专利名称：一种逆f类功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信功放技术领域，特别是涉及一种逆F类功率放大器。
背景技术：
功率放大器作为无线通信系统的一个重要组成部分，其工作效率直接影响到整个无线通信系统的能耗量级。所以，如何提高功率放大器的工作效率，一直是功放领域的研究执占。逆F类功率放大器作为开关功放的一种，其包括依次相连的晶体管、谐波控制电路、基波阻抗匹配电路。其借助谐波控制电路，对晶体管漏极电压和电流的谐波分量进行处理，在晶体管漏极将信号的偶次谐波阻抗匹配到开路状态，并将奇次谐波阻抗匹配到短路状态，以此改变晶体管漏极的电压波形为半正弦波，漏极电流的波形为方波的形式。一般的谐波控制电路可通过借助终端开路或短路的微带枝节来形成对应谐波的短路点，再通过微带的阻抗变换功能，在漏极实现所需要的对奇次谐波阻抗短路，对偶次谐波阻抗开路的形式。理想状态下，通过谐波控制电路的作用，在晶体管漏极测量得到的电流Id和电压1波形之间没有交叠，如图1、图2所示，因而降低了晶体管的能量消耗，功率放大器的工作效率大大得到改善，且在理想状态下，工作效率可以高达100%。但是，在实际的晶体管中，除了理想的晶体管自身特性之外还存在许多寄生分量。 如图3所示的晶体管大信号非线性模型中，在晶体管输出管脚和内部芯片的实际漏极之间，存在着许多寄生分量，例如漏极d和源极s之间的寄生电容Cds，焊盘的寄生电容Cbp， 漏极串联电感Ld等。这些寄生分量的存在，导致在晶体管输出管脚处所观察到的电压波形和电流波形与实际内部芯片漏极的电压波形和电流波形不完全一致。如果直接将谐波控制电路加载在晶体管的输出管脚处，并不能真正实现对漏极处的奇次谐波阻抗短路，偶次谐波阻抗开路，还需要反复调试微带来实现。因此，如何减小寄生分量对谐波控制电路的影响，实现对漏极处的奇次谐波阻抗短路，偶次谐波阻抗开路，从而提升功率放大器工作效率，是一个值得关注的热点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种逆F类功率放大器，以减小寄生分量对谐波控制电路的影响，从而达到提升功率放大器工作效率的目的，技术方案如下—种逆F类功率放大器，包括晶体管、寄生补偿电路、输出端谐波控制电路、输出端基波阻抗匹配电路；所述输出端谐波控制电路，位于晶体管输出管脚和输出端基波阻抗匹配电路之间；所述寄生补偿电路，位于输出端谐波控制电路中；其中，所述寄生补偿电路包括串联相接的至少两段阶梯阻抗微带，且所述阶梯阻抗微带末端形成二至五次谐波频率的短路点和/或开路点。
本发明实施例所提供的技术方案，考虑到晶体管中寄生分量对谐波控制电路的影响，通过在输出端谐波控制电路中增加由串联相接的至少两段阶梯阻抗微带构成的寄生补偿电路，实现对二到五次谐波分量的控制，从而有效减小了寄生分量对谐波控制电路的影响，从而提升功率放大器工作效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为理想逆F类功率放大器漏极电流波形示意图；图2为理想逆F类功率放大器漏极电压波形示意图；图3为逆F类功率放大器中晶体管大信号非线性模型的示意图；图4为本发明实施例所提供的一种逆F类功率放大器的输出端电路结构示意图；图5为本发明实施例所提供的第二种逆F类功率放大器的输出端电路结构示意图；图6为本发明实施例所提供逆F类功率放大器中输入端谐波阻抗控制电路的结构示意图。
具体实施例方式现有的逆F类功率放大器通过谐波控制电路对晶体管的漏极电压和电流的谐波分量进行处理，如图1、图2所示，最终得到的漏极电流波形为方波的形式，漏极电压波形为半正弦波的形式。漏极电流Id波形和电压Vd波形并未交叠，因而降低了晶体管的能量损耗，提升了其工作效率。需要说明的是，要达到这种理想的工作效率，漏极的各次谐波阻抗需要满足以下关系
= %
-Zn=O "为奇数(1)
Zn=OC 为偶数其中，Zopt为基波的最佳阻抗，Zn为第η次谐波阻抗。也就是，在漏极将奇次谐波阻抗匹配到短路状态，将偶次谐波阻抗匹配到开路状态，以合成所需要的漏极电压和电流波形，以达到降低晶体管的能耗，从而提升功率放大器的工作效率的目的。但是，如图3，实际应用中的晶体管中，输出管脚和内部芯片的实际漏极之间存在许多寄生分量，例如漏极d和源极s之间的寄生电容Cds，漏极串联电感Ld等。由于这些寄生分量的存在，在晶体管输出管脚处所观察到电压电流波形与实际内部晶体芯片漏极电压电流波形不完全一致，导致将理想的谐波控制电路直接加载在晶体管的输出端时，不能实现对漏极节点处的奇次谐波阻抗短路、偶次谐波阻抗开路，即最终不能得到理想的电压波形和电流波形。此时，晶体管的能量损耗增加，功率放大器的工作效率降低。本发明实施例提供了一种逆F类功率放大器，其充分考虑了晶体管漏极寄生分量对谐波控制电路的影响，通过增加寄生补偿电路的方式，实现对二到五次谐波分量的控制， 从而使得晶体管的能量损耗降低，功率放大器的工作效率提高。