推挽式E类放大器的制作方法

推挽式e类放大器
技术领域
1.本发明涉及推挽式e类放大器。此外，本发明涉及一种包括这种推挽式固态放大器的设备，该设备用于工业、科学和医学应用例如rf加热、干燥和除霜、以及磁共振成像。这种设备可以例如结合在等离子体产生设备、激光系统和粒子加速器中。


背景技术：

2.推挽式放大器通常包括具有第一输入端和第一输出端的第一放大单元，以及具有第二输入端和第二输出端的第二放大单元。第一放大单元和第二放大单元以相对于彼此180度的相位偏移来驱动。为此，在放大器的输入端接收的信号以180度的相位差被分配到第一输入端和第二输入端。通常，放大器的输入是不平衡的，且平衡-不平衡变换器可用于将不平衡的输入信号变换成平衡信号，平衡信号被馈送到第一输入端和第二输入端。
3.e类放大器是其晶体管用作开关的放大器。图1示出了e类放大器的工作原理。在该图中，场效应晶体管(fet)fet1的漏极连接到射频(rf)扼流圈lch，通过扼流圈lch提供直流(dc)偏置电压vdd。此外，漏极连接到并联电容器cd和负载r
l
。
4.fet1的栅极被驱动，使得fet1完全打开(如右下图所示)，或者完全闭合(如左下图所示)。当闭合时，电流ids流过lch和fet1。此时，cd上的电压优选地尽可能低。当fet1打开时，所存储的磁能通过流经cd和r
l
的电流ids从lch被释放。当fet1再次闭合时，cd上的电压优选地非常低，且可以重复该循环。当以这种方式操作时，可以限制流经fet1的电流和大于0v的漏极-源极电压之间的时间重叠，从而降低fet1内部的功耗并提高效率。
5.推挽式e类放大器在本领域中是已知的。其示例在图2中示出。在该图中，放大器包括输入变压器t0，通过输入变压器t0，在输入端处接收的不平衡信号vi作为平衡信号分布在场效应晶体管fet1的输入端和fet2的输入端上，其中，信号vi被提供为栅极-源极电压v
gs1
和v
gs2
。此处，晶体管fet1的源极和fet2的源极在节点a处进行连接。晶体管fet1的漏极和fet2的漏极连接到在节点b处彼此连接的电容器cd。代替两个电容器cd接地，同样可以使用布置在fet1的漏极和fet2的漏极之间的单个电容器。在图2中，fet1和fet2的漏极-源极电压分别表示为v
ds1
和v
ds2
。
6.每个场效应晶体管fet1的漏极和fet2的漏极连接到变压器t1的初级侧的一部分。变压器t1的次级侧经由电容器c和电感器l的串联谐振电路连接到负载r
l
。后面的这个谐振电路被配置为在放大器的工作频率范围内的频率下进行谐振。该电路可用于抑制较高的谐波。
7.晶体管fet1和fet2使用电压源v1通过扼流电感器rfc来馈送，扼流电感器rfc连接到变压器t1的初级侧上的虚拟接地点。还应注意，节点a和节点b也用作虚拟地，连接到节点c处的物理地。
8.图2的放大器可以在包括介电层的印刷电路板上实现。更具体地，可使用四分之一波长的平衡-不平衡变换器来实现变压器t1。在这种情况下，可使用具有连接到fet1的输出端例如漏极的第一端部的第一线段和具有连接到fet2的输出端的第一端部的第二线段，来
形成变压器t1的初级侧。然后，第一线段的第二端部和第二线段的第二端部彼此连接。第一线段和第二线段可形成环路，且可以布置在印刷电路板的介电层的第一侧上。第一线段和第二线段可与电容器cd一起形成e类匹配网络的一部分。
9.变压器t1的次级侧可使用第三线段来形成，该第三线段布置在介电层的与第一侧相对的一侧上。第三线段的第一端部可以接地，第三线段的第二端部可直接连接到负载r
l
，或通过阻抗匹配和/或谐波滤波级来连接到负载r
l
。第三线段可形成包括m匝的第二环路。此外，第一线段、第二线段和第三线段可使用耦接的传输线来形成。
