WO2019015274A1 - 基于双线结构的逆 f 类功率放大器 - Google Patents

基于双线结构的逆 f 类功率放大器 Download PDF

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邓力
李书芳
张贯京
葛新科
张红治
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    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
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Definitions

  • the two-wire matching circuit includes a fourth microstrip line and a fifth microstrip line, the fourth microstrip line is connected in parallel on the fifth microstrip line, and the output end of the second microstrip line is connected to the input of the fifth microstrip line.
  • the output end of the fifth microstrip line is the output end of the two-wire output matching network;
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the linearity test results of an inverse class F power amplifier based on a two-wire structure.
  • the input port P1 is for receiving a signal input by an external component
  • the stabilization circuit 4 is for preventing a signal from being oscillated to generate a self-excitation phenomenon
  • the input matching circuit 3 performs impedance matching on an input end of the GaN tube 2.
  • the stabilization circuit 4 and the input matching circuit 3 are both a stable circuit module and an input matching circuit module of the existing inverse F-type power amplifier, which are not described in detail in the present invention.
  • the GaN tube 2 is a gallium nitride tube.
  • the invention adopts CREE's high electron mobility transistor, the specific model is CGH40025F, and the GaN tube 2 inputs the signal to the two-line output matching network 1, which can be used for 6 times. Harmonic controlled inverse class F power amplifier 10.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

一种基于双线结构的逆F类功率放大器，包括输入端口（P1）、稳定电路（4）、输入匹配电路（3）、GaN管（2）、双线输出匹配网路（1）和输出端口（P2）。双线输出匹配网路（1）包括预匹配电路（11）和双线匹配电路（12），预匹配电路（11）包括第一微带线（111）和第二微带线（112），第一微带线（111）与第二微带线（112）串接，第一微带线（111）与第二微带线（112）之间的连接线上连接有作为开路枝节的第三微带线（113），第一微带线（111）的输入端为双线输出匹配网路（1）的输入端；双线匹配电路（12）包括第四微带线（121）和第五微带线（122），第四微带线（121）并联在第五微带线（122）上，第二微带线（112）的输出端连接至第五微带线（122）的输入端，第五微带线（122）的输出端为双线输出匹配网路（1）的输出端。所述逆F类功率放大器不仅具有高次谐波控制和阻抗匹配功能，而且电路结构更紧凑。

