专利名称：基于3/4螺旋虚地结构逆f类功率放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种用于设计逆F类功率放大器的方法，特别涉及一种基于3/4螺 旋虚地结构(3/4Spiral Defected Ground Structure)的高效率逆F类功率放大器的设计。
背景技术：
无线通讯技术的飞速发展对通讯系统的性能指标提出了更高的要求，功率放大器 作为无线通讯发射系统中重要组成部分，也是实现难度最大，价格最昂贵的部分，其性能的 好坏对于系统的数据传输速率、覆盖范围、频谱利用率以及带外谱杂散等指标都有很大影 响。随着基于现代无线通讯网络的应用(WCDMA、WLAN、WiMAX等)，高速率的无线数据 传输提高了信号的峰均比，这就要求功率放大器必须回退到线性区以达到提高线性度的目 的，但是功率输出点的回退意味着功率放大器工作效率的降低，所以提高功放的工作效率 对于未来无线通讯的发展有着很重要的意义。高效率放大器已经逐渐成为射频通信系统研究领域中的重点，研究人员提出了很 多新的技术和结构以提高功放效率，例如Doherty放大器、E类、F类、S类功率放大器等。 逆F类功率放大器是一种基于谐波控制电路的高效率放大器，通过谐波控制电路将功放输 出的偶次谐波开路、奇次谐波短路，改变漏极电压和电流的波形，理论上可以达到100%漏 极效率。相比较其他类型的高效率放大器，逆F类放大器具有体积小，效率高，应用频带宽 等优势。
发明内容技术问题本实用新型的目的在于提供一种基于3/4螺旋虚地结构的高效逆F类 功率放大器的设计方法。此方法利用插入3/4螺旋虚地结构微带线具有的独特的滤波特性 设计谐波控制电路，这种谐波控制电路解决了传统的集总元件谐波控制电路低Q值低工作 频率的缺点，并且避免了传统微带谐波控制电路面积大、设计复杂的缺点，用这种谐波控制 电路设计出的逆F类功率放大器具有面积小、工作效率高、成本低以及设计简单等优点。技术方案本实用新型基于3/4螺旋虚地结构设计逆F类功率放大器，技术方案主 要分为以下几个步骤1)确定功率放大器的工作频点，由此得到谐波控制电路的谐波频点。2)根据设计中需要的谐波频点，改变3/4螺旋结构的尺寸，设计出相应的谐波控 制电路。3)将谐波控制电路插入功放管的输出端，然后设计功放的输入输出匹配电路。4)测量设计出的功率放大器，调整调谐线的长度，以达到最大工作效率。步骤(b)所述一种3/4螺旋虚地结构，是将传统的螺旋虚地结构切去1/4，这样不 但可以缩减其面积，而且能够更加方便的调节其谐振频率。步骤(b)所述的谐波控制电路，利用插入3/4螺旋虚地结构微带线的频率响应特性，缩短相同电长度下微带线的尺寸，简化谐波控制电路的结构，降低电路的插入损耗。所述的谐波控制电路，在功放下面加入金属散热底座，为了不影响虚地结构的频 率特性，本设计通过电磁仿真确定金属板上空腔的尺寸，达到既不影响谐波控制电路性能 也不影响功放散热的目的。步骤(c)所述的设计功放输入匹配电路，在功放管的栅极与输入匹配电路之间插 入1/8波长短截线，将二次谐波短路，消除输入信号失真对功率放大器性能产生的影响。步骤(d)所述的使功放效率最大化的过程中，在谐波控制电路中加入调谐线，通 过改变其长度，消除功放管源漏极寄生电容对谐波控制电路性能的影响，提高功放的效率。一种基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，包括在微带线上顺次连接的输 入匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路。所述谐波控制电路包括设在所述微 带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成；所述3/4螺 旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构，其中一部分螺旋结构是，一根地线分为依此连接的a h八段，它们都与所述微带 线平行，设地线宽为χ ；在a段的一侧，由内向外依此平行设置b、c、f和g段；在a段的另一 侧，由内向外依此平行设置d、e和h段；各段的间隔大于χ ；由h段与另一部分螺旋结构中 与h段轴对称的相应段连接。