10.在四分之一波长平衡-不平衡变换器中，第三线段的长度对应于在放大器的工作频率范围内的频率下的四分之一波长。此外，第一线段的长度和第二线段的长度各自对应于在放大器的工作频率范围内的频率下除以m的波长的八分之一。
11.当在相对较低的频率(即，小于200mhz)下以高输出功率(即，大于500w)工作时，由于可在第一线段和第二线段中流动的电流过高，因此第一线段和第二线段不能太窄。此外，在这些条件下，晶体管fet1和fet2的输出阻抗将相对较低。为了向负载r
l
提供可接受的阻抗匹配，第三线段优选地包括尽可能多的匝数。然而，对于大多数放大器而言，用于这些匝数的空间有限，因此只能使用2匝或3匝。


技术实现要素：

12.本发明的一个目的是提供一种上述类型的放大器，其中，对于给定的放大器物理尺寸，可产生更多的输出功率。
13.根据本发明，使用根据权利要求1所限定的放大器来实现该目的。该放大器包括印刷电路板，印刷电路板包括第一介电层和第二介电层。本发明的放大器与图2所示的放大器在使用四分之一波长平衡-不平衡变换器来实现时的不同之处在于：第三线段布置在第一介电层和第二介电层之间。此外，放大器还包括第四线段，第四线段布置在背对第一介电层的一侧上的第二介电层上，并具有第一端部和第二端部。第四线段形成包括n匝的第三环路。第四线段的第一端部通过延伸穿过第二介电层的通孔连接到第三线段的第二端部，且第四线段的第二端部连接到放大器的输出端。
14.通过使用耦接的传输线而形成第三线段和第四线段。应注意，由于第三线段的屏蔽，使得第四线段与第一线段和第二线段仅具有非常弱的耦合。对于第一线段、第二线段、第三线段和第四线段，可以使用微带线技术或带状线技术。
15.根据本发明，第三线段和第四线段的组合长度等于在放大器的工作频率范围内的频率下的四分之一波长。第一线段的长度和第二线段的长度各自对应于在放大器的工作频率范围内的频率下除以(n+m)的波长的八分之一。
16.申请人发现，尽管通过第三线段进行屏蔽，但是添加第四线段提供了显著的优点。更具体地，第四线段的添加使得可以缩短第一线段和第二线段的长度。这使得较高的电容值能够用于电容器cd，从而导致较高的输出功率。
17.在一个实施方案中，至少m或n可以大于1。例如，m和n都可以等于2。
18.第一线段和第二线段可以占据第一介电层上的第一环形表面区域。第三线段和第四线段可以分别占据第二环形表面区域和第三环形表面区域，当第二环形表面区域和第三环形表面区域沿着垂直于印刷电路板的方向投射到第一表面区域上时，第二环形表面区域
和第三环形表面区域基本上落在第一表面区域内。例如，第一线段和第二线段可以形成圆环，圆环具有相对于环中心的内半径和外半径。第三线段和第四线段各自可以包括围绕相应的中心延伸的一个或多个匝，该相应的中心沿着横向方向与由第一线段和第二线段形成的环的中心对准。第三线段和第四线段的一个或多个匝在由上述内半径和外半径相对于相应的中心所限定的区域中延伸。第一环形区域、第二环形区域和第三环形区域中的每一个的内周和/或外周可以具有正方形形状、矩形形状、圆形形状或椭圆形形状。
19.例如，推挽式e类放大器可以进一步包括：第一接地贴片，第一环路围绕第一接地贴片延伸；第二接地贴片，第二环路围绕第二接地贴片延伸；和第三接地贴片，第三环路围绕第三接地贴片延伸，第一接地贴片的表面积、第二接地贴片的表面积和第三接地贴片的表面积基本上相同，且通过使用延伸穿过第一介电层和/或第二介电层的一个或多个通孔，使第一接地贴片、第二接地贴片和第三接地贴片进行电连接。通常，第一接地贴片、第二接地贴片和第三接地贴片沿着横向方向对准。
