一种射频超宽带高效率功率放大器的设计方法及电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及功率放大器的设计领域，更具体地说，本发明设及一种射频超宽带高 效率功率放大器的设计技术，它适用于无线通信、电子对抗、雷达、导航等领域的高性能功 率放大器的仿真设计和科学研究工作，对提高相关系统的整体性能指标具有重要意义。
【背景技术】
[0002] 射频功率放大器广泛应用于无线通信、电子对抗、雷达、导航等系统的发射设备 中，功率放大器对于系统性能的改进、新功能和新应用的研究都具有重要的意义，因此提升 功率放大器的性能成为各系统厂商关注的焦点。功率放大器研究的核屯、问题是宽频带和高 效率，在宽频带放大器研究领域，由于Sii和S21是关于频率的函数，Sii随频率每倍频程下降 6地，S21随频率每倍频程上升6地，Sll和S21决定了电路的稳定性，因此在较宽的频带内，无法 实现电路稳定工作，放大器的噪声系数和驻波也会随着频率的变换而恶化，目前，提高功率 放大器工作带宽的方法主要有，补偿匹配网络、分布式放大器、负反馈放大器、平衡放大器、 有源匹配式放大器、电阻电抗匹配式放大器等。而增强效率的技术发展相对比较滞后，可W 提高功率放大器效率的技术常见的有:Doherty技术、包络跟踪巧nvelope化acking)、包络 消除再生技术化nvelope elimination restoration)、自适应偏置技术(adaptive bias)、 峰值减小技术（Crest factor reduction)等。然而，在理论研究和实际工程设计中发现要 提升放大器某一项指标相对较容易解决，但是当宽频带和高效率放在一起时，设计难度将 倍增，很多时候运几乎是不可能实现的设想。
【发明内容】
[0003] 发明目的：就是要解决目前在射频超宽带高效率放大器设计研究领域技术的不 足，针对宽频带功率放大器设计过程中的技术问题，提出一系列的设计方法、电路结构和网 络融合方案，从理论分析、仿真设计和工程实践的角度对超宽带高效率功率放大器设计运 一学术界难题，提供一整套系统的解决策略。
[0004] 技术方案:本发明公开了 一种超宽带高效率功率放大器的设计方法，包括多频点 晶体管输入输出阻抗测试、最大功率传输输出阻抗匹配网络设计、宽频带输入多节阻抗匹 配网络设计、输入谐波抑制网络和输出谐波抑制网络设计、晶体管偏置网络设计。
[0005] 作为本发明的进一步优化，本发明所述的多频点晶体管输入/输出阻抗测试，采用 阻抗牵引迭代测试的方法，根据晶体管的工作频率，先给定一个晶体管输入阻抗初始值，对 晶体管输出功率和功率效率进行分析，计算在最大功率传输和功率效率的条件下，晶体管 输出阻抗，然后再根据晶体管输出阻抗，进一步计算晶体管的输入阻抗，并通过迭代分析方 法，最终确定晶体管在基波、二次谐波和Ξ次谐波频点的输入/输出阻抗。
[0006] 本发明所述的多频点晶体管输入/输出阻抗测试采用迭代测试电路，其包括提供 射频信号的信号源、晶体管、与所述晶体管漏极相连的单端口 S参数调节器、与晶体管栅极 相连的第一直流电源、与所述晶体管漏极相连的第二直流电源、用于测试晶体管栅极与第 一直流电源支路的电流信号的第一电流表、用于测试晶体管漏极与单端口 s参数调节器支 路的电流信号的第二电流表、用于测试晶体管漏极和第二直流电源支路的电路信号的第Ξ 电流表，利用Advanced Design System电磁仿真软件，设计搭建仿真电路。
[0007] 作为本发明的进一步优化，本发明所述的最大功率传输输出端阻抗匹配网络设计 实现晶体管输出阻抗与终端负载阻抗的共辆匹配，采用微带线结构，该最大功率传输输出 端阻抗匹配网络与输出谐波抑制网络和晶体管漏极偏置网络融合。
[0008] 作为本发明的进一步优化，本发明所述的宽频带输入多节阻抗匹配网络设计实现 晶体管输入阻抗与源阻抗的共辆匹配，采用混合集总参数和传输线元件的匹配网络，该混 合集总参数和传输线元件的匹配网络与输入谐波抑制网络和晶体管栅极偏置网络融合，在 设计中可适当接入有耗增益补偿匹配网络，实现增益、带宽和反射系数之间一定的折中。
[0009] 作为本发明的进一步优化，本发明所述的输入谐波抑制网络和输出谐波抑制网络 设计，采用并联的终端开路的微带传输线谐波抑制网络，在晶体管的输入端和输出端分别 对二次谐波和Ξ次谐波进行抑制，谐波抑制网络能够有效提高晶体管输出功率和功率附件 效率，输入端谐波抑制网络部分电路结构可与栅极偏置网络相互融合，输出谐波抑制网络 部分电路结构可与漏极偏置网络相互融合，共同作用。
[0010] 作为本发明的进一步优化，本发明所述的晶体管偏置网络设计提供晶体管工作电 压包括晶体管漏极偏置网络和晶体管栅极偏置网络，均采用微带线结构，晶体管漏极偏置 网络完成对输出端Ξ次谐波的抑制，晶体管栅极偏置网络完成对输入端Ξ次谐波的抑制， 在晶体管漏极偏置网络设计中采用晶体管漏极偏置网络与输出谐波抑制网络相互融合的 设计技术，偏置网络在完成网络功能的同时参与漏极谐波抑制功能的实现;在晶体管栅极 偏置网络设计中采用晶体管漏极偏置网络与输入端谐波抑制网络相互融合的设计技术，栅 极偏置网络在完成网络功能的同时参与栅极谐波抑制功能的实现。