所述螺旋结构中，各段地线的连接线与所述微带线垂直。所述微带线上，在功放电路前端并联接有1/8波长短截线。所述谐波控制电路包括设在所述微带线上的调谐线，该调谐线设在所述3/4螺旋 虚地结构的前端。所述微波电路是布设在微波板材上的；所述功放电路下设有金属散热底座；在金 属散热底座上，与所述3/4螺旋虚地结构对应处设有空腔。有益效果1)本实用新型逆F类功率放大器中，使用3/4螺旋虚地结构设计谐波控制电路。 传统的螺旋虚地结构有对称螺旋和非对称螺旋两种。对称螺旋结构面积大，非对称螺旋结 构设计复杂，这两种结构都很难分别调整两个谐振频点。相比传统结构，3/4螺旋虚地结构 的面积更小，两个谐振频率点可以分别调整，使设计更加简化，节约了制版成本。2)通常应用在逆F类功率放大器中的谐波控制电路分为两种集总元件控制电路 和微带线结构控制电路。集总元件设计的谐波控制电路受到工作频率和元件Q值的限制， 无法在高频处提供良好的滤波性能。微带线结构的控制电路面积大且设计复杂，影响了功 率放大器在通讯系统中的应用。本实用新型中采用的3/4螺旋虚地结构结合微带线设计的 谐波控制电路具有工作频率高，功率损耗小以及面积小的优点。3)传统逆F类功率放大器的谐波控制电路中，只能将2次谐波开路，本实用新型中 的谐波控制电路利用3/4螺旋结构的滤波特性，在不增加设计复杂度和功率损耗的前提下 将2次、4次谐波开路，很好的提高了功率放大器的工作效率和输出功率。4)本实用新型的功率放大器中，在功放管的输入端加入了八分之一波长短截线， 将二次谐波短路，消除了输入信号失真对功率放大器性能产生的影响。相比传统的逆F类 功率放大器，本实用新型中的逆F类功率放大器具有更高的工作效率。5)本实用新型在功放管的谐波控制电路中加入了调谐线，用以消除功放管源漏极寄生电容对谐波控制电路性能的影响，有效的提高了功率放大器的工作效率。
图1为3/4螺旋虚地结构示意图图2为本例的3/4螺旋结构微带线的示意图，图中将螺旋结构的尺寸用字母标出； 1是3/4螺旋虚地结构，2是微带线。图3为3/4螺旋结构微带线的频率响应特性的仿真实测对比图。图4是本实用新型中设计的3/4螺旋虚地结构谐波控制电路的示意框图。图5是3/4螺旋虚地结构谐波控制电路的频率响应及输入阻抗。图6是实例中的逆F类功率放大器的测试输入输出结果图。图7是实例中的逆F类功率放大器的测试功率附加效率结果图
具体实施方式
以下结合附图说明，对本实用新型的方案进行详细说明，具体步骤如下参考图1，3，一种基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，包括在微带线上顺 次连接的输入匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路。所述谐波控制电路包括 设在所述微带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成； 所述3/4螺旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构，其中一部分螺旋结构是，一根地线分为依此连接的a h八段，它们都与所述微带 线平行，设地线宽为χ ；在a段的一侧，由内向外依此平行设置b、c、f和g段；在a段的另一 侧，由内向外依此平行设置d、e和h段；各段的间隔大于χ ；由h段与另一部分螺旋结构中 与h段轴对称的相应段连接。所述螺旋结构中，各段地线的连接线与所述微带线垂直。所述微带线上，在功放电路前端并联接有1/8波长短截线。所述谐波控制电路包括设在所述微带线上的调谐线，该调谐线设在所述3/4螺旋 虚地结构的前端。所述微波电路是布设在微波板材上的；所述功放电路下设有金属散热底座；在金 属散热底座上，与所述3/4螺旋虚地结构对应处设有空腔。参考图2 7:1.本例以设计工作在2.4GHz的逆F类功率放大器为例。PCB选用介电常数为 2. 65，厚度为Imm的微波板材，功放管选用Hetero-structure场效应管。由于工作频率为 2. 4GHz,则2、3、4次谐波频率分别为4. 8GHz、7. 2GHz和9. 6GHz。通过ANS0FTHFSS仿真软 件确定3/4螺旋结构的尺寸。本例的3/4螺旋虚地结构如图2所示，其最终尺寸为A = 2. 