一種高效率雙頻帶f類功率放大器的製造方法

2023-10-10 00:00:39

一種高效率雙頻帶f類功率放大器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效率雙頻帶F類功率放大器，其中，電晶體輸出端由高頻帶諧波控制電路、低頻帶諧波調節電路、雙頻帶直流偏置電路和雙頻帶基波阻抗匹配電路構成；高頻帶諧波控制電路由串聯的高低阻抗線和並聯的複合左右手傳輸線CRLH-TL構成；低頻帶諧波調節電路由高低阻抗線構成；雙頻帶直流偏置電路短路具有低頻帶諧波控制作用；雙頻帶基波阻抗匹配電路包括高頻、低頻帶基波阻抗匹配電路。本發明利用了複合左右手傳輸線CRLH-TL和具有諧波控制功能的雙頻帶直流偏置電路，能夠有效減小傳統雙頻帶F類功率放大器中諧波控制電路的複雜度，並且考慮了寄生分量的影響，從而有效提高了雙頻帶F類功率放大器的工作效率。
【專利說明】一種高效率雙頻帶F類功率放大器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信功放【技術領域】，尤其涉及高效率的雙頻帶F類功率放大器。

【背景技術】
[0002] 目前，隨著移動通信系統的進一步發展，高效率多帶功率放大器會成為未來多標 準多帶通信終端的關鍵構成部分。同時，射頻功率放大器是無線發射終端中耗能最大的模 塊。所以，高效率多帶功率放大器的設計已成為功放研宄領域的熱點。而高效率雙頻帶功 率放大器是其中最基本的一類。
[0003]F類功率放大器因其理想工作效率能夠達到100%而受到了大量的關注。一般的 單帶F類功率放大器由依次相連的電晶體、諧波控制電路和輸出基波阻抗匹配電路幾個模 塊構成。對單帶F類功率放大器而言，諧波控制電路將信號的偶次諧波匹配到電晶體的漏 極端呈短路狀態，將奇次諧波匹配到電晶體的漏極端呈開路狀態。從而使漏極端電流表 現為半正弦波形式，而電壓則為方波形式，且在理想情況下，電壓與電流在時間上無重疊區 域。這樣，理想的F類功率放大器便能實現100%的工作效率。實際的F類功率放大器設計 中，一般只考慮二次諧波和三次諧波。
[0004] 所以，為了滿足雙頻帶功率放大器的高效率要求，結合F類功率放大器的設計原 貝1J，高效率雙頻帶F類功率放大器的設計成為一個熱門的研宄領域。
[0005] 傳統的雙頻帶F類功率放大器的基本原理框圖，如圖1所示。它的輸出端由低頻 帶諧波控制電路、高頻帶諧波控制電路、雙頻帶基波阻抗匹配電路和雙頻帶直流偏置電路 構成。其中，低頻帶諧波控制電路和高頻帶諧波控制電路均由兩個L型結構的傳輸線構成。 對低頻帶諧波控制電路，傳輸線TL2和傳輸線TL4分別用於提供低頻帶二次諧波和三次諧 波的短路。類似的，對高頻帶諧波控制電路，傳輸線TL6和傳輸線TL8分別提供了高頻帶二 次諧波和三次諧波的短路。從而，依次調節傳輸線TL1，TL3,TL5,TL7的電長度，便可分別 實現電晶體漏極端低頻帶二次諧波短路、三次諧波開路、高頻帶二次諧波短路和三次諧波 開路的F類功率放大器的阻抗條件。雙頻帶基波阻抗匹配電路用於低頻帶基波和高頻帶基 波的阻抗匹配，以實現最大化的功率傳輸。
[0006] 相比較單帶F類功率放大器，雙頻帶F類功率放大器由於要實現兩個頻帶的諧波 控制，其電路複雜度大大增加了，這樣便增加了功率的損耗，從而使得電路的效率也隨之惡 化。
[0007] 另一方面，在實際情況中，電晶體本身的寄生分量引起的效應會破壞二次諧波對 應的短路狀態和三次諧波對應的開路狀態，從而影響F類功率放大器的工作效率。
[0008] 因此，在考慮寄生分量的前提下，減小雙頻帶F類功率放大器的電路複雜度，降低 功率損耗，提升功放的工作效率，是一個非常重要的問題。
[0009] 近年來，雙頻帶F類功放的研宄處於剛剛起步的階段。文獻[1]，[2]提出了兩種 基於單頻帶F類功率放大器的雙頻帶F功率放大器的設計技術，但是諧波控制網絡都相對 比較複雜，因此在兩個工作頻帶內的功率附加效率（PAE)都相對較低，另外一方面，對如何 在雙頻帶內補償帶封裝的電晶體的寄生參數沒有討論。文獻[3]提出了一種在單片微波集 成電路中實現單頻帶F和多頻帶F類功率放大器的諧波控制方案，雖然提及對電晶體的寄 生參數的補償方案，但是這種方法也只是適用於匪1C的設計中，對帶封裝的電晶體的功率 放大器設計，此種方案具有很大的局限性。
[0010] 參考文獻：
[0011] [1]R.Negra,A.Sadeve,S.Bensmida,andF.M.Ghannouchi,uConcurrent dual-bandclass-Floadcouplingnetworkforapplicationsat1. 7and2. 14 GHz，"IEEETrans.CircuitsSyst.II，Exp.Briefs，vol. 55,no. 3,pp. 259 - 263,Mar. 2008〇
[0012] [2]P.Colantonio,F.Giannini,andR.Giofre,"Adesigntechniquefor concurrentdual-bandharmonictunedpoweramplifer，"IEEETrans.Microw.Theory Techn.，vol. 56,no. 11，pp. 2545 - 2555,Nov. 2008。
[0013] [3]G.Nikandish,E.Babakrpur,andA.Medi,"Aharmonictermi-nation techniqueforsingle-andmulti-bandhigh-efficiencyclass-FMMICpower amplifiers,^IEEETrans.Microw.TheoryTechn. ,vol.62,no. 5,pp. 1212 -1220,May，2014。
[0014] [4]I.Lin，M.DeVincentis，C.Caloz，andT.Itoh，"Arbitrarydual-band componentsusingcompositeright/left-handedtransmitt-ssionlines，''IEEE Trans.MicrowaveTheoryTech.，vol. 52,pp. 1142-1149,Apr. 2004〇