20.推挽式e类放大器可以进一步包括围绕第一环路的第一接地周围区域、围绕第二环路的第二接地周围区域、以及围绕第三环路的第三接地周围区域。通过使用延伸穿过第一介电层和/或第二介电层的一个或多个通孔，使第一接地周围区域、第二接地周围区域和第三接地周围区域彼此进行电连接。
21.第三线段的第一端部可以物理地和电地连接到第二接地周围区域。
22.推挽式e类放大器可以进一步包括：一个或多个电隔离热桥，每个热桥将第一线段或第二线段连接到第一接地贴片或第一接地周围区域。这些热桥可以例如使用合适的陶瓷材料例如氮化铝或氧化铍来实现，并使得承载最大电流的第一线段和第二线段能够被充分冷却。
23.第三线段的一个或多个匝可沿着与第四线段的一个或多个匝围绕第三接地贴片行进的方向相同的方向，围绕第二接地贴片行进。
24.第一放大单元和第二放大单元各自可以包括在封装中，该封装包括一对不同的且间隔开的连接端子，所述连接端子在封装的内部分别连接到第一输出端和第二输出端。该封装可安装在第一介电层上。连接端子可实现为引线的形式。
25.封装可包括第一功率晶体管和第二功率晶体管，第一功率晶体管和第二功率晶体管中的每一个为硅基横向扩散金属氧化物半导体(ldmos)晶体管、垂直双扩散金属氧化物半导体(vdmos)晶体管、或氮化镓(gan)基场效应晶体管(fet)。
26.第一线段和第二线段可以在使第一线段和第二线段进行连接的点处或在该点附近电容性地耦接到地。以这种方式，使第一线段和第二线段进行连接的点可以射频(rf)短接到地，而无需引入接到地的dc路径。
27.第一线段和第二线段中的每一个可连接到相应的偏置网络，偏置网络用于分别向第一放大单元和第二放大单元提供dc电流，其中，偏置网络是e类匹配网络的一部分。替代地，可使用单个偏置网络来同时对第一放大单元和第二放大单元进行偏置。这种偏置网络可被配置为在使第一线段和第二线段进行连接的点处或在该点附近，或者在另一个虚拟接地点(例如，如图2的节点a或b所指示的)处或在另一个虚拟接地点附近提供dc电流。
28.工作频率范围可以在1mhz到200mhz的范围内。此外，所输出的信号的功率可以在100w到10k w的范围内。
29.根据第二方面，本发明涉及一种平衡-不平衡变换器，平衡-不平衡变换器用于将在第一平衡端子和第二平衡端子处接收的平衡信号变换成在不平衡端子处输出的不平衡信号。平衡-不平衡变换器包括具有第一介电层和第二介电层的印刷电路板。平衡-不平衡变换器进一步包括：具有第一端部和第二端部的第一线段，第一线段的第一端部耦接到第一平衡端子；以及具有第一端部和第二端部的第二线段，第二线段的第一端部耦接到第二平衡端子。第一线段的第二端部和第二线段的第二端部彼此连接，且第一线段和第二线段布置在第一介电层上。此外，第一线段和第二线段形成第一环路。
30.平衡-不平衡变换器进一步包括第三线段，第三线段布置在第一介电层和第二介电层之间并具有第一端部和第二端部，其中，该第一端部接地。第三线段形成包括m匝的第二环路。此外，平衡-不平衡变换器包括第四线段，第四线段布置在背对第一介电层的一侧上的第二介电层上，并具有第一端部和第二端部，第四线段的第一端部通过延伸穿过第二介电层的通孔而连接到第三线段的第二端部，且第四线段的第二端部连接到不平衡端子。第四线段形成包括n匝的第三环路。
31.第三线段和第四线段的组合长度对应于在平衡-不平衡变换器的工作频率范围内的频率下的四分之一波长。第一线段的长度和第二线段的长度各自对应于在放大器的工作频率范围内的频率下除以(n+m)的波长的八分之一。此外，第一线段、第二线段和第三线段通过使用耦接的传输线而形成，且第三线段和第四线段通过使用耦接的传输线而形成。
32.根据第三方面，本发明提供一种电子设备，电子设备包括上述推挽式e类放大器或平衡-不平衡变换器。
附图说明
33.接下来，将通过参考附图更详细地描述本发明，其中：
