一种基于波形控制技术的连续逆F类堆叠功率放大器的制作方法

本发明属于场效应晶体管射频功率放大器和集成电路技术领域，具体涉及一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器的设计。

背景技术

随着现代军用、民用通信技术的发展，射频前端发射机也向超宽带、高效率、高增益、高功率输出的方向发展。因此市场迫切的需求超宽带、高效率、高增益、高功率的功率放大器。然而，在传统高效率功率放大器的设计中，一直存在一些设计难题，主要体现在超宽带、高效率指标相互制约：为了保证放大器的高效率工作，晶体管要工作在过驱动模式下，类似于开关状态，但是过驱动开关功率放大器的带宽一直是电路实现的技术瓶颈。

常见的高效率功率放大器的电路结构有很多，最典型的是传统ab类、c类，开关型d类、e类、f类功率放大器等，但是，这些高效率放大器的宽带特性仍然存在一些不足，主要体现在：传统ab类放大器理论极限效率为78.5％，相对较低，往往需要牺牲输出插损和效率来增加放大器的带宽；c类放大器极限效率为100％，但是功率输出能力较低，宽带输出能力和效率较低；开关型d类、e类、f类功率放大器等需要依赖精确的谐波阻抗控制，或者严格的阻抗匹配条件，这些控制和条件都大大限制了放大器工作带宽。除此之外，现有高效率场效应管功率放大器往往是基于单个共源晶体管实现的，受到单个晶体管的限制，功率输出能力和功率增益能力都相对较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器，利用栅源补偿型二堆叠自偏置晶体管结构以及连续逆f类匹配技术，实现超宽带下高效率、高增益、高功率输出特性。

本发明的技术方案为：一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器，包括输入基波匹配稳定网络、栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络、连续逆f类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波匹配稳定网络的输入端为整个连续逆f类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；连续逆f类输出匹配网络的输出端为整个连续逆f类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与输入基波匹配稳定网络连接，漏极供电偏置网络分别与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络以及连续逆f类输出匹配网络连接。

本发明的有益效果是：本发明采用基于栅源补偿型二堆叠自偏置晶体管结构，并结合了连续逆f类输出匹配网络，使得电路具有超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。同时本发明利用栅源补偿网络补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率，同时不需要额外的堆叠栅极偏置电压。

输入基波匹配稳定网络包括依次串联的隔直电容c1、微带线tl1、微带线tl4和rc抑制电路；隔直电容c1的一端连接微带线tl1，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输入端，rc抑制电路的一端连接微带线tl4，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输出端；微带线tl1和微带线tl4的连接节点还分别与开路微带线tl2以及开路微带线tl3连接，微带线tl4和rc抑制电路的连接节点还与栅极供电偏置网络连接；rc抑制电路包括并联的电阻r2和电容c3。

上述进一步方案的有益效果是：本发明采用的输入基波匹配稳定网络除了能对射频输入基波信号进行阻抗匹配以外，还能实现信号自激抑制功能，从而提高电路的稳定性。

栅极供电偏置网络包括微带线tl5，微带线tl5的一端连接于微带线tl4和rc抑制电路的连接节点，其另一端分别与电阻r1的一端以及接地电容c2连接，电阻r1的另一端与低压偏置电源vg连接。

上述进一步方案的有益效果是：栅极供电偏置网络能够对栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管md1起到良好的栅极供电及偏置作用。

栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管md2和底层晶体管md1；底层晶体管md1的源极接地，其栅极与微带线tl6的一端连接，微带线tl6的另一端为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；顶层晶体管md2的栅极与电阻r3的一端连接，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，电阻r3的另一端分别与电阻r6的一端以及接地电容c6连接，电阻r6的另一端分别与电阻r4的一端以及接地电阻r5连接，电阻r4的另一端与漏极供电偏置网络连接；顶层晶体管md2的栅极和源极之间串联有电容c5和电感l1；顶层晶体管md2的源极和底层晶体管md1的漏极通过微带线tl7连接，顶层晶体管md2的源极和微带线tl7的连接节点还与微带线tl8的一端连接，微带线tl8的另一端与接地电容c4连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的核心架构采用栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络，可以有效提升功率放大器的功率容量和功率增益。并且本发明采用的栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络加入了自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构；同时加入了栅源补偿回路，补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率。

连续逆f类输出匹配网络包括依次串联的微带线tl9、微带线tl13、微带线tl15、微带线tl17和隔直电容c8；微带线tl9的一端连接微带线tl13，其另一端为连续逆f类输出匹配网络的输入端，隔直电容c8的一端连接微带线tl17，其另一端为连续逆f类输出匹配网络的输出端；微带线tl9和微带线tl13的连接节点还分别与微带线tl10的一端以及漏极供电偏置网络连接，微带线tl10的另一端分别与开路微带线tl11以及开路微带线tl12连接；微带线tl13和微带线tl15的连接节点还与开路微带线tl14连接，微带线tl15和微带线tl17的连接节点还与开路微带线tl16连接。

上述进一步方案的有益效果是：本发明的输出匹配网络采用连续逆f类匹配架构，可以使得电路具有类似于逆f类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标，同时连续逆f类工作模式与连续f类工作模式相比具有更好的电流驱动力与功率输出能力。

漏极供电偏置网络包括微带线tl18，微带线tl18的一端连接于微带线tl9和微带线tl13的连接节点，其另一端分别与电阻r4、接地电容c7以及高压偏置电源vd连接。

