用于GaN功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路的制作方法

本发明涉及一种级间匹配电路。特别是涉及一种应用于两级功率放大器功率级及驱动级间，能够将两个频带的射频信号同时进行基波及谐波阻抗匹配的用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路。

背景技术：

随着现代无线通信技术的快速发展，新的通信协议和信道不断涌现。传统的通信设备往往使用多个工作于某一种单一的通信协议或者信道的收发机来实现在多种通信条件下进行通信。虽然使用上述方法收发机可以相对更为稳定地工作，但这种方法成本较高，结构复杂，难以实现小型化，集成化，在多种使用条件下并不适用。为了实现对多种工作模式的兼容，现代通信设备往往使用可以工作在多个频率的收发机或是超宽带收发机，例如：部分基站设备，导引设备，以及星间通讯设备。

射频功率放大器是无线收发机中的重要模块，它将射频信号进行放大、并通过负载天线辐射出去。一般的，射频功率放大器是无线电路中最耗能的单元，占整体收发机耗能的75％以上，因此，一般要求射频功率放大器具有较高的工作效率。通常提高功率放大器效率的手段往往集中于导通角的设计以及放大器功率级输出端的阻抗设计，而近两年的研究表明，通过合理设计从驱动级放大器进入功率级放大器的信号波形，放大器的效率可以得到进一步的提高。同时，针对多频带收发机的发展趋势，具有多个工作频率正逐渐成为功率放大器的热点需求。

gan作为近几年发展起来的第三代半导体材料，其相对gaas材料而言，具有更高的击穿电压和更高的功率密度，使得gan更适合用于大输出功率功率放大器的设计和实现。gan高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor，hemt)器件通常采用20v甚至更高的偏置电压，功耗相同的情况下，工作电流只有gaas晶体管的1/3，输出阻抗高，为实现高效率功率放大器苛刻的阻抗匹配条件提供了方便。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路，可以在双频条件下实现驱动级半正弦电压信号输出，从而降低功率级无效输出功率，提高整体功率放大器效率；并在两个频带下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配。

本发明所采用的技术方案是：一种用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路，包括依次相连的用于在两个频带内对二次谐波开路，对三次谐波短路阻抗条件进行匹配的谐波阻抗匹配模块和在两个频带内完成驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗的匹配的基波阻抗匹配模块，所述谐波阻抗匹配模块的输入端连接驱动级gan晶体管的输出端，所述基波阻抗匹配模块的输出端连接功率级gan晶体管的输入端。

所述的谐波阻抗匹配模块包括有相串联连接的第一微带线、第二微带线，所述第一微带线的输入端连接所述驱动级gan晶体管的输出端，所述第二微带线的输出端依次连接第三微带线和第四微带线，还依次通过第八微带线和第九微带线接地，其中所述第三微带线和第四微带线用于使在第二微带线的输出端的二倍频阻抗为短路，三倍频阻抗为开路，所述第四微带线的输出端分别依次连接用于将二倍频阻抗由开路在第四微带线的输出端转换为短路的第十微带线和第十一微带线，以及依次连接用于将三倍频阻抗由开路在第四微带线的输出端转换为短路的第十二微带线和第十三微带线，所述第四微带线的输出端还构成谐波阻抗匹配模块的输出端连接所述基波阻抗匹配模块。

所述第三微带线和第四微带线的电长度和为70～100°。

所述的基波阻抗匹配模块包括有用于在两个频带内将两个复数阻抗进行匹配的依次串联的第五微带线和第六微带线，所述第五微带线的输入端连接所述谐波阻抗匹配模块的输出端，所述第六微带线的输出端分别连接用于提供在两个频带内阻抗变换所需自由度的第十四微带线、第十五微带线和第十七微带线，所述第十七微带线的输出端连接所述功率级gan晶体管的输入端。

本发明的用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路，通过合理的设计各个模块的结构，可同时实现在两个频带下驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配，从而实现同时工作在双频带的要求；本发明通过对驱动级输出阻抗的设计使其工作在逆f类工作模式下，输出半正弦电压，降低功率级无效输出功率，进一步提高整体功率放大器的效率；该匹配电路结构简单，易于实现，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路的电路框图；

图2是阶跃阻抗线的原理图；

图3是本发明用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路做出详细说明。

为了提高整体功率放大器效率，在两个频带下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配，需要使输出匹配网络在两个频带内满足：