Description

基于双线结构的逆F类功率放大器 技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于双线结构的逆F类功率放大器。
 背景技术
随着现代无线通信的发展，无线通信***对高效率微波器件，尤其是功率放大器的要求越来越高。现有的通过传统开路或短路枝节设计的高效率逆F功率放大器往往只能实现三次谐波的控制，然而，更高次谐波的控制将导致电路尺寸过大而影响功率放大器的性能，而且传统的谐波网络与阻抗变换网络相独立，增加了功率放大器的电路设计步骤和电路设计尺寸。
 技术问题
本发明的主要目的提供一种基于双线结构的逆F类功率放大器，旨在解决现有的逆F类功率放大器仅能实现三次谐波控制，而实现更高次谐波的控制会导致电路尺寸过大而影响功率放大器性能的技术问题。
 技术解决方案
为实现上述目的，本发明提供了一种基于双线结构的逆F类功率放大器，包括输入端口、稳定电路、输入匹配电路、GaN管以及输出端口，所述输入端口连接至稳定电路的输入端，稳定电路的输出端连接至输入匹配电路的输入端，输入匹配电路的输出端连接至GaN管的输入端，所述的基于双线结构的逆F类功率放大器还包括双线输出匹配网路，该双线输出匹配网路包括预匹配电路和双线匹配电路，其中：
所述预匹配电路包括第一微带线和第二微带线，第一微带线与第二微带线串接，第一微带线与第二微带线之间的连接线上连接有作为开路枝节的第三微带线，第一微带线的输入端为双线匹配电路的输入端；
所述双线匹配电路包括第四微带线和第五微带线，第四微带线并联在第五微带线上，第二微带线的输出端连接至第五微带线的输入端，第五微带线的输出端为双线输出匹配网路的输出端；
所述GaN管的输出端连接至双线输出匹配网路的输入端，所述双线输出匹配网路的输出端连接至输出端口；
所述双线匹配电路的输入阻抗表示为如下公式：
Figure dest_path_image001
 其中，Z 4为第四微带线的阻抗，f代表输入频率，f 0代表中心频率，Z L为负载的阻抗，θ 4为双线匹配电路中的第四微带线的电长度。
优选的，所述第一微带线的输入端连接至GaN管的输出端，所述第二微带线的输入端连接至第一微带线的输出端，所述第二微带线的输出端连接至第五微带线的输入端。
优选的，所述双线匹配电路的输出端连接有负载，负载的阻抗Z L=50Ω。
优选的，所述输入匹配电路还连接有输入馈电网络，该输入馈电网络由栅极电源V GS提供栅极电压对GaN管进行馈电。
优选的，所述双线输出匹配网路连接有输出馈电网络，该输出馈电网络由漏极电源V DS提供漏极电压对GaN管进行馈电。
优选的，所述输出馈电网络包括电感L和去耦电容C，去耦电容C的一端连接在电感L和漏极电源V DS之间的连接线上，去耦电容C的另一端接地。
优选的，所述双线匹配电路为第二级匹配电路，用于产生5次谐波的开路以及2、4、6、8次谐波的短路，当f=f 0时，所述双线匹配电路等效为一个特征阻抗为Z 4·(sinθ4/2)的四分之一波长阻抗变换器。
优选的，所述预匹配电路为第一级匹配电路，用于对GaN管的输出端的阻抗进行预匹配和产生3次谐波的短路点，并且依次将高次谐波的阻抗点按照逆F类理论匹配到双线匹配电路相应的开路点和短路点。
优选的，所述第一微带线的阻抗Z 1=15Ω，电长度θ 1=30°；所述第二微带线的阻抗Z 2=40Ω，电长度θ 2=5°；所述第三微带线的阻抗Z 3=20Ω，电长度θ 3=30°。
优选的，所述第四微带线的阻抗Z 4=35Ω，电长度θ 4=72°；所述第五微带线的阻抗Z 5=35Ω，电长度θ 5=108°。
有益效果
相较于现有技术，本发明所述基于双线结构的逆F类功率放大器采用基于微带线双线结构的输出匹配网络，同时具有谐波控制和阻抗匹配功能，解决了现有的逆F功率放大器的电路体积庞大且仅能实现三次谐波控制的缺陷，不仅使逆F类功率放大器实现了高次谐波的控制，而且极大的节省了放大器电路空间，使放大器电路结构更紧凑，进一步提高逆F类功率放大器的效率。
 附图说明
图1是本发明基于双线结构的逆F类功率放大器优选实施例的电路结构方框示意图；
图2是本发明基于双线结构的逆F类功率放大器中双线输出匹配电路的示意图；
图3是基于双线结构的逆F类功率放大器的性能测试结果示意图；
图4是基于双线结构的逆F类功率放大器的线性度测试结果示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
 本发明的最佳实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明基于双线结构的逆F类功率放大器优选实施例的电路结构方框示意图。在本实施例中，所述的基于双线结构的逆F类功率放大器10集成于PCB板上，该逆F类功率放大器10包括输入端口P1、稳定电路4、输入匹配电路3、GaN管（GaN高电子迁移率晶体管）2、双线输出匹配网路1以及输出端口P2。所述输入端口P1连接至稳定电路4的输入端，稳定电路4的输出端连接至输入匹配电路3的输入端，输入匹配电路3的输出端连接至GaN管2的输入端，GaN管2的输出端连接至双线输出匹配网路1的输入端，双线输出匹配网路1的输出端连接至输出端口P2。
所述输入端口P1用于接收外界元器件输入的信号，所述稳定电路4用于防止信号震荡而产生自激现象；所述输入匹配电路3对GaN管2的输入端进行阻抗匹配。所述稳定电路4和输入匹配电路3均为现有逆F类功率放大器的稳定电路模块和输入匹配电路模块，本发明不作详细赘述。所述GaN管2为一种氮化镓管，本发明采用CREE公司的高电子迁移率晶体管，具体型号为CGH40025F，GaN管2将信号输入至双线输出匹配网路1，可用于实现6次谐波控制的逆F类功率放大器10。
