一种基于紧凑型微带谐振单元的高效功率放大器的制作方法

本发明涉及无线通信功率放大器技术领域，尤其涉及一种基于紧凑型微带谐振单元的高效功率放大器的设计。

背景技术

目前，随着无线通信技术的迅猛发展，整体收发机的性能要求越来越受到人们的关注。而在整个收发机系统中，功率放大器是非常重要的耗能元件。试想功率放大器若以低效率工作，必将引起大量的能量损耗以及运营成本的提高。因此如何设计高效率功率放大器已成为一个热门的研究领域。

目前高效率的功率放大器主要包括两种：谐波调谐类功率放大器和开关类功率放大器。谐波调谐类功率放大器以f类功率放大器（功放）最为典型。f类功放通过对输出匹配网络设置谐波控制电路来改变电压的波形，从而尽可能的使电压与电流错开，而达到更高的效率。而开关类功率放大器以e类功放最为典型。e类功放把晶体管等效成理想开关，利用“软切换”的条件和晶体管的输出电容cds使得电压与电流错开，而达到更高的效率。在本专利中，两者统称为高效谐波调谐类开关功率放大器。

高效谐波调谐类开关功率放大器的设计核心在于根据阻抗参考面上得到的阻抗条件来设计谐波控制电路。传统的谐波控制电路大多通过串联微带线和并联微带短截线的组合得到[1-5]。但这种传统的谐波控制电路有两个缺点：第一、并联枝节的微带短截线在基波频率下呈现电抗形式，这使得基波匹配更加复杂。第二、这些谐波控制电路会使得电路的尺寸变大，不利于其应用。因此，寻找更加小型化的谐波控制电路成为了又一个热门领域。

基于传统谐波控制电路的上述缺点，文献[6]、[7]提出加入紧凑型微带谐振单元（cmrc）来代替传统谐波控制电路的方法。紧凑型微带谐振单元（cmrc）不仅可以在非设计频率下呈现带阻特性，更关键的是它的尺寸很小，可以大幅度的减小电路复杂性，便于在更广范围内应用高效谐波调谐类开关功率放大器。这一点相比传统的谐波控制电路有了很大的改进，也为本专利的发明提供了很好的理论基础。

【参考文献】

[1]f.h.raab,“class-fpoweramplifierswithmaximallyflatwaveforms,”ieeetrans.microw.theorytech.,vol.45,no.11,pp.2007–2012,nov.1997。

[2]r.negra,m.fadhel,m.ghannouchi,andw.bachtold,“studyanddesignoptimizationofmultiharmonictransmission-lineloadnetworksforclass-eandclass-fk-bandmmicpoweramplifiers,”ieeetrans.microw.theorytech.,vol.55,no.6,pp.1390–1394,jun.2007。

[3]y.y.woo,y.yang,andb.kim,“analysisandexperimentforhighefficiencyclass-fandinverseclass-fpoweramplifiers,”ieeetrans.microw.theorytech.,vol.54,no.5,pp.1969–1974,may2006。

[4]a.j.wilkinsonandj.k.a.everard,“transmission-lineload-networktopologyforclass-epoweramplifiers,”ieeetrans.microw.theorytech.,vol.49,no.6,pp.1202-1210,jun2001。

[5]a.grebennikov,“high-efficiencyclasse/flumpedandtransmission-linepoweramplifiers,”ieeetrans.microw.theorytech.,vol.59,no.6,pp.1579–1588,jun2011。

[6]s.chenandq.xue,“aclass-fpoweramplifierwithcmrc,”ieeemicrow.wirelesscompon.lett.,vol.21,no.1,pp.31–33,jan.2011.

