一種基於介質諧振器的濾波F類功率放大器的製作方法

2023-05-16 11:33:06

本發明涉及無線通信領域，具體涉及一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器。

背景技術：

功率放大器和濾波器都是射頻收發機中關鍵組成部分，它們的性能對整個收發機的性能產生重要的影響。在傳統的設計中，功率放大器和濾波器的輸入輸出埠阻抗都被設計成50ω，然後通過50ω傳輸線將它們級聯起來。這種方法不僅會引入額外的損耗，而且會增大電路的體積。

為了減小體積和損耗，可以將濾波器和功率放大器合併成一個濾波功率放大器電路。近年來，針對如何設計濾波功率放大器，學術界提出了一些解決方法，例如緊湊型的諧振單元、帶有陷波的超寬帶濾波器和低通濾波器可嵌入到f類功率放大器，用來控制高次諧波，使整個功放展現出高效率，但是這些電路沒有帶通濾波響應。此外，還有學者將微帶帶通濾波器或者微帶與腔體結合的濾波器來替代傳統功放的輸出匹配電路，通過採用這種結構，整個電路得以簡化，從而可以減少電路的體積，同時還能保持良好的濾波效果，但是隨著無線通信系統的高速發展,通信頻譜變得非常擁擠,頻譜帶寬很窄窄，這就要求濾波器具有窄帶濾波響應，而以上所提到的微帶濾波器和微帶腔體混合濾波器的相對帶寬都比較大。為解決這個問題，有學者採用了高q值的腔體諧振器作為功放的輸入匹配電路，實現窄帶功放。除了腔體濾波器之外，介質濾波器也具有高q值的特徵，但目前為止，還沒有公開提出介質濾波器和功率放大器的融合設計。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器。

本發明將介質濾波器植入到f類功率放大器中，並通過一段調諧微帶線來轉化複數阻抗為實數阻抗，這樣簡化了功率放大器的輸出匹配電路，同時由於介質諧振器具有較高的q值，可以實現較高功率附加效率時得到其他濾波匹配網絡所不能實現的更窄的帶寬，除此之外，通過引入交叉耦合，可以在通帶兩側各產生一個傳輸零點，提高了濾波器的選擇性。

本發明採用如下技術方案：

一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器，包括輸入埠，直流偏置電路、輸入匹配電路、功率放大電晶體、諧波控制電路及輸出匹配電路，所述輸出匹配電路包括用於實現複數阻抗到純實數阻抗轉化的調諧微帶傳輸線和用於實現實數阻抗到負載阻抗轉化的介質匹配濾波器，所述調諧微帶傳輸線與介質匹配濾波器連接。

所述介質匹配濾波器包括輸入饋電結構、輸出饋電結構及至少兩個介質諧振器，所述的輸入饋電結構、輸出饋電結構及至少兩個介質諧振器採用主耦合及交叉耦合方式連接，所述輸入饋電結構與調諧微帶傳輸線連接。

所述輸入饋電結構包括微帶線及焊接在微帶線上的金屬杆。

所述輸入匹配電路、功率放大電晶體、諧波控制電路及調諧微帶傳輸線依次連接，所述直流偏置電路有兩個，分別設置在功率放大電晶體的輸入端及輸出端。

所述調諧微帶傳輸線的長度及寬度由所述功率放大器電晶體所需的最佳阻抗匹配點決定，所述的介質匹配濾波器的輸入端與其他所有濾波器節點的耦合強度根據所述的調諧微帶傳輸線轉化的純實數阻抗決定，用於將這個純實數阻抗轉化為負載阻抗。

本發明的有益效果：

(1)電路結構簡單，相對於傳統的將功率放大器與帶通濾波器級聯的結構，本發明中濾波電路嵌入到輸出匹配電路，簡化電路結構；

(2)電路損耗小，相對於傳統的將功率放大器與帶通濾波器級聯的結構，本發明省去了濾波器和功率放大器之間的級聯線，減小了電路損耗，此外與現有的同類工作相比，可以實現同等功率附加效率時具有其他濾波匹配網絡所不能實現的更窄的帶寬。

(3)選擇性好，相對於現有的同類工作，本發明所述的基於介質諧振器的帶通濾波器，在濾波器各個節點間存在交叉耦合，用於在通帶兩側產生傳輸零點，改善了電路的選擇性。

附圖說明

圖1是本發明一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器的結構示意圖；

圖2是本發明的s參數測試結果圖；

圖3是本發明的輸出功率和pae即功率附加效率的測試結果圖；

圖4是本發明輸出功率、增益、pae和漏極效率測試結果圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。

