CN111181506A - 一种具有新型输出匹配方法的宽带高效j类功率放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块、栅极偏置控制模块、稳定网络控制模块、晶体管、输出匹配网络控制模块和漏极偏置控制模块，所述输入匹配网络控制模块、所述稳定网络控制模块、所述晶体管和所述输出匹配网络控制模块依次连接，所述栅极偏置控制模块与所述输入匹配网络控制模块连接，所述漏极偏置控制模块与所述输出匹配网络控制模块连接，并结合新型拓扑网络结构，简化了设计过程，并改善J类放大器效率。

Description

一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器。
背景技术
由于无线通信用户数量的增加，以及更广阔快捷的数据服务要求，无线通信技术一直在不断地革新和发展。从1G到2G，从3G到4G，再到即将面向市场的5G无线通信网络***，数据传输的速率要求越来越快，带宽要求越来越宽，无线通信***向多工作模式、高速率传输的方向演进，功率放大器作为无线通信***中的重要部件，其性能将对无线通信的发射***部分产生重要影响。宽带高效率功率放大器是当前无线通信领域的迫切需求。J类功放又称连续J类功放，其优势是能在保持髙效率的同时取得良好的带宽特性，但J类功放的漏极效率为78.5％。设计的J类功率放大器的功率附加效率大多在50％～65％之间，因此J类功率放大器的效率仍然相对较低，其效率仍需改善。对于J类功率放大器的设计来说，目前的设计大多基于负载牵引处的最佳阻抗值，在设计好谐波控制网络之后，再设计出基波宽带匹配网络。增加了设计的复杂度，而且往往会造成设计的偏差，难以实现预期的结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，简化了设计过程，并改善J类放大器效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块、栅极偏置控制模块、稳定网络控制模块、晶体管、输出匹配网络控制模块和漏极偏置控制模块，所述输入匹配网络控制模块、所述稳定网络控制模块、所述晶体管和所述输出匹配网络控制模块依次连接，所述栅极偏置控制模块与所述输入匹配网络控制模块连接，所述漏极偏置控制模块与所述输出匹配网络控制模块连接。
其中，所述输入匹配网络控制模块包括微带线TL1、微带线TL2和微带线TL3，所述微带线TL1与所述微带线TL2和所述微带线TL3依次连接。
其中，所述栅极偏置控制模块包括微带线TL4、电容C4和电容C3，所述微带线TL4的一端与所述微带线TL3连接，所述微带线TL4的另一端与所述电容C4和所述电容C3的一端连接，所述电容C4和所述电容C3的另一端接地。
其中，所述稳定网络控制模块包括电阻R1和电容C2，所述电阻R1和所述电容C2并联后的一端与所述微带线TL3连接，另一端与所述晶体管连接。
其中，所述输出匹配网络控制模块包括微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9和微带线TL10，所述微带线TL5、所述微带线TL6、所述微带线TL7和所述微带线TL8依次连接，所述微带线TL9分别和所述微带线TL7和所述微带线TL10连接。
其中，所述漏极偏置控制模块包括微带线TL11、电容C5、电容C6和电容C7，所述微带线TL11的一端和所述微带线TL7连接，所述微带线TL11的另一端和所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的一端连接，所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的另一端接地。
其中，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括电容C8，所述电容C8与所述微带线TL10连接。
其中，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括介质基板，所述介质基板与所述输入匹配网络控制模块、所述栅极偏置控制模块、所述稳定网络控制模块、所述晶体管、所述输出匹配网络控制模块和所述漏极偏置控制模块连接，所述介质基板的材料为Rogers 4350。
本发明的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块、栅极偏置控制模块、稳定网络控制模块、晶体管、输出匹配网络控制模块和漏极偏置控制模块，所述输入匹配网络控制模块、所述稳定网络控制模块、所述晶体管和所述输出匹配网络控制模块依次连接，所述栅极偏置控制模块与所述输入匹配网络控制模块连接，所述漏极偏置控制模块与所述输出匹配网络控制模块连接，并结合新型拓扑网络结构，简化了设计过程，并改善J类放大器效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器的电路结构示意图。