下面对本发明实施例所提供的一种逆F类功率放大器进行介绍。一种逆F类功率放大器，包括晶体管、寄生补偿电路、输出端谐波控制电路、输出端基波阻抗匹配电路；所述输出端谐波控制电路，位于晶体管输出管脚和输出端基波阻抗匹配电路之间；所述寄生补偿电路，位于输出端谐波控制电路中；其中，所述寄生补偿电路包括串联相接的至少两段阶梯阻抗微带，且所述阶梯阻抗微带末端形成二至五次谐波频率的短路点和/或开路点。本发明实施例所提供的技术方案，考虑到晶体管中寄生分量对谐波控制电路的影响，通过在输出端谐波控制电路中增加由串联相接的至少两段阶梯阻抗微带构成的寄生补偿电路，实现对二到五次谐波分量的控制，从而有效减小了寄生分量对谐波控制电路的影响，从而提升功率放大器工作效率。为了使微带结构尺寸更加符合实际功率放大器的设计需求，可以选用紧凑型的阶梯阻抗微带来进行串联，构成输出端谐波控制电路中的寄生补偿电路。更进一步的，由于作为第三代半导体工艺的GaN，具有宽能带间隙特性，使得晶体管可以工作在更高漏极偏置电压下，并获得更大的输出阻抗，使得匹配电路更加易于实现， 所以在进行晶体管的选择时，可以采用GaN HEMT型晶体管。由于晶体管的输入端存在寄生分量，所以为了更好的对谐波进行控制，所述逆F 类功率放大器还包括输入端谐波阻抗控制电路，其位于输入端基波阻抗匹配电路和晶体管输入管脚之间；其中，所述输入端基波阻抗匹配电路为位于逆F类功率放大器的输入端的电路。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。下面对寄生补偿电路由两段微带串联构成的逆F类功率放大器进行详细介绍。可以理解的，构成寄生补偿电路的微带不局限于两段，可根据实际情况，选择两段以上的微带构成寄生补偿电路。如图4所示，本发明实施例所提供的一种逆F类功率放大器，包括晶体管110、输出端谐波控制电路120、输出端基波阻抗匹配电路130，寄生补偿电路 140 ；输出端谐波控制电路120，位于晶体管110的输出管脚和输出端基波阻抗匹配电路130之间；寄生补偿电路140，处于输出端谐波控制电路120中，且由串联相接的微带TL1和 TL3构成；其中，112、114、115为谐波控制电路内，寄生补偿电路之外的微带枝节；S表示谐波阻抗短路，0表示谐波阻抗开路，λ表示基波频率的波长。也就是，2S表示二次谐波阻抗短路、3S表示三次谐波阻抗短路、4S表示四次谐波阻抗短路、5S表示五次谐波阻抗短路；30表示三次谐波阻抗开路、50表示五次谐波阻抗开路。 在晶体管110漏极d到实际输出端A之间的寄生分量中，决定寄生电容大小的主要是漏极d和源极s之间的寄生电容Cds，而串联电感则主要是受到漏极串联电感Ld的影响。因此，图4中，将晶体管110漏极d与实际输出端A之间的寄生分量，简化为用LC阶梯结构代表。其中，Cds和Ld的数值分别来近似代替LC阶梯结构中的C。ut和L。ut。
在本实施例所示的逆F类功率放大器中，通过终端开路微带TL3和TL5在C点实现了三次和五次谐波的阻抗短路点。 利用B点为二次和四次谐波阻抗短路点的条件，求解微带TL1的尺寸参数Z1和 θ”具体方法如下
权利要求
1.一种逆F类功率放大器，其特征在于，包括晶体管、寄生补偿电路、输出端谐波控制电路、输出端基波阻抗匹配电路；所述输出端谐波控制电路，位于晶体管输出管脚和输出端基波阻抗匹配电路之间； 所述寄生补偿电路，位于输出端谐波控制电路中；其中，所述寄生补偿电路包括串联相接的至少两段阶梯阻抗微带，且所述阶梯阻抗微带末端形成二至五次谐波频率的短路点和/或开路点。
2.根据权利要求1所述的逆F类功率放大器，其特征在于，所述输出端谐波控制电路为紧凑型。
3.根据权利要求1所述的逆F类功率放大器，其特征在于，所述寄生补偿电路由两段阶梯阻抗微带构成时，阶梯阻抗微带的阻抗、相位利用以下公式求解得到
4.根据权利要求1所述的逆F类功率放大器，其特征在于，还包括 输入端谐波阻抗控制电路，位于输入端基波阻抗匹配电路和晶体管输入管脚之间；其中，所述输入端基波阻抗匹配电路为位于逆F类功率放大器的输入端的电路。
全文摘要
本发明公开了一种逆F类功率放大器。所述逆F类功率放大器包括晶体管、寄生补偿电路、输出端谐波控制电路、输出端基波阻抗匹配电路；所述输出端谐波控制电路，位于晶体管输出管脚和输出端基波阻抗匹配电路之间；所述寄生补偿电路，位于输出端谐波控制电路中；其中，所述寄生补偿电路包括串联相接的至少两段阶梯阻抗微带，且所述阶梯阻抗微带末端形成二至五次谐波频率的短路点和/或开路点。通过利用本发明所提供的逆F类功率放大器，可有效减小寄生分量对谐波控制电路的影响，从而提升功率放大器工作效率。
文档编号H03F3/20GK102291092SQ20111015913
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者丁瑶, 刘发林, 尤览, 杨光 申请人:中国科学技术大学