實施例

一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器，包括輸入埠20，直流偏置電路30、輸入匹配電路21、功率放大電晶體22、諧波控制電路23，在圖1中hcc表示，及輸出匹配電路31，上述電路均按照現有技術進行配置，所述輸入匹配電路21、功率放大電晶體22、諧波控制電路23及調諧微帶傳輸線24依次連接，所述直流偏置電路有兩個，分別設置在功率放大電晶體的輸入端及輸出端。

所述輸出匹配電路包括一條用於實現複數阻抗到純實數阻抗轉化的調諧微帶傳輸線24和用於實現實數阻抗到負載阻抗轉化的介質匹配濾波器32，所述的介質匹配濾波器具有高q值，在實現窄帶帶通響應時，可獲得較小的插入損耗。

所述調諧微帶傳輸線的長度和寬度由所述功率放大器電晶體所需的最佳阻抗匹配點決定。

所述介質匹配濾波器32包括輸入饋電結構25、輸出饋電結構26及至少兩個介質諧振器27等濾波器節點，所述輸入饋電結構、輸出饋電結構及至少兩個介質諧振器採用主耦合及交叉耦合方式連接，用於產生傳輸零點，增強選擇性，所述的介質匹配濾波器的輸入饋電結構25與其他所有濾波器節點的耦合根據所述的調諧微帶傳輸線24所轉化來的純實數阻抗決定，用於將這個純實數阻抗轉化為負載阻抗，節點之間存在交叉耦合，在通帶兩邊各產生一個傳輸零點，有效地改善了通帶的選擇性。

所述輸入饋電結構包括微帶線28及焊接在微帶線上的金屬杆29與其他濾波器節點耦合，使整個介質匹配諧振器與調諧微帶傳輸線連接。

根據濾波器理論，以二階為例，所述的介質匹配濾波器的耦合矩陣可表示為：

其中msi(i＝1,2,l)為輸入埠與諧振器或輸出埠間的耦合。msi可表示為其中qei為輸入外部品質因數，fbw為相對帶寬。因為品質因數qei與歸一化源阻抗rin成正比例。介質匹配濾波器的不同輸入阻抗，可以通過修改相同輸入輸出阻抗的耦合矩陣的元素來實現，為了實現rin的歸一化輸入阻抗，元素msi修改如下

可以看出，當輸入阻抗不同時，只要通過調節msi,而其他耦合係數保持不變，便可獲得與原濾波器相同的響應。因此，本發明中提出的介質濾波器可作為所述功率放大器的輸出匹配電路的一部分，實現實數阻抗轉換，這樣可以減少電路體積，得到較低的損耗和更高的效率。

圖1展示所述的一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器實施例框圖，實施例中選用的功率放大電晶體22為cree公司的ganhemtcgh40010f，該功率放大電晶體包括柵極g、漏極d和源極s,電路的輸入端、輸出端、柵極g直流偏置電壓vgs和漏極d直流偏置電壓vds如圖1中所標註，具體參數為：vgs＝-2.7v，vds＝28v。

本實例中所使用的輸入匹配電路21，直流偏置電路30，諧波控制電路23等均按照傳統方法進行設計。

本實例的一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器，加工選用pcb電路板介質材料的參數如下：εr＝2.2，h＝0.508,tanδ＝0.0012。

圖2展示所述的一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器在小信號激勵下的s參數測試結果，在中心頻率1.88ghz處的小信號增益為18.3db,3-db帶寬為2.3％，帶內回波損耗優於15db。此外，通帶兩側分別產生一個傳輸零點，頻率分別為1.745ghz和2.023ghz,有效地改善了通帶的選擇性。

圖3展示所述的一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器實例在輸入功率固定為28dbm時，輸出功率和pae(poweraddedefficiency，功率附加效率)的測試結果，輸出功率在1.865和1.89ghz這個頻段區間內，均大於40dbm，此外pae在中心頻率達到最高功率附加效率70.7％。

圖4展示所述的一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器實例中心頻率保持1.88ghz,輸入功率由5到30dbm時的輸出功率、增益、pae和漏極效率測試結果，由圖可以看出，測試的最高漏極效率達到75.8％，說明本發明所述的一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器的電路效率高。

綜上所述，本發明提供了一種基於介質諧振器的濾波f類功率放大器，具有體積小，選擇性好，電路損耗小效率高等多種性能，適合應用於許多射頻收發機中。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。