【發明內容】

[0015] 為了克服現有技術中電路複雜度過高和電晶體寄生分量效應存在所引起的工作 效率惡化問題，本發明提供了一種高效率的雙頻帶F類功率放大器，在滿足雙頻帶傳輸的 前提下，有效地減少了電路的複雜度，同時考慮了寄生分量對諧波控制電路的影響，從而達 到提升功放的工作效率的目的。
[0016] 本發明提供的一種高效率雙頻帶F類功率放大器，其中，電晶體輸出端由高頻帶 諧波控制電路、低頻帶諧波調節電路、雙頻帶直流偏置電路和雙頻帶基波阻抗匹配電路構 成；所述高頻帶諧波控制電路位於電晶體和低頻帶諧波調節電路之間，所述雙頻帶直流偏 置電路位於低頻帶諧波調節電路和雙頻帶基波阻抗匹配電路之間；所述高頻帶諧波控制電 路由串聯的高低阻抗線和並聯的複合左右手傳輸線CRLH-TL構成；所述低頻帶諧波調節電 路由高低阻抗線構成；所述高頻帶諧波控制電路中的複合左右手傳輸線CRLH-TL同時提供 高頻帶二次諧波和三次諧波的短路；所述雙頻帶直流偏置電路中集成有能提供低頻帶二 次諧波和三次諧波短路的微帶電路，從而使該雙頻帶直流偏置電路具有低頻帶諧波控制作 用，所述雙頻帶直流偏置電路在提供諧波控制的同時，還在兩個工作頻帶內提供基波開路 和直流短路的條件；所述雙頻帶基波阻抗匹配電路包括高頻帶基波阻抗匹配電路和低頻帶 基波阻抗匹配電路，；所述高頻帶基波阻抗匹配電路由L型的匹配網絡構成，所述L型的匹 配網絡包括與所述低頻帶基波阻抗匹配電路串接的傳輸線和與所述串聯傳輸線並聯的短 路枝節，所述串接的傳輸線的特徵阻抗為50 Q，所述短路枝節的長度為h/4,其中Ai是低 頻帶基波對應的工作波長。
[0017] 本發明通過對複合左右手傳輸線CRLH-TL的相移特性的利用和將低頻帶諧波控 制電路集成到雙頻帶直流偏置電路中的方式，在實現雙頻帶傳輸的前提下，能夠有效減小 傳統雙頻帶F類功率放大器中短路諧波控制的電路部分的複雜度，同時考慮了寄生分量效 應，從而有效提高了雙頻帶F類功率放大器的工作效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是傳統雙頻帶F類功率放大器的電路原理圖；
[0019] 圖2是一種高效率雙頻帶F類功率放大器的原理框圖；
[0020] 圖3是一種高效率雙頻帶F類功率放大器的電路原理圖；
[0021] 圖4 (a)是高頻帶諧波控制電路中的CRLH-TL結構示意圖；
[0022] 圖4 (b)是CRLH-TL的S21仿真結果；
[0023] 圖5(a)是具有低頻帶諧波控制作用的雙頻帶直流偏置電路的電路原理圖；
[0024] 圖5(b)具有低頻帶諧波控制作用的雙頻帶直流偏置電路的S21參數仿真結果；
[0025] 圖6是雙頻帶基波阻抗匹配電路的原理圖。

