一种基于精确谐波控制的高效率双频F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双频f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双频带甚至多频模式、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双频带工作模式下、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，主要体现在双频带工作模式、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，但是双频过驱动开关功率放大器的实现一直是电路实现的技术瓶颈。

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，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；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，这些控制和条件都大大限制了放大器工作方式，尤其限制了双频带的设计应用。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：

本发明的目的是为了提出一种基于精确谐波控制的高效率双频f类堆叠功率放大器，利用自偏置晶体管堆叠技术以及双频f类匹配技术，实现双频带工作模式下高效率、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双频f类堆叠功率放大器，包括双频输入基波匹配网络、二堆叠自偏置功率放大网络、双频f类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；双频输入基波匹配网络的输入端为整个高效率双频f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；双频f类输出匹配网络的输出端为整个高效率双频f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双频输入基波匹配网络连接，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双频f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，并结合了双频f类输出匹配网络，使得电路具有双频带工作模式下的高效率、高增益、高功率输出能力。

双频输入基波匹配网络包括微带线tl1，微带线tl1的一端为双频输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线tl2的一端以及微带线tl4的一端连接，微带线tl2的另一端与开路微带线tl3连接，微带线tl4的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端分别与微带线tl7的一端以及开路微带线tl5连接，并作为双频输入基波匹配网络的输出端，微带线tl7的另一端分别与开路微带线tl6以及栅极供电偏置网络连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的双频输入基波匹配网络能够实现对射频输入的基波信号在两个频点进行阻抗匹配。

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tl9的一端连接，微带线tl9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c4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tl10连接，顶层晶体管md2的源极与微带线tl10的连接节点还与微带线tl11的一端连接，微带线tl11的另一端与接地电容c3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tl11及接地电容c3用于实现高效率双频f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tl8，微带线tl8的一端与微带线tl7连接，其另一端分别与电阻r1的一端、扇形开路线stub1以及接地电容c2连接，电阻r1的另一端与低压偏置电源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。

双频f类输出匹配网络包括依次串联的微带线tl12、微带线tl15、微带线tl18、微带线tl23、微带线tl26以及电容c10，微带线tl12未连接微带线tl15的一端为双频f类输出匹配网络的输入端，电容c10未连接微带线tl26的一端为双频f类输出匹配网络的输出端；微带线tl12和微带线tl15的连接节点还与第一lrc谐振电路连接，微带线tl15和微带线tl18的连接节点还与第二lrc谐振电路连接，微带线tl18和微带线tl23的连接节点还与微带线tl19的一端连接，微带线tl19的另一端分别与第三lrc谐振电路以及漏极供电偏置网络连接，微带线tl23和微带线tl26的连接节点还与第四lrc谐振电路连接；第一lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl13、第一rc并联谐振单元和开路微带线tl14，微带线tl13连接于微带线tl12和微带线tl15的连接节点，第一rc并联谐振单元包括并联的电阻r6和电容c5；第二lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl16、第二rc并联谐振单元和开路微带线tl17，微带线tl16连接于微带线tl15和微带线tl18的连接节点，第二rc并联谐振单元包括并联的电阻r7和电容c6；第三lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl20、第三rc并联谐振单元和开路微带线tl21，微带线tl20与微带线tl19连接，第三rc并联谐振单元包括并联的电阻r8和电容c7；第四lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl24、第四rc并联谐振单元和开路微带线tl25，微带线tl24连接于微带线tl23和微带线tl26的连接节点，第四rc并联谐振单元包括并联的电阻r9和电容c9。

上述进一步方案的有益效果是：现有的开关功率放大器的输出网络往往是针对单频点窄带的输出阻抗进行独立控制的，而本发明所提出的双频f类输出匹配网络采用双频f类匹配架构，使得电路可以在两个频点实现f类功率放大器二次谐波短路，三次谐波开路的输出阻抗，从而实现双频的高效率指标。

漏极供电偏置网络包括微带线tl22，微带线tl22的一端与微带线tl19连接，其另一端分别与电阻r4、扇形开路线stub2、接地电容c8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双频f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双频f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双频f类堆叠功率放大器，如图1所示，包括双频输入基波匹配网络、二堆叠自偏置功率放大网络、双频f类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；双频输入基波匹配网络的输入端为整个高效率双频f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；双频f类输出匹配网络的输出端为整个高效率双频f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双频输入基波匹配网络连接，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双频f类输出匹配网络连接。