图2是本发明的J类功率放大器的简单拓扑图。
图3是本发明提供的引入***谐波控制网络拓扑图。
图4是本发明提供的CGH40010F晶体管等效模型。
图5是本发明提供的新型拓扑匹配网络图。
图6是本发明提供的输出电容与漏源电压的关系曲线图。
图7是本发明提供的具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器功放扫频特性图。
图8是本发明提供的传统和改进后的两款J类功率放大器在1.5-2.5GHz的功率附加效率对比图。
1-输入匹配网络控制模块、2-栅极偏置控制模块、3-稳定网络控制模块、4-晶体管、5-输出匹配网络控制模块、6-漏极偏置控制模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块1、栅极偏置控制模块2、稳定网络控制模块3、晶体管4、输出匹配网络控制模块5和漏极偏置控制模块6，所述输入匹配网络控制模块1、所述稳定网络控制模块3、所述晶体管4和所述输出匹配网络控制模块5依次连接，所述栅极偏置控制模块2与所述输入匹配网络控制模块1连接，所述漏极偏置控制模块6与所述输出匹配网络控制模块5连接。
在本实施方式中，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块1、栅极偏置控制模块2、稳定网络控制模块3、晶体管4、输出匹配网络控制模块5和漏极偏置控制模块6，所述输入匹配网络控制模块1、所述稳定网络控制模块3、所述晶体管4和所述输出匹配网络控制模块5依次连接，所述栅极偏置控制模块2与所述输入匹配网络控制模块1连接，所述漏极偏置控制模块6与所述输出匹配网络控制模块5连接，由于J类功率放大器具有特殊的基波和二次谐波阻抗要求，一种简单的实现结构是通过输出电容，主要是漏源电容来提供二次谐波阻抗值，而不另外引入谐波控制网络，在此基础上再配以基波匹配电路，就可以实现J类功率放大器的拓扑，并实现一定的性能，其结构如图2所示，但是，由于寄生电容的带宽有限，采用这种简单拓扑设计实现的J类功率放大器并不能在较宽的频率范围内实现所要求的二次谐波阻抗，这就使得这种结构的J类功率放大器在宽带性能方面并不是很好，因此有必要引入额外的谐波控制网络，如图3所示。首先通过输入端口输入功率，经过电容C1后，进入所述输入匹配网络控制模块1(或输入匹配网络)，依次经过所述晶体管4和所述输出匹配网络控制模块5(或输出匹配网络)进行匹配，并利用由所述栅极偏置控制模块2和所述漏极偏置控制模块6进行谐波控制，而对于所述晶体管4，使用CREE公司的GaN CGH40010F晶体管4，其等效模型参见图4，包括电流源平面、封装平面、三个电容和三个引线电感，其中，三个电容的电容值分别为1.22pF、0.25pF和0.25pF，三个引线电感的长度分别为0.5nH、0.1nH和0.1nH和阻值均为0.1Ω，简化了设计过程，并改善J类放大器效率。
进一步的，所述输入匹配网络控制模块1包括微带线TL1、微带线TL2和微带线TL3，所述微带线TL1与所述微带线TL2和所述微带线TL3依次连接。
在本实施方式中，所述输入匹配网络控制模块1包括微带线TL1、微带线TL2和微带线TL3，所述微带线TL1与所述微带线TL2和所述微带线TL3依次连接，其中，所述微带线TL1的参数为W＝2.3mm,L＝5mm，所述微带线TL2的参数为W＝2mm,L＝6.1mm；所述微带线TL3的参数为W＝6mm,L＝1.5mm，完成对输入的功率进行匹配。
进一步的，所述栅极偏置控制模块2包括微带线TL4、电容C4和电容C3，所述微带线TL4的一端与所述微带线TL3连接，所述微带线TL4的另一端与所述电容C4和所述电容C3的一端连接，所述电容C4和所述电容C3的另一端接地。
在本实施方式中，所述栅极偏置控制模块2包括微带线TL4、电容C4和电容C3，所述微带线TL4的一端与所述微带线TL3连接，所述微带线TL4的参数为W＝2mm,L＝18.5mm，而所述电容C4和所述电容C3的电容值分别为10pF和24pF，并且所述电容C4和所述电容C3的一端接地，提高所述J类功率放大器的安全性。
进一步的，所述稳定网络控制模块3包括电阻R1和电容C2，所述电阻R1和所述电容C2并联后的一端与所述微带线TL3连接，另一端与所述晶体管4连接。
在本实施方式中，所述稳定网络控制模块3包括电阻R1和电容C2，所述电阻R1和所述电容C2并联后的一端与所述微带线TL3连接，另一端与所述晶体管4连接，其中所述电阻R1和所述电容C2的参数值分别为3Ω和3pF，进一步提高所述放大器的稳定性。