【具體實施方式】
[0026] 為了更清楚的說明本發明的技術方案，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步 說明。對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖 獲得其他的附圖。
[0027] 本發明提供的一種高效率雙頻帶F類功率放大器，其原理框圖如圖2所示，其中， 電晶體輸入端由柵極直流偏置電路和輸入端基波阻抗電路構成，主要實現在兩個工作頻帶 內最大的增益傳輸。電晶體輸出端由高頻帶諧波控制電路、低頻帶諧波調節電路、具有低頻 帶諧波控制作用的雙頻帶直流偏置電路和雙頻帶基波阻抗匹配電路構成。
[0028] 圖3所示為低頻帶基波&為1. 7GHz，高頻帶基波f2為2. 14GHz的高效率雙頻帶 F類功率放大器的原理圖。所述高頻帶諧波控制電路位於電晶體和低頻帶諧波調節電路之 間，所述具有低頻帶諧波控制作用的雙頻帶直流偏置電路位於低頻帶諧波調節電路和雙頻 帶基波阻抗匹配電路之間；所述高頻帶諧波控制電路由串聯的高低阻抗線和並聯的複合左 右手傳輸線CRLH-TL構成；所述低頻帶諧波調節電路由高低阻抗線構成；對於固定的雙頻 帶工作頻率，圖3除電晶體以外的電路在電晶體固有漏極端對兩個工作頻率均能提供二次 諧波短路和三次諧波開路點；對高頻帶諧波控制電路，利用複合左右手傳輸線CRLH-TL的 相移特性，使高頻帶諧波控制電路同時提供高頻帶二次諧波和三次諧波的短路，調節高低 阻抗線以滿足電晶體固有漏極端高頻帶二次諧波短路和三次諧波開路的F類功率放大器 的阻抗條件。所述具有低頻帶諧波控制作用的雙頻帶直流偏置電路中集成有提供低頻帶短 路的電路，從而使該雙頻帶直流偏置電路具有低頻帶諧波控制作用，所述雙頻帶直流偏置 電路在提供諧波控制的同時，還在兩個工作頻帶內提供基波開路和直流短路的條件，從而 既能提供電晶體漏極端的直流偏置，又能提供低頻帶二次諧波和三次諧波的短路，調節高 頻帶諧波調節電路的高低阻抗線以滿足電晶體固有漏極端高頻帶二次諧波短路和三次諧 波開路的F類功率放大器的阻抗條件。電晶體寄生參數模型包含電晶體漏極和源極之間的 寄生電容、寄生電感和封裝寄生電容。
[0029] 所述雙頻帶基波阻抗匹配電路包括高頻帶基波阻抗匹配電路和低頻帶基波阻抗 匹配電路，如圖6所示，所述高頻帶基波阻抗匹配電路由L型的匹配網絡構成，所述L型的 匹配網絡包括與低頻帶基波阻抗匹配電路串接的傳輸線和與串聯傳輸線並聯的短路枝節， 所述串接的傳輸線的特徵阻抗為50Q，所述並聯的傳輸線的長度為h/4,其中Ai是低頻 帶基波對應的工作波長。這種特殊的結構能夠保證插入高頻帶基波阻抗匹配電路後不會破 壞前端的低頻帶基波阻抗匹配，同時，通過對高頻帶基波阻抗匹配電路中串聯傳輸線長度 和並聯的傳輸線的特徵阻抗的調節，能夠實現高頻帶基波阻抗匹配。
[0030] 圖4 (a)所示為本發明中高頻帶諧波控制電路中的複合左右手傳輸線CRLH-TL的 結構，它能夠提供高頻帶二次諧波和三次諧波的短路。具體實現原理和方法闡述如下：
[0031] 理想的CRLH-TL由理想的右手傳輸線RH-TL和理想的左手傳輸線LH-TL串接而 成。左手傳輸線LH-TL具有正的相位響應，即具有相位超前的響應。而右手傳輸線RH-TL具 有負的相位響應，即具有相位滯後的響應。這些特性的結合使得複合左右手傳輸線CRLH-TL 能夠在任意兩個頻率處產生90°的相位響應，即在任意兩個頻率處，複合左右手傳輸線 CRLH-TL均相當於相應頻率下的電長度為90°的傳輸線。複合左右手傳輸線CRLH-TL的這 一特性恰好能夠應用到雙頻帶傳輸線的設計中。
[0032] 複合左右手傳輸線CRLH-TL由N個相對於工作波長而言具有無限小尺寸的單元結 構級聯而成。這些單元結構由集總參數元件構成。其相位響應和相位斜率通過近似處理具 有如下形式：