34.图1示出了已知的e类放大器的工作原理；
35.图2示出了已知的推挽式e类放大器；
36.图3示出了根据本发明的推挽式e类放大器的实施例；
37.图4示出了图3的放大器的电等效电路；
38.图5示出了图3的放大器中使用的印刷电路板的第二金属层；和
39.图6示出了图3的放大器中使用的印刷电路板的第三金属层。
具体实施方式
40.图3示出了根据本发明的推挽式e类放大器的实施例。该放大器的电等效物在图4中示出。
41.在图3中，示出了封装100，封装100中布置有两个横向扩散金属氧化物半导体(ldmos)功率晶体管fet1和fet2，但是同样可以使用氮化镓基场效应晶体管(gan fet)、垂直双扩散金属氧化物半导体(vdmos)晶体管或其组合。图4示出了封装100的等效电路。
42.每个晶体管具有其自身的输出引线101a、101b和输入引线102a、102b，这些引线连接到印刷电路板150的第一介电层上的金属层。上部晶体管连接到第一线段w1a，而下部晶体管连接到第二线段w1b。这些线段形成围绕接地贴片104的第一环路。除了接地贴片104之外，还设置有接地周围区域105。使线段w1a、w1b物理连接的点，使用电容器c15、c16、c17进
行rf短路连接。此外，设置有热桥qb1-qb8以确保在操作期间对线段w1a、w1b的适当冷却。
43.来自图2的电容器cd通过使用电容器c7和c10来实现。偏置网络b1和b2用于向功率晶体管的输出端提供dc功率。此处，偏置网络b1包括电阻器r6和r7、电感器l5和l7以及电容器c5、c8、c11和c13。类似地，偏置网络b2包括电阻器r5和r8、电感器l6和l8以及电容器c6、c9、c12和c14。
44.在输入端处设置有类似的偏置网络b3和b4。此处，偏置网络b3包括电阻器r1和r2、电感器l3以及电容器c1和c3。类似地，偏置网络b4包括电阻器r3和r4、电感器l4以及电容器c2和c4。
45.变压器网络t3用于将在输入端rf in处接收的不平衡信号变换成平衡信号，以馈送到封装100内部的功率晶体管。
46.图5和图6示出了印刷电路板150的内部金属层。在图5中，示出了第三线段w2，第三线段w2在一个端部111处连接到接地周围区域112。另一端部113通过使用多个通孔114而连接到图6中所示的第四线段w3。第三线段w2围绕中心接地贴片115形成为两匝，中心接地贴片115与接地贴片104对准，并通过使用多个通孔116电连接到接地贴片104和接地贴片124。如图所示，由第三线段w2占据的区域大致对应于由第一线段w1a和第二线段w1b占据的区域。如图6所示，对第四线段w3的设置也是如此。第四线段w3的端部121连接到第三线段w2的端部113，以及第四线段w3的另一端部122通过使用延伸穿过第一介电层和第二介电层的多个通孔123而连接到放大器的输出端rf out。第四线段w3围绕中心接地贴片124形成为两匝，该中心接地贴片通过使用通孔116而电连接到贴片115和104。
47.如图5中所看到的，当从端部111开始时，第三线段w2和第四线段w3均围绕各自的接地贴片115和124顺时针行进。
48.通过在第四线段w3中使用附加匝，减小线段w1a和w1b的长度。使得可以选择在放大单元的输出端之间布置一个或多个更大的电容。进而对于给定的vdd，这将增加放大器可以输出的功率，同时减小放大器的物理尺寸。
49.在上文中，已使用本发明的详细实施例来对本发明进行解释。然而，本发明不限于这些实施例。相反，在不脱离由所附的权利要求及其等同物描述的本发明的范围的情况下，可进行不同的修改。
50.例如，尽管本文的实施例以第三线段和第四线段为特征，但是本发明同样涉及在不同的金属层中实现更多线段的实施例。