进一步的，所述输出匹配网络控制模块5包括微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9和微带线TL10，所述微带线TL5、所述微带线TL6、所述微带线TL7和所述微带线TL8依次连接，所述微带线TL9分别和所述微带线TL7和所述微带线TL10连接。
在本实施方式中，所述输出匹配网络控制模块5包括微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9和微带线TL10，其中，所述微带线TL5的参数为W＝1.5mm,L＝2.5mm；所述微带线TL6的参数为W＝0.5mm,L＝1.6mm；所述微带线TL7的参数为W＝0.5mm,L＝1.7mm；所述微带线TL8的参数为W＝6mm,L＝9.5mm；所述微带线TL9的参数为W＝0.8mm,L＝8mm；所述微带线TL10的参数为W＝8.4mm,L＝3.1mm。其中，所述微带线TL8作为开路枝节的作用是使得二次谐波短路，以抑制谐波，因此TL8的电长度在中心频率处约为45°，对于二次谐波就是90°。
进一步的，所述漏极偏置控制模块6包括微带线TL11、电容C5、电容C6和电容C7，所述微带线TL11的一端和所述微带线TL7连接，所述微带线TL11的另一端和所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的一端连接，所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的另一端接地。
在本实施方式中，所述漏极偏置控制模块6包括微带线TL11、电容C5、电容C6和电容C7，所述微带线TL11的参数为W＝6mm,L＝16.4mm；所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的电容值分别为24pF、12pF和10pF，并且所述微带线TL11和所述微带线TL7、所述微带线TL8和所述微带线TL9组成新型拓扑匹配网络，如图5所示，这种新型匹配网络可以在一个较宽工作频率内同时实现对基波和二次谐波的良好控制，同时也能起到很好的谐波抑制作用。在这个匹配网络中，所述微带线TL11作为短路枝节连接的是漏极直流偏置，其电长度在中心频率处应接近90°，以保证输出功率不会泄露；所述微带线TL8作为开路枝节的作用是使得二次谐波短路，以抑制谐波，因此TL8的电长度在中心频率处约为45°，对于二次谐波就是90°。为了在宽频带内实现谐波的抑制，一种有效的做法是再添加开路或短路微带线，两端微带线分别在偏离中心频率上下位置实现对二次谐波的短路。短路点之后，再通过所述微带线TL11的作用，就能够实现J类功放的所需要的二次谐波阻抗值。
进一步的，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括电容C8，所述电容C8与所述微带线TL10连接。
在本实施方式中，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括电容C8，所述电容C8与所述微带线TL10连接，所述电容C8作为输出电容，包括包括漏源电容和栅漏极之间的电容，由于栅漏极之间的电压对输出电容的影响较小，故一般我们在讨论非线性输出电容指的是漏源电容。如图6可知，当漏源电压处于较低水平下(0<Vds<20V)时，输出电容表现出极强的非线性特性；当漏源电压保持在较高水平时(Vds>30V)，输出电容表现出弱非线性特性。通过深入分析输出电容的非线性特性来对功放作出改进被证明是一种提升功率放大器的有效方法。
进一步的，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括介质基板，所述介质基板与所述输入匹配网络控制模块1、所述栅极偏置控制模块2、所述稳定网络控制模块3、所述晶体管4、所述输出匹配网络控制模块5和所述漏极偏置控制模块6连接，所述介质基板的材料为Rogers 4350。
在本实施方式中，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括介质基板，所述介质基板与所述输入匹配网络控制模块1、所述栅极偏置控制模块2、所述稳定网络控制模块3、所述晶体管4、所述输出匹配网络控制模块5和所述漏极偏置控制模块6连接，所述介质基板的材料为Rogers 4350，该材料具有良好的高频特性，适用于射频电路的设计。Rogers 4350的损耗角正切值为0.004，相对介电常数为3.48±0.05，厚度为0.508mm，覆铜厚度为34um，可提升J类放大器效率。