上述进一步方案的有益效果是：漏极供电偏置网络能够对栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管md2起到良好的漏极供电及偏置作用。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器原理框图。

图2所示为本发明实施例提供的一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器电路图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于波形控制技术的连续逆f类堆叠功率放大器，如图1所示，包括输入基波匹配稳定网络、栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络、连续逆f类输出匹配网络、栅极供电偏置网络和漏极供电偏置网络；输入基波匹配稳定网络的输入端为整个连续逆f类堆叠功率放大器的输入端，其输出端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端连接；连续逆f类输出匹配网络的输出端为整个连续逆f类堆叠功率放大器的输出端，其输入端与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端连接；栅极供电偏置网络与输入基波匹配稳定网络连接，漏极供电偏置网络分别与栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络以及连续逆f类输出匹配网络连接。

如图2所示，输入基波匹配稳定网络包括依次串联的隔直电容c1、微带线tl1、微带线tl4和rc抑制电路；隔直电容c1的一端连接微带线tl1，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输入端，rc抑制电路的一端连接微带线tl4，其另一端为输入基波匹配稳定网络的输出端；微带线tl1和微带线tl4的连接节点还分别与开路微带线tl2以及开路微带线tl3连接，微带线tl4和rc抑制电路的连接节点还与栅极供电偏置网络连接；rc抑制电路包括并联的电阻r2和电容c3。

栅极供电偏置网络包括微带线tl5，微带线tl5的一端连接于微带线tl4和rc抑制电路的连接节点，其另一端分别与电阻r1的一端以及接地电容c2连接，电阻r1的另一端与低压偏置电源vg连接。

栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络包括按照源极-漏极相连堆叠构成的顶层晶体管md2和底层晶体管md1；底层晶体管md1的源极接地，其栅极与微带线tl6的一端连接，微带线tl6的另一端为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输入端；顶层晶体管md2的栅极与电阻r3的一端连接，其漏极为栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络的输出端，电阻r3的另一端分别与电阻r6的一端以及接地电容c6连接，电阻r6的另一端分别与电阻r4的一端以及接地电阻r5连接，电阻r4的另一端与漏极供电偏置网络连接；顶层晶体管md2的栅极和源极之间串联有电容c5和电感l1；顶层晶体管md2的源极和底层晶体管md1的漏极通过微带线tl7连接，顶层晶体管md2的源极和微带线tl7的连接节点还与微带线tl8的一端连接，微带线tl8的另一端与接地电容c4连接。

连续逆f类输出匹配网络包括依次串联的微带线tl9、微带线tl13、微带线tl15、微带线tl17和隔直电容c8；微带线tl9的一端连接微带线tl13，其另一端为连续逆f类输出匹配网络的输入端，隔直电容c8的一端连接微带线tl17，其另一端为连续逆f类输出匹配网络的输出端；微带线tl9和微带线tl13的连接节点还分别与微带线tl10的一端以及漏极供电偏置网络连接，微带线tl10的另一端分别与开路微带线tl11以及开路微带线tl12连接；微带线tl13和微带线tl15的连接节点还与开路微带线tl14连接，微带线tl15和微带线tl17的连接节点还与开路微带线tl16连接。

漏极供电偏置网络包括微带线tl18，微带线tl18的一端连接于微带线tl9和微带线tl13的连接节点，其另一端分别与电阻r4、接地电容c7以及高压偏置电源vd连接。

下面结合图2对本发明的具体工作原理及过程进行介绍：

射频输入基波信号通过输入端in进入连续逆f类堆叠功率放大器的输入基波匹配稳定网络，经输入基波匹配稳定网络进行阻抗匹配后进入栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络。输入基波匹配稳定网络中，由电阻r2和电容c3并联构成的rc抑制电路能实现信号自激抑制功能，从而提高电路的稳定性。

栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络采用了按照源极-漏极相连堆叠构成的晶体管结构对输入信号进行放大，可以有效提升连续逆f类堆叠功率放大器的功率容量和功率增益。在栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中，由电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6和电容c6共同构成了自偏置结构，不需要额外的堆叠栅极偏置电压，大大简化了堆叠结构的外围栅极供电结构。同时在栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中，加入了由电容c5和电感l1串联构成的栅源补偿回路，补偿堆叠晶体管的栅源谐波功率的泄漏，从而提高了工作效率。此外，微带线tl8及接地电容c4用于实现连续逆f类在晶体管堆叠间的漏极电压波形控制及整形。

经栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络放大后的信号进入连续逆f类输出匹配网络进行阻抗匹配后，最终形成射频输出信号到达输出端out。连续逆f类输出匹配网络中，由微带线tl9～tl17共同构成了连续逆f类匹配架构，可以使得电路具有类似于逆f类工作状态的输出阻抗的基波与谐波阻抗的近似连续变化，从而实现宽带的高效率指标，同时连续逆f类工作模式与连续f类工作模式相比具有更好的电流驱动力与功率输出能力。

此外，栅极供电偏置网络能够对栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中的底层晶体管md1起到良好的栅极供电及偏置作用；漏极供电偏置网络能够对栅源补偿型二堆叠自偏置功率放大网络中的顶层晶体管md2起到良好的漏极供电及偏置作用。

本发明实施例中，晶体管的尺寸和其他直流馈电电阻、补偿电容的大小是综合考虑整个电路的增益、带宽和输出功率等各项指标后决定的，通过后期的版图设计与合理布局，可以更好地实现所要求的各项指标，实现超宽带的高效率、高增益、高功率输出能力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。