一种基于精确谐波控制的高效率E类堆叠功率放大器的制作方法

本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种基于精确谐波控制的高效率e类堆叠功率放大器的设计。

背景技术

随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向小型化、高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求小型化、高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在小型化、高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的谐波阻抗控制单元往往需要占据较大的电路尺寸，这影响了电路小型化的指标。

常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统ab类、c类，开关型d类、e类、f类功率放大器等，但是，这些高效率放大器仍然存在一些不足，主要体现在：传统ab类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低；c类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低；开关型d类、e类、f类功率放大器等需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件往往需要占据较大的电路尺寸。除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于精确谐波控制的高效率e类堆叠功率放大器，利用自偏置晶体管堆叠技术以及高效率谐波控制e类匹配技术，实现高效率、高增益、高功率输出特性。

本发明的技术方案为：一种基于精确谐波控制的高效率e类堆叠功率放大器，包括输入基波匹配网络、二堆叠自偏置功率放大网络、高效谐波控制e类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波匹配网络的输入端为整个高效率e类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；高效谐波控制e类输出匹配网络的输出端为整个高效率e类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，漏极供电偏置网络分别与二堆叠自偏置功率放大网络以及高效谐波控制e类输出匹配网络连接。

本发明的有益效果是：本发明采用基于自偏结构的二堆叠晶体管结构，并结合了高效谐波控制e类输出匹配网络，使得电路具有高效率、高增益、高功率输出能力。

输入基波匹配网络包括微带线tl1，微带线tl1的一端为输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线tl2的一端以及接地电容c1连接，微带线tl2的另一端分别与电容c3的一端以及接地电容c2连接，电容c3的另一端为输入基波匹配网络的输出端。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入基波匹配网络能够实现对射频输入的基波信号进行阻抗匹配。

二堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管md2和底层晶体管md1；底层晶体管md1的源极接地，其栅极与微带线tl4的一端连接，微带线tl4的另一端为二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；顶层晶体管md2的漏极为二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端分别与电阻r3的一端以及接地电容c7连接，电阻r3的另一端分别与电阻r4的一端以及接地电阻r5连接，电阻r4的另一端与漏极供电偏置网络连接；底层晶体管md1的漏极和顶层晶体管md2的源极之间通过微带线tl5连接，顶层晶体管md2的源极与微带线tl5的连接节点还与微带线tl6的一端连接，微带线tl6的另一端与接地电容c6连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用的二堆叠放大网络，可以帮助现有高效率开关功率放大器提升功率容量和功率增益。并且本发明采用的二堆叠自偏置功率放大网络加入了自偏置结构，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。微带线tl6及接地电容c6用于实现高效率e类堆叠功率放大器在晶体管堆叠间的漏极电压波形整形，使得放大器开关从“on”到“off”的瞬间，漏极电压近似为零；从“off”到“on”的瞬间，漏极电压波形的斜率近似为零。

栅极供电偏置网络包括微带线tl3，微带线tl3的一端与二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，其另一端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端分别与接地电容c4、接地电容c5以及低压偏置电源vg连接。

上述进一步方案的有益效果是：栅极供电偏置网络能够对二堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管md1起到良好的栅极供电及偏置作用。

高效谐波控制e类输出匹配网络包括依次串联的微带线tl7、电容c10、微带线tl9、微带线tl12和微带线tl15，微带线tl7未连接电容c10的一端为高效谐波控制e类输出匹配网络的输入端，微带线tl15未连接微带线tl12的一端为高效谐波控制e类输出匹配网络的输出端；微带线tl7与电容c10的连接节点还与漏极供电偏置网络连接，电容c10和微带线tl9的连接节点还连接有接地微带线tl8，微带线tl9和微带线tl12的连接节点还连接有开路微带线tl10和开路微带线tl11，微带线tl12和微带线tl15的连接节点还连接有开路微带线tl13和开路微带线tl14。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的基于精确谐波控制高效率e类匹配架构可以使得电路实现近似于e类工作状态的“on”与“off”之间的波形整形，从而实现高功率及高效率指标，并且电路尺寸较小。

漏极供电偏置网络包括微带线tl16，微带线tl16的一端连接于微带线tl7和电容c10的连接节点，其另一端分别与接地电容c8、接地电容c9、电阻r4以及高压偏置电源vd连接。