[0011] 本发明还公开了一种超宽带高效率功率放大器电路，包括晶体管、晶体管输入端 网络结构和晶体管输出端网络结构，所述晶体管输入端网络结构按照信号输入方向依次包 括形成高通匹配网络的输入阻抗匹配网络、用于消除输入信号的谐波分量的输入端谐波抑 制网络和用于控制晶体管栅极电压的晶体管栅极偏置网络;所述晶体管输出端网络结构按 照信号输出方向依次包括提供晶体管直流工作电压的晶体管漏极偏置网络、对晶体管输出 端谐波进行抑制的输出谐波抑制网络和用于在工作频率将输出谐波抑制网络的阻抗与负 载阻抗进行匹配的输出阻抗匹配网络，所述晶体管栅极偏置网络兼容于输入端谐波抑制网 络中，所述晶体管漏极偏置网络兼容于输出谐波抑制网络中。
[0012] 作为本发明的进一步优化，本发明所述的输入阻抗匹配网络包括第八微带传输 线、第屯微带传输线和第Ξ电容，所述第八微带传输线和第屯微带传输线串联，该第Ξ电容 与第八微带传输线并联;所述输入端谐波抑制网络包括用来控制输入端低频谐波分量的阻 抗第一微带传输线、第二微带传输线和第Ξ微带传输线。
[0013] 有益效果:本发明与现有技术相比，具有W下优点:本发明该功率放大器设计技术 可获得更高的频率带宽、输出功率和功率附加效率。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明技术方案一种射频超宽带高效率功率放大器的设计方法的示意图；
[0015] 图2为本发明所述阻抗迭代测试负载阻抗测试电路原理图；
[0016] 图3为本发明所述阻抗分析smith圆图；
[0017] 图4为本发明所述输入多节阻抗匹配网络电路原理图；
[0018] 图5为本发明所述输入端网络结构示意图；
[0019] 图6为本发明所述输出端网络结构示意图；
[0020] 图7为本发明所述一种射频超宽带高效率功率放大器的设计技术具体实例电路原 理图。
【具体实施方式】
[0021] W下结合具体的实施例对本发明进行详细说明，但同时说明本发明的保护范围并 不局限于本实施例的具体范围，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出 创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022] 需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有说明，"多个"的含义是两个或两个W 上;术语"上"、"下"、"左"、"右"、"内"、"外"、"前端"、"后端"、"头部"、"尾部"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、W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，术语"第一"、"第二"、"第Ξ"等仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性。
[0023] 参见图1，本发明实施例设及一种射频超宽带高效率功率放大器的设计方法，具体 包括:多频点晶体管输入输出阻抗测试技术、最大功率传输输出阻抗匹配网络设计、宽频带 输入多节阻抗匹配网络设计、输入谐波抑制网络和输出谐波抑制网络设计、晶体管偏置网 络设计。
[0024] 本实施例的多频点晶体管输入输出阻抗测试技术，用于多频点晶体管特性阻抗的 测量，为实现宽频带阻抗匹配提供基础;最大功率传输输出阻抗匹配网络设计，用于提高功 率放大器的输出功率，同时提高放大器效率;宽频带输入多节阻抗匹配网络设计，用于对宽 频范围内实现对晶体管阻抗的匹配;输入谐波抑制网络和输出谐波抑制网络设计，用于多 晶体管输入端和输出端高次谐波分量的调整，减少损耗，提高功率放大器的功率附加效率； 晶体管偏置网络设计，用于确保晶体管的工作状态和电源供电。
[0025] 参见图2、3,本发明所述多频点晶体管输入输出阻抗测试技术，采用阻抗迭代测试 的方法，迭代测试电路结构如图2所示，该电路包括:包括提供射频信号的信号源1、晶体管 7、与所述晶体管7漏极相连的单端口 S参数调节器8、与晶体管7栅极相连的第一直流电源5、 与所述晶体管7漏极相连的第二直流电源6、用于测试晶体管7栅极与第一直流电源支路的 电流信号的第一电流表2、用于测试晶体管7漏极与单端口 S参数调节器8支路的电流信号的 第二电流表3、用于测试晶体管7漏极和第二直流电源支路的电路信号的第Ξ电流表4;单端 口 S参数调节器8,其中Sii参数的相位和幅值在单位圆内连续变化，对于晶体管7输出端来 说，相当于连接了一个连续变换负载，如图3所示，每负载阻抗点对应的输出功率可W在 smith圆图上标出来，如负载阻抗点13。
[0026] 在进行晶体管输出端阻抗测试时，首先，假定晶体管输入端阻抗，然后开始对负载 阻抗进行扫描，最后从扫描结果中找出最高输出功率点，即可找到对应的负载阻抗值。
[0027]通过电路中各支路电流表测试的