如图2所示，双频输入基波匹配网络包括微带线tl1，微带线tl1的一端为双频输入基波匹配网络的输入端，其另一端分别与微带线tl2的一端以及微带线tl4的一端连接，微带线tl2的另一端与开路微带线tl3连接，微带线tl4的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端分别与微带线tl7的一端以及开路微带线tl5连接，并作为双频输入基波匹配网络的输出端，微带线tl7的另一端分别与开路微带线tl6以及栅极供电偏置网络连接。

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tl9的一端连接，微带线tl9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c4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tl10连接，顶层晶体管md2的源极与微带线tl10的连接节点还与微带线tl11的一端连接，微带线tl11的另一端与接地电容c3连接。

栅极供电偏置网络包括微带线tl8，微带线tl8的一端与微带线tl7连接，其另一端分别与电阻r1的一端、扇形开路线stub1以及接地电容c2连接，电阻r1的另一端与低压偏置电源vg连接。

双频f类输出匹配网络包括依次串联的微带线tl12、微带线tl15、微带线tl18、微带线tl23、微带线tl26以及电容c10，微带线tl12未连接微带线tl15的一端为双频f类输出匹配网络的输入端，电容c10未连接微带线tl26的一端为双频f类输出匹配网络的输出端；微带线tl12和微带线tl15的连接节点还与第一lrc谐振电路连接，微带线tl15和微带线tl18的连接节点还与第二lrc谐振电路连接，微带线tl18和微带线tl23的连接节点还与微带线tl19的一端连接，微带线tl19的另一端分别与第三lrc谐振电路以及漏极供电偏置网络连接，微带线tl23和微带线tl26的连接节点还与第四lrc谐振电路连接。

第一lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl13、第一rc并联谐振单元和开路微带线tl14，微带线tl13连接于微带线tl12和微带线tl15的连接节点，第一rc并联谐振单元包括并联的电阻r6和电容c5；第二lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl16、第二rc并联谐振单元和开路微带线tl17，微带线tl16连接于微带线tl15和微带线tl18的连接节点，第二rc并联谐振单元包括并联的电阻r7和电容c6；第三lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl20、第三rc并联谐振单元和开路微带线tl21，微带线tl20与微带线tl19连接，第三rc并联谐振单元包括并联的电阻r8和电容c7；第四lrc谐振电路包括依次串联的微带线tl24、第四rc并联谐振单元和开路微带线tl25，微带线tl24连接于微带线tl23和微带线tl26的连接节点，第四rc并联谐振单元包括并联的电阻r9和电容c9。

漏极供电偏置网络包括微带线tl22，微带线tl22的一端与微带线tl19连接，其另一端分别与电阻r4、扇形开路线stub2、接地电容c8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进入高效率双频f类堆叠功率放大器的双频输入基波匹配网络，经双频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。双频输入基波匹配网络中，由微带线tl1～tl4构成的匹配枝节能够实现对低频频点的基波信号进行阻抗匹配与控制，由微带线tl5～tl7构成的匹配枝节能够实现对高频频点的基波信号进行阻抗匹配与控制，从而使得双频输入基波匹配网络可以在两个频点实现基波信号的阻抗匹配。

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双频f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c4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tl11及接地电容c3用于实现高效率双频f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双频f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。双频f类输出匹配网络采用双频f类匹配架构，使得电路可以在两个频点实现f类功率放大器二次谐波短路，三次谐波开路的输出阻抗，从而实现双频的高效率指标。具体来说，第一lrc谐振电路和第二lrc谐振电路分别控制两个频点的三次谐波阻抗，使得三次谐波开路，第三lrc谐振电路控制两个频点的二次谐波阻抗，使得二次谐波短路，第四lrc谐振电路控制两个频点的基波输出阻抗(一次阻抗)。

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。此外，栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络中分别采用扇形开路线stub1和扇形开路线stub2代替开路微带线作为匹配枝节，带宽更宽，去耦效应更好。

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，实现在双频带工作模式下的高增益、高功率、高效率和良好的输入输出匹配特性、芯片面积小且成本低。

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。