6mmλ B = L 4mm、C=L 2mm、D = 1mm、E = O. 2mm、F = O. 6mm、G = 3. 2mm、H = 2. 6mm。2.由于设计功率放大器要考虑散热问题，所以在实际应用中，会在功放下面加入 金属散热底座。为了避免金属底座对虚地结构的滤波特性产生影响，必须要在其位置处的 金属底座上挖出一个空腔。通过ANSOFT HFSS仿真软件确定空腔的大小，使金属底座不会 影响虚地结构，同时也不会因为空腔太大，影响散热。最终的空腔尺寸为1.5cm*2cm。3.加工带有3/4螺旋虚地结构的微带线PCB板，实际测量其滤波特性，根据测量结果调整螺旋结构尺寸，使其尽可能在谐波频点有最好的谐波控制效果。图3所示为最终的 仿真和测试结果，从图中可以看到，仿真和测试结果基本吻合，而且在谐波频点拥有很好的 滤波特性。4.使用确定尺寸的3/4螺旋虚地结构设计谐波控制电路，其结构框图如图4所示。 图5是次控制电路的频率响应特性，以及根据此特性计算出来的输入阻抗，从结果中可以 看出，谐波控制电路很好的将2次、4次谐波开路，将3次谐波短路。5.将谐波控制电路加入功放管的输出端，然后设计其输入输出匹配电路。6.制版加工所设计出的逆F类功率放大器，测量其工作效率，调整调谐线长度，使 功放的工作效率最大。图6和图7为功率放大器的性能测试结果。从图中可以看到，在功放的饱和输出 点，其功率附加效率可以达到76%。
权利要求1.一种基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，包括在微带线上顺次连接的输入 匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路，其特征是所述谐波控制电路包括设在 所述微带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成；所述 3/4螺旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构，其中一部分螺旋结构是，一根地线分为依此连接的a h八段，它们都与所述微带线平 行，设地线宽为χ ；在a段的一侧，由内向外依此平行设置b、c、f和g段；在a段的另一侧， 由内向外依此平行设置d、e和h段；各段的间隔大于χ ；由h段与另一部分螺旋结构中与h 段轴对称的相应段连接。
2.根据权利要求1所述基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，其特征是所述螺 旋结构中，各段地线的连接线与所述微带线垂直。
3.根据权利要求1所述基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，其特征是所述微 带线上，在功放电路前端并联接有1/8波长短截线。
4.根据权利要求1所述基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，其特征是所述 谐波控制电路包括设在所述微带线上的调谐线，该调谐线设在所述3/4螺旋虚地结构的前 端。
5.根据权利要求1所述基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，其特征是所述微 波电路是布设在微波板材上的；所述功放电路下设有金属散热底座；在金属散热底座上， 与所述3/4螺旋虚地结构对应处设有空腔。
专利摘要基于3/4螺旋虚地结构逆F类功率放大器，包括在微带线上顺次连接的输入匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路，所述谐波控制电路包括设在所述微带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成；所述3/4螺旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构。
文档编号H03F3/20GK201854245SQ20102063807
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者周健义, 晋石磊, 洪伟 申请人:东南大学