在本实施例中，所述双线输出匹配网路1还连接有输出馈电网络5，输出馈电网络5由漏极电源V DS提供漏极电压对GaN管2进行馈电。所述输入匹配电路3还连接有输入馈电网络6，输入馈电网络6由栅极电源V GS提供栅极电压对GaN管2进行馈电。所述输入馈电网络6为现有逆F类功率放大器的输入馈电电路模块，本发明不作详细赘述。
参考图2所示，图2为本发明基于双线结构的逆F类功率放大器中双线输出匹配电路的示意图。本发明的主要创新点在于双线输出匹配网路1的电路结构，该双线输出匹配网路1是基于微带线双线结构的输出匹配网络，同时具有谐波控制和阻抗匹配功能。在本实施例中，所述双线输出匹配网路1包括预匹配电路11和双线匹配电路12，所述预匹配电路11为第一级匹配电路，其由三根微带线组成。具体地，预匹配电路11包括第一微带线111和第二微带线112，第一微带线111与第二微带线112串接，第一微带线111的输入端为双线输出匹配网路1的输入端且连接至GaN管2的输出端。第二微带线112的输入端连接至第一微带线111的输出端，第二微带线112的输出端为预匹配电路11的输出端。第一微带线111与第二微带线112之间的连接线上连接有作为开路枝节的第三微带线113。每一根微带线的宽度由微带线的阻抗，每一根微带线的长度由微带线的电长度决定。在本实施例中，第一微带线111的阻抗Z 1=15Ω，电长度θ 1=30°；第二微带线112的阻抗Z 2=40Ω，电长度θ 2=5°；第三微带线113的阻抗Z 3=20Ω，电长度θ 3=30°。
所述双线匹配电路12为第二级匹配电路，包括第四微带线121和第五微带线122。第四微带线121并联在第五微带线122上，第二微带线112的输出端连接至第五微带线122的输入端，第五微带线122的输出端为双线输出匹配网路1的输出端。在本实施例中，第四微带线121的阻抗Z 4=35Ω，电长度θ 4=72°；第五微带线122的阻抗Z 5=35Ω，电长度θ 5=108°。
所述双线匹配电路12的输出端（即第五微带线122的输出端）连接至输出馈电网络5，该输出馈电网络5包括电感L和去耦电容C，该电感的电感值为L=20nH，去耦电容C的电容值达到μF数量级即可，具体大小不作限定。去耦电容C的一端连接在电感L和漏极电源V DS之间的连接线上，去耦电容C的另一端接地。双线匹配电路12的输出端连接至输出端口P2（如图1所示），并可直接连接有负载Z L，该负载Z L的阻抗值Z L=50Ω。
在本实施例中，所述预匹配电路11为第一级匹配电路，其主要作用是进行预匹配和产生3次谐波的短路点，并且能够依次将高次谐波的阻抗点按照逆F类理论的要求匹配到双线匹配电路12（第二级匹配电路）相应的开路点和短路点。根据双线微带线的理论，则双线匹配电路12输入端的输入阻抗可以表示为如下公式：
Figure 125378dest_path_image002
 其中，Z 4为第四微带线121的阻抗，f代表输入频率，f 0代表中心频率，Z L为负载的阻抗，θ 4为双线匹配电路12中的第四微带线121的电长度。在本实施例中，取双线匹配电路12（第二级匹配电路）的第四微带线121和第五微带线122的电长度分别为θ 4=72°和θ 5=108°，阻抗Z 4=Z 5=35Ω，负载的阻抗Z L=50Ω，则在双线匹配电路12的输入端可以产生5次谐波的开路以及2、4、6、8次谐波的短路点。同时，当f=f 0时，第二级的双线匹配电路12等效为一个特征阻抗为Z 4·(sinθ4/2)的四分之一波长阻抗变换器。因此，该双线匹配电路12不仅有谐波控制的功能，还具有基频的阻抗匹配功能。因此在逆F类功率放大器的输出匹配设计中，不仅实现了高次谐波的控制，而且节省了放大器电路空间，使放大器电路更紧凑。
参考图3和4所示，图3是本发明基于双线结构的逆F类功率放大器的性能测试结果示意图；图4是本发明基于双线结构的逆F类功率放大器的线性度测试结果示意图。本实施例所述双线输出匹配网络1可用于实现六次谐波控制的逆F类功率放大器10，采用CREE公司的GaN管2成功实现了2.4GHz逆F类功率放大器。参考图3所示，测试结果显示该基于双线结构的逆F类功率放大器10具有87.4%的最高漏极效率（例如2.375GHz频率下），实现了44.5dBm的输出功率。参考图4所示，在数字预失真情况下，该基于双线结构的逆F类功率放大器10具有-50.8和-51.6dBc的临道信噪比，表征了该逆F类功率放大器10在实际使用中的高线性度。在2.225GHz～2.6GHz频带下，该逆F类功率放大器10都具有60%以上的高漏极效率。
本发明提出的基于双线结构的逆F类功率放大器采用基于微带线双线结构的输出匹配网络，同时具有谐波控制和阻抗匹配功能，解决了现有的逆F功率放大器10的电路体积庞大且仅能实现三次谐波控制的缺陷。本发明基于双线结构的逆F类功率放大器10不仅实现了高次谐波的控制，而且极大的节省了放大器电路空间，使放大器电路结构更紧凑，进一步提高逆F类功率放大器10的效率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
 工业实用性
相较于现有技术，本发明所述基于双线结构的逆F类功率放大器采用基于微带线双线结构的输出匹配网络，同时具有谐波控制和阻抗匹配功能，解决了现有的逆F功率放大器的电路体积庞大且仅能实现三次谐波控制的缺陷，不仅使逆F类功率放大器实现了高次谐波的控制，而且极大的节省了放大器电路空间，使放大器电路结构更紧凑，进一步提高逆F类功率放大器的效率。