1、驱动级电路输出匹配网络工作在逆f类模式下，输出电压波形为半正弦波形；

2、在两个频带下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配；

3、匹配电路具有一定的设计自由度，降低级间损耗。

本发明的用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路，是针对gan功率器件的应用场所，例如基站、雷达等，可以进一步提高放大器的工作效率，具有很大的应用价值。本发明应用于功率级为j类或者f类放大器的功率放大器中，可以在双频条件下实现驱动级半正弦电压信号输出，从而降低功率级无效输出功率，提高整体功率放大器效率；并在两个频带下实现驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗匹配。

如图1所示，本发明的用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路，包括依次相连的用于在两个频带内对二次谐波开路，对三次谐波短路阻抗条件进行匹配的谐波阻抗匹配模块2和在两个频带内完成驱动级输出基波阻抗及功率级输入基波阻抗的匹配的基波阻抗匹配模块3，所述谐波阻抗匹配模块2的输入端连接驱动级gan晶体管1的输出端，所述基波阻抗匹配模块3的输出端连接功率级gan晶体管4的输入端。

如图2所示为一种阶跃阻抗线结构，使用不同特征阻抗和电长度的两节微带线进行连接，从而可以获得双频带阻抗匹配的特性。具体分析如下：

在本发明中，主要涉及使用阶跃阻抗线进行阻抗变换，对其进行分析，

z'＝z2tan(βl2)j(2)

将1式带入2式并展开可得

对于给定的频率f1和f2可以确定阶跃阻抗线的电长度与特性阻抗的关系，通过调节电长度与特性阻抗获得所需的匹配网络。

如图3所示，本发明所述的谐波阻抗匹配模块2包括有相串联连接的第一微带线tl1、第二微带线tl2，所述第一微带线tl1的输入端连接所述驱动级gan晶体管1的输出端，所述第二微带线tl2的输出端a依次连接第三微带线tl3和第四微带线tl4，还依次通过第八微带线tl8和第九微带线tl9接地，其中所述第三微带线tl3和第四微带线tl4的电长度和为70～100°，所述第三微带线tl3和第四微带线tl4用于使在第二微带线tl2的输出端a的二倍频阻抗为短路，三倍频阻抗为开路，所述第四微带线tl4的输出端b分别依次连接用于将二倍频阻抗由开路在第四微带线tl4的输出端b转换为短路的第十微带线tl10和第十一微带线tl11，以及依次连接用于将三倍频阻抗由开路在第四微带线tl4的输出端b转换为短路的第十二微带线tl12和第十三微带线tl13，所述第四微带线tl4的输出端b还构成谐波阻抗匹配模块2的输出端连接所述基波阻抗匹配模块3。

如图3所示，本发明所述的基波阻抗匹配模块3包括有用于在两个频带内将两个复数阻抗进行匹配的依次串联的第五微带线tl5和第六微带线tl6，所述第五微带线tl5的输入端连接所述谐波阻抗匹配模块2的输出端b，所述第六微带线tl6的输出端分别连接用于提供在两个频带内阻抗变换所需自由度的第十四微带线tl14、第十五微带线tl15和第十七微带线tl17，所述第十七微带线tl17的输出端连接所述功率级gan晶体管4的输入端。

本发明的用于gan功率器件的双频窄带功率放大器级间匹配电路，信号由驱动级晶体管输出经由谐波阻抗匹配模块和基波阻抗匹配模块到达功率级晶体管。下面使用f1、f2代表双频带的两个中心频率。具体来说，在谐波阻抗匹配模块中，第十微带线tl10和第十一微带线tl11设计为将f1、f2的二倍频阻抗由开路在b点转换为短路；第十二微带线tl12和第十三微带线tl13设计为将f1、f2的三倍频阻抗由开路在b点转换为短路；第三微带线tl3、第四微带线tl4的电长度和设计为70到100°，使在a点处向b点看去，在f1、f2的二倍频处，阻抗为短路，在f1、f2的三倍频处，阻抗为开路。随后，通过调整第一微带线tl1、第二微带线tl2、第八微带线tl8和第九微带线tl9使从驱动级晶体管处向b点看去，在f1、f2的二倍频处，阻抗为开路，在f1、f2的三倍频处，阻抗为短路，从而在双频带内实现了逆f类放大器的输出阻抗条件。而对于基波来说，经过谐波阻抗匹配模块后，b点处的基波阻抗在两个频带内为复数，同样的，功率级晶体管所需的的输入阻抗也在两个频带内为复数，这里需要使用匹配网络将两个频带内的复数进行匹配，具体电路如基波阻抗匹配模块所示，第十四微带线tl14、第十五微带线tl15和第十七微带线tl17提供了在两个频带内阻抗变换所需的自由度，第五微带线tl5和第六微带线tl6在两个频带内将两个复数阻抗进行匹配。