[7]m.hayati,a.sheikhi,anda.grebennikov,“class-fpoweramplifierwithhighpoweraddedefficiencyusingbowtie-shapedharmoniccontrolcircuit,”ieeemicrow.wirelesscompon.lett.,vol.25,no.2,pp.133-135,feb.2015。

技术实现要素：

针对所有高效谐波调谐类开关功率放大器的阻抗条件特点和传统谐波控制电路的缺点，本发明提出一种基于紧凑型微带谐振单元的高效功率放大器的通用设计思路及设计方法。

一种基于紧凑型微带谐振单元的高效功率放大器，晶体管的输出端包括：电长度为传输线的晶体管偏置电路，紧凑型微带谐振单元，调谐传输线及基波匹配电路。其特征在于：

所述调谐传输线位于晶体管输出端和紧凑型微带谐振单元之间，所述紧凑型微带谐振单元位于调谐传输线和基波匹配电路之间；所述基波匹配电路位于紧凑型微带谐振单元和负载之间。所述的偏置电路由电源vbb到晶体管基极的电路和电源vcc到晶体管集电极的电长度为传输线电路组成。所述功率放大器为共射极的功放管，所述功放管的输入端为基极，输出端为集电极。

所述一种基于紧凑型微带谐振单元的高效谐波调谐类开关功率放大器设计方法的电路结构原理图如图1所示。

高效谐波调谐类开关功率放大器的设计核心在于根据阻抗参考面上得到的阻抗条件来设计谐波控制电路。根据高效谐波调谐类开关功率放大器的分类，在设计电路时通常有两种阻抗参考面,即：谐波调谐类功放中的内部等效电流源参考面zi和开关类功放中的组合式开关电容参考面zc。另一方面由于实际晶体管存在封装寄生效应，从而导致实际得到的阻抗条件和理论值存在偏差。因此在实际设计时，还需对电路进行优化和调谐。

综上所述，寻找合适的阻抗参考面可以简化电路设计。倘若晶体管的封装寄生网络已知，可以将两种阻抗参考面得到的阻抗条件zi=[zi1,zi2,zi3]或者zc=[zc1,zc2,zc3]转化到封装参考面zpkg上，得到封装参考面zpkg上的阻抗条件zpkg=[zp1,zp2,zp3]。之后，再通过谐波控制电路和调谐传输线调谐即可得到此阻抗条件。这样做的优势在于：1，将谐波调谐类功放中的内部等效电流源参考面zi和开关类功放中的组合式开关电容参考面zc统一起来，得到了高效谐波调谐类开关功率放大器统一的阻抗参考面，即：封装参考面zpkg。这对于设计所有的高效谐波调谐类开关功率放大器均有效。2，对于封装寄生网络已知的晶体管，通过阻抗参考面的转化可以得到精确的阻抗条件，为调谐传输线提供了很好的理论值，很大程度上减小了调谐的复杂性。

一种基于紧凑型微带谐振单元的高效功率放大器均只针对前三次谐波的阻抗条件展开分析。由于功率放大器的输出功率仅针对基波功率，因此为了获得足够高的输出功率和效率，高效谐波调谐类开关功率放大器的相应阻抗参考面的高次谐波阻抗应呈现电抗的形式。此外，由于晶体管的封装寄生网络一般情况是无电阻的状态，因此基于上文中提及的阻抗参考面转化方法，高效谐波调谐类开关功率放大器在封装参考面zpkg上得到的高次谐波阻抗条件也应呈现电抗的形式。

对于二次谐波而言，电源vcc到晶体管集电极的电长度为传输线偏置电路除了提供直流偏置外，还对于基波呈现开路状态，对于二次谐波呈现短路状态。因此，电长度为传输线电路为调谐传输线tl1提供了二次谐波短路点。根据传输线原理，可以通过在封装参考面zpkg上得到的高次谐波阻抗条件：z2f0=jx2,计算出调谐传输线tl1特征阻抗和电长度的理论值。再通过调谐和优化对其进行微调。

对于三次谐波而言，紧凑型微带谐振单元(cmrc)可以在三次谐波频率下呈现带阻特性。根据传输线原理，可以通过在封装参考面zpkg上得到的高次谐波阻抗条件：z3f0=jx3，计算出调谐传输线tl2特征阻抗和电长度的理论值。再通过调谐和优化对其进行微调。与此同时，紧凑型微带谐振单元(cmrc)可以在基波频率下呈现标准50欧姆特征阻抗的传输线，很大程度上减少了基波匹配电路的复杂性。

