并且可以灵活设计晶体管输出端面的谐波阻抗，对未来应用于全新通信时代的发射机提供了新的功率放大器电路结构。

Claims (2)

1.一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器，该功率放大器包括：功放模块、微带线匹配网络、微带线滤波网络，其特征在于在微带线滤波网络上引出谐波吸收支路，该谐波吸收支路包括：耦合微带线、电阻，该耦合微带线一端连接微带线滤波网络，另一端连接电阻，电阻另一端接地。
2.如权利要求1所述的一种含有阻性滤波器的宽带谐波抑制功率放大器，其特征在于所述微带线滤波网络上引出两条谐波吸收支路。
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