【權利要求】
1. 一種高效率雙頻帶F類功率放大器，其中，電晶體輸出端由高頻帶諧波控制電路、低 頻帶諧波調節電路、雙頻帶直流偏置電路和雙頻帶基波阻抗匹配電路構成；其特徵在於： 所述高頻帶諧波控制電路位於電晶體和低頻帶諧波調節電路之間，所述雙頻帶直流偏 置電路位於低頻帶諧波調節電路和雙頻帶基波阻抗匹配電路之間； 所述高頻帶諧波控制電路由串聯的高低阻抗線和並聯的複合左右手傳輸線CRLH-TL 構成； 所述低頻帶諧波調節電路由高低阻抗線構成； 所述高頻帶諧波控制電路中的複合左右手傳輸線CRLH-TL同時提供高頻帶二次諧波 和三次諧波的短路； 所述雙頻帶直流偏置電路中集成有能提供低頻帶二次諧波和三次諧波短路的微帶電 路，從而使該雙頻帶直流偏置電路具有低頻帶諧波控制作用，所述雙頻帶直流偏置電路在 提供諧波控制的同時，還在兩個工作頻帶內提供基波開路和直流短路的條件； 所述雙頻帶基波阻抗匹配電路包括高頻帶基波阻抗匹配電路和低頻帶基波阻抗匹配 電路；所述高頻帶基波阻抗匹配電路由L型的匹配網絡構成，所述L型的匹配網絡包括與所 述低頻帶基波阻抗匹配電路串接的傳輸線和與所述串聯傳輸線並聯的短路枝節，所述串接 的傳輸線的特徵阻抗為50 Ω，所述短路枝節的長度為λ'4,其中A1是低頻帶基波對應的 工作波長。
【文檔編號】H03F3/20GK104518742SQ201410757518
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】馬建國, 成千福, 朱守奎 申請人:天津大學