对于基波而言，由于要满足最大功率传输的要求，即要满足阻抗共轭的条件。而在紧凑型微带谐振单元(cmrc)之后得到的基波阻抗并不是标准的50欧姆，因此需要加入基波匹配电路，把紧凑型微带谐振单元(cmrc)得到输出阻抗值匹配到标准的50欧姆端口上。

一种基于紧凑型微带谐振单元的高效功率放大器可以针对任意高效谐波调谐类开关功率放大器的前三次谐波展开设计，在满足相应阻抗条件，构造所需高效功率放大器的同时，具有电路结构简单，尺寸小的特点。同时该方法也便于电路版图的实现和高效功放更广范围的应用。

附图说明

图1是一种基于紧凑型微带谐振单元的高效谐波调谐类开关功率放大器设计方法的电路结构原理图；

图2是紧凑型微带谐振单元的具体实施方案的电路结构原理图；

图3是紧凑型微带谐振单元的具体实施方案的频率特征仿真图；

图4是一种基于紧凑型微带谐振单元的高效谐波调谐类开关功率放大器的具体实施方案图；

图5是一种基于紧凑型微带谐振单元的高效谐波调谐类开关功率放大器具体实施方案的整体性能仿真结果图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在实际设计中，晶体管选用型号为creecgh40010f的10wganhemt晶体管。对该晶体管由制造商提供的寄生分量的具体数值如下：晶体管漏极和源极之间的寄生电容cds=1.2pf，寄生电感ld=0.55nh，封装寄生电容cp=0.2pf。此外，所有旁路电容在实际实现时均采用murata公司gqm18系列的10pf电容。

根据上述技术方案，具体实施电路采用微带线实现。在具体实施时，所述一种基于紧凑型微带谐振单元的高效谐波调谐类开关功率放大器电路结构将运用在e逆f高效功率放大器中。其中，所述一种基于紧凑型微带谐振单元的高效谐波调谐类开关功率放大器在具体实现时的频点是2.2ghz。基于上述指标要求及creecgh40010f晶体管的性能特点，所述电路结构在具体实现时选取晶体管的漏极电压为28v,栅极电压为-3v。

根据文献[5]，高效e逆f功率放大器在基波频率以及各谐波频率下的最优阻抗条件为：

因此，根据所述紧凑型微带谐振单元的工作机理，所述高效e逆f功率放大器在具体实施时，其三次谐波的开路将由紧凑型微带谐振单元来实现。

所述紧凑型微带谐振单元在具体实施时的电路结构原理图如图2所示。其中所述紧凑型微带谐振单元在具体实施时采用rogers5880材料，其相对介电常数为2.2，厚度为31mil。而所述紧凑型微带谐振单元的具体实施方案在hfss软件中仿真的频率特征图如图3所示。从图3可以看出，所述紧凑型微带谐振单元在具体实施时其基波频率的回波损耗很小，s11在-35db以下；而其三次谐波频率下的插入损耗很大，s21在-55db以下,从而在三次谐波下构成了开路状态。

基于所述紧凑型微带谐振单元的频率特征，所述一种基于紧凑型微带谐振单元的高效e逆f功率放大器即可被实现，其具体实施方式图如图4所示。传输线tl1和3pf电容组成了输入匹配网络。利用sourcepull得到的值,通过l型匹配网络匹配到50欧姆。而41ω的电阻及其并联的5.1pf电容，和串联于偏置线的100ω电阻则组成了所述电路的稳定性网络。另一方面，传输线tl5-tl7可以实现所述电路在基波频率以及二次谐波频率下的开路以及漏极直流偏置的提供。而传输线tl4和tl8则分别实现了所述电路在二次谐波和三次谐波下的调谐作用，从而使电路的封装寄生效应的影响达到最低。传输线tl9和tl10则利用loadpull得到的值,通过l型匹配网络匹配到50欧姆。基于上述设计思路，所有传输线在具体实施时都采用rogers5880作为板材，因此所有所述传输线的具体宽度和长度均如表所示。

所述一种基于紧凑型微带谐振单元的高效e逆f功率放大器的整体性能仿真结果图如图5所示。可以看出当输入功率达到28dbm时，其整体性能达到最优，其输出功率为40.2dbm，功率附加效率（pae）为78.7%。