上述进一步方案的有益效果是：漏极供电偏置网络能够对二堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管md2起到良好的漏极供电及偏置作用。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种基于精确谐波控制的高效率e类堆叠功率放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的一种基于精确谐波控制的高效率e类堆叠功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于精确谐波控制的高效率e类堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入基波匹配网络、二堆叠自偏置功率放大网络、高效谐波控制e类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波匹配网络的输入端为整个高效率e类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；高效谐波控制e类输出匹配网络的输出端为整个高效率e类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，漏极供电偏置网络分别与二堆叠自偏置功率放大网络以及高效谐波控制e类输出匹配网络连接。

如图2所示，输入基波匹配网络包括微带线tl1，微带线tl1的一端为输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线tl2的一端以及接地电容c1连接，微带线tl2的另一端分别与电容c3的一端以及接地电容c2连接，电容c3的另一端为输入基波匹配网络的输出端。

二堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管md2和底层晶体管md1；底层晶体管md1的源极接地，其栅极与微带线tl4的一端连接，微带线tl4的另一端为二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；顶层晶体管md2的漏极为二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，其栅极与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端分别与电阻r3的一端以及接地电容c7连接，电阻r3的另一端分别与电阻r4的一端以及接地电阻r5连接，电阻r4的另一端与漏极供电偏置网络连接；底层晶体管md1的漏极和顶层晶体管md2的源极之间通过微带线tl5连接，顶层晶体管md2的源极与微带线tl5的连接节点还与微带线tl6的一端连接，微带线tl6的另一端与接地电容c6连接。

栅极供电偏置网络包括微带线tl3，微带线tl3的一端与二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接，其另一端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端分别与接地电容c4、接地电容c5以及低压偏置电源vg连接。

高效谐波控制e类输出匹配网络包括依次串联的微带线tl7、电容c10、微带线tl9、微带线tl12和微带线tl15，微带线tl7未连接电容c10的一端为高效谐波控制e类输出匹配网络的输入端，微带线tl15未连接微带线tl12的一端为高效谐波控制e类输出匹配网络的输出端；微带线tl7与电容c10的连接节点还与漏极供电偏置网络连接，电容c10和微带线tl9的连接节点还连接有接地微带线tl8，微带线tl9和微带线tl12的连接节点还连接有开路微带线tl10和开路微带线tl11，微带线tl12和微带线tl15的连接节点还连接有开路微带线tl13和开路微带线tl14。

漏极供电偏置网络包括微带线tl16，微带线tl16的一端连接于微带线tl7和电容c10的连接节点，其另一端分别与接地电容c8、接地电容c9、电阻r4以及高压偏置电源vd连接。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入基波信号通过输入端in进入高效率e类堆叠功率放大器的输入基波匹配网络，经输入基波匹配网络进行阻抗匹配后进入二堆叠自偏置功率放大网络。

二堆叠自偏置功率放大网络采用了按照源极-漏极相连堆叠构成的晶体管结构对输入信号进行放大，能够有效提升高效率e类堆叠功率放大器的功率容量和功率增益。同时在二堆叠自偏置功率放大网络中，由电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和电容c7共同构成了自偏置结构，因此二堆叠自偏置功率放大网络不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。此外，微带线tl6及接地电容c6用于实现高效率e类堆叠功率放大器在晶体管堆叠间的漏极电压波形整形，使得放大器开关从“on”到“off”的瞬间，漏极电压近似为零；从“off”到“on”的瞬间，漏极电压波形的斜率近似为零。

经二堆叠自偏置功率放大网络放大后的信号进入高效谐波控制e类输出匹配网络进行阻抗匹配后，最终形成射频输出信号到达输出端out。高效谐波控制e类输出匹配网络中，由微带线tl9～tl15共同构成了基于精确谐波控制的高效率e类匹配架构，可以使得电路实现近似于e类工作状态的“on”与“off”之间的波形整形，从而实现高功率及高效率指标，并且电路尺寸较小。

此外，栅极供电偏置网络能够对二堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管md1起到良好的栅极供电及偏置作用；漏极供电偏置网络能够对二堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管md2起到良好的漏极供电及偏置作用。

本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现在电路小型化条件下的高效率、高增益、高功率输出能力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。