Claims (10)

  1. 一种基于双线结构的逆F类功率放大器，包括输入端口、稳定电路、输入匹配电路、GaN管以及输出端口，所述输入端口连接至稳定电路的输入端，稳定电路的输出端连接至输入匹配电路的输入端，输入匹配电路的输出端连接至GaN管的输入端，其特征在于，所述的基于双线结构的逆F类功率放大器还包括双线输出匹配网路，该双线输出匹配网路包括预匹配电路和双线匹配电路，其中：所述预匹配电路包括第一微带线和第二微带线，第一微带线与第二微带线串接，第一微带线与第二微带线之间的连接线上连接有作为开路枝节的第三微带线，第一微带线的输入端为双线匹配电路的输入端；所述双线匹配电路包括第四微带线和第五微带线，第四微带线并联在第五微带线上，第二微带线的输出端连接至第五微带线的输入端，第五微带线的输出端为双线输出匹配网路的输出端；所述GaN管的输出端连接至双线输出匹配网路的输入端，所述双线输出匹配网路的输出端连接至输出端口；所述双线匹配电路的输入阻抗表示为如下公式：
    Figure dest_path_image001
    其中，Z 4为第四微带线的阻抗，f代表输入频率，f 0代表中心频率，Z L为负载的阻抗，θ 4为双线匹配电路中的第四微带线的电长度。
  2. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述第一微带线的输入端连接至GaN管的输出端，所述第二微带线的输入端连接至第一微带线的输出端，所述第二微带线的输出端连接至第五微带线的输入端。
  3. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述双线匹配电路的输出端连接有负载，该负载的阻抗Z L=50Ω。
  4. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述输入匹配电路还连接有输入馈电网络，该输入馈电网络由栅极电源V GS提供栅极电压对GaN管进行馈电。
  5. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述双线输出匹配网路连接有输出馈电网络，该输出馈电网络由漏极电源V DS提供漏极电压对GaN管进行馈电。
  6. 如权利要求5所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述输出馈电网络包括电感L和去耦电容C，去耦电容C的一端连接在电感L和漏极电源V DS之间的连接线上，去耦电容C的另一端接地。
  7. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述双线匹配电路为第二级匹配电路，用于产生5次谐波的开路以及2、4、6、8次谐波的短路，当f=f 0时，所述双线匹配电路等效为一个特征阻抗为Z 4·(sinθ4/2)的四分之一波长阻抗变换器。
  8. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述预匹配电路为第一级匹配电路，用于对GaN管的输出端的阻抗进行预匹配和产生3次谐波的短路点，并且依次将高次谐波的阻抗点按照逆F类理论匹配到双线匹配电路相应的开路点和短路点。
  9. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述第一微带线的阻抗Z 1=15Ω，电长度θ 1=30°；第二微带线的阻抗Z 2=40Ω，电长度θ 2=5°；第三微带线的阻抗Z 3=20Ω，电长度θ 3=30°。
  10. 如权利要求1所述的基于双线结构的逆F类功率放大器，其特征在于，所述第四微带线的阻抗Z 4=35Ω，电长度θ 4=72°；第五微带线的阻抗Z 5=35Ω，电长度θ 5=108°。
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