为了检验该新型输出匹配方法的有效性，基于传统设计方法设计一款J类功放，对制作的传统J类功放和改进的J类功放就输出功率、功率附加效率指标进行对比分析，如图7所示，基于改进设计方法的J类功放在1.5-2.5GHz的频带内，功率增益保持在12±1d B左右，输出功率为40.5-41.5d Bm，增益平坦度增益平坦度小于±1d B。功率附加效率保持在61％-71.5％的水平，其效率高于同频段内使用传统方法设计的功放，如图8所示。从以上数据可看出，本设计提出的电路设计结构和效率改善方法是可行的。通过ADS2013仿真软件的EM仿真，结合生产出的实物版图，得到的实验数据证明了提出的新型匹配方法能在保证功放带宽的情况下，改善宽带功率放大器的效率。
本设计基于电路结构的改进以及输出电容非线性特性的利用而形成的设计方法，不需要对进行负载牵引得出最佳阻抗值，只需要采用一种新型匹配网络，综合晶体管的等效模型来对功放的输出匹配电路进行仿真设计，从而达到高效率宽带功放的设计的目的。所提出的设计结构，拓扑结构简单，易于控制且拥有很好的谐波抑制能力和基波匹配功能。
本发明的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块1、栅极偏置控制模块2、稳定网络控制模块3、晶体管4、输出匹配网络控制模块5和漏极偏置控制模块6，所述输入匹配网络控制模块1、所述稳定网络控制模块3、所述晶体管4和所述输出匹配网络控制模块5依次连接，所述栅极偏置控制模块2与所述输入匹配网络控制模块1连接，所述漏极偏置控制模块6与所述输出匹配网络控制模块5连接，并结合新型拓扑网络结构，简化了设计过程，并改善J类放大器效率。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器包括输入匹配网络控制模块、栅极偏置控制模块、稳定网络控制模块、晶体管、输出匹配网络控制模块和漏极偏置控制模块，所述输入匹配网络控制模块、所述稳定网络控制模块、所述晶体管和所述输出匹配网络控制模块依次连接，所述栅极偏置控制模块与所述输入匹配网络控制模块连接，所述漏极偏置控制模块与所述输出匹配网络控制模块连接。
2.如权利要求1所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述输入匹配网络控制模块包括微带线TL1、微带线TL2和微带线TL3，所述微带线TL1与所述微带线TL2和所述微带线TL3依次连接。
3.如权利要求2所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述栅极偏置控制模块包括微带线TL4、电容C4和电容C3，所述微带线TL4的一端与所述微带线TL3连接，所述微带线TL4的另一端与所述电容C4和所述电容C3的一端连接，所述电容C4和所述电容C3的另一端接地。
4.如权利要求2所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述稳定网络控制模块包括电阻R1和电容C2，所述电阻R1和所述电容C2并联后的一端与所述微带线TL3连接，另一端与所述晶体管连接。
5.如权利要求1所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络控制模块包括微带线TL5、微带线TL6、微带线TL7、微带线TL8、微带线TL9和微带线TL10，所述微带线TL5、所述微带线TL6、所述微带线TL7和所述微带线TL8依次连接，所述微带线TL9分别和所述微带线TL7和所述微带线TL10连接。
6.如权利要求5所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述漏极偏置控制模块包括微带线TL11、电容C5、电容C6和电容C7，所述微带线TL11的一端和所述微带线TL7连接，所述微带线TL11的另一端和所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的一端连接，所述电容C5、所述电容C6和所述电容C7的另一端接地。
7.如权利要求5所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括电容C8，所述电容C8与所述微带线TL10连接。
8.如权利要求1所述的一种具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器，其特征在于，所述具有新型输出匹配方法的宽带高效J类功率放大器还包括介质基板，所述介质基板与所述输入匹配网络控制模块、所述栅极偏置控制模块、所述稳定网络控制模块、所述晶体管、所述输出匹配网络控制模块和所述漏极偏置控制模块连接，所述介质基板的材料为Rogers 4350。
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