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CN109546977B - 一种双频带高效逆f类功率放大器 - Google Patents

一种双频带高效逆f类功率放大器 Download PDF

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CN109546977B CN201811212874.8A CN201811212874A CN109546977B CN 109546977 B CN109546977 B CN 109546977B CN 201811212874 A CN201811212874 A CN 201811212874A CN 109546977 B CN109546977 B CN 109546977B
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周绍华
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Abstract

本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种双频带高效逆F类功率放大器，双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，双频带输入匹配电路分别与所述RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路连接，在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，所述RC稳定电路与晶体管的输入端连接；所述新型谐波控制电路与晶体管的输出端连接，所述新型谐波控制电路的输出端分别与双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路的连接。本放大器在满足双频带漏极偏置电路可行性的同时，有效简化了该电路结构的复杂度。

Description

一种双频带高效逆F类功率放大器
技术领域
本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及一种双频带高效逆F类功率放大器。
背景技术
随着无线通信系统的进一步发展，射频发射机的所有组件都需要具备同时处理多种模式和多个频带的信号的能力。功率放大器作为射频发射机中最关键以及耗能最大的模块，也需要具备在多模多带工作的能力。所以，高效率多频带功率放大器的设计已成为功放研究领域的热点，而高效率双频带功率放大器是其中最基本的一类。
逆F类功率放大器作为高效率功率放大器之一，其工作状态与F类功放相反，逆F类功放的谐波控制电路需要将信号的偶次谐波调整到开路状态，使晶体管漏极端电流波形为方波；奇次谐波调整为短路状态，使晶体管漏极端电压波形为半正弦波；在理想的情况下，漏极电压和电流波形没有重叠，所以理想的逆F类功率放大器的漏极效率能达到100％。载于《IEEE微波理论与技术交易》的文献“高效率F类和逆F类功率放大器的分析和实验”表明：在F类和逆F类放大器输出功率水平相同的情况下，随着晶体管导通电阻的增加，逆F类放大器的效率比F类放大器的效率更高。逆F类功放的设计可以与双频带功率放大器的高效率需求相结合。实际设计逆F类功放时，一般只考虑二次谐波和三次谐波。
但是，目前已有的双频带逆F类功率放大器没有实现优异的功率附加效率(PAE)性能。主要是由于以下原因造成的：首先，现有的双频带逆F类功率放大器电路结构复杂，无法很好地同时控制两个工作频带的二次谐波和三次谐波，谐波控制电路对功放工作频带的选择有限制；其次，晶体管本征漏极端的二次谐波开路和三次谐波短路的状态也会受晶体管自身寄生参数的影响，从而影响双频带逆F类功率放大器的效率。
发明内容
本发明的主要目的就是针对上述问题，提供一种双频带高效逆F类功率放大器结构。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种双频带高效逆F类功率放大器，其特征在于：包括晶体管、双频带输入匹配电路、RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路、新型谐波控制电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路；双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，双频带输入匹配电路分别与所述RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路连接，在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，所述RC稳定电路与晶体管的输入端连接；所述新型谐波控制电路与晶体管的输出端连接，所述新型谐波控制电路的输出端分别与双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路的连接。
优选地，所述新型谐波控制电路由串联的传输线T9、传输线T11、传输线T13，并联的终端开路传输线T10、传输线T12构成，其中传输线T10并联于传输线T9和传输线T11之间，传输线T12接在传输线T11上。
优选地，所述具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路在两个工作频带处提供基波开路和直流短路的条件，以及在功放主链路连接处B点提供高频带f2的二次谐波和三次谐波短路状态。
优选地，所述双频带输出匹配电路能在基波频率f1和f2处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。
本发明的有益效果是:(1)提出了一种新型的谐波控制电路，简化了电路结构的同时，在两个工作频带的二、三次谐波处，满足在晶体管本征漏极端的逆F类阻抗条件；(2)在满足双频带漏极偏置电路可行性的同时，有效简化了该电路结构的复杂度；(3)考虑了晶体管寄生参数对功放性能的影响。从而有效提高双频带逆F类功率放大器的工作效率。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明的电路结构图；
图3是本发明提出的新型谐波控制电路图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供的一种双频带高效逆F类功率放大器，其原理框图如图1所示，其中，晶体管输入端由RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路和双频带输入匹配电路构成；晶体管输出端由新型谐波控制电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路和双频带输出匹配电路构成。
图2所示为低频带基波f1，高频带基波f2的双频带高效逆F类功率放大器的电路结构图。双频带输入匹配电路和双频带输出匹配电路都由三段串联的传输线和一段并联开路传输线构成，在两个工作频带处匹配晶体管最佳基波阻抗到50Ω；RC稳定电路与栅极偏置线连接的电阻R1用来保证功放的稳定性。
具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路采用文献“使用多频带偏置网络架构的负载调谐并联三频功率放大器”的设计方法，由一段主传输线T14、两个并联的扇形传输线T17、T18和两个并联开路传输线T15、T16构成；该电路在两个工作频带f1和f2处提供基波开路和直流短路的条件，以及在功放主链路连接处B点提供高频带f2的二次谐波和三次谐波短路状态。
图3为本发明提出的新型谐波控制电路。Cds为晶体管漏极和源极之间的寄生电容，Ld为寄生电感，Cp为封装寄生电容。该电路可以满足两个工作频带f1和f2处，逆F类功放在晶体管本征漏极端的二次谐波和三次谐波阻抗条件。具体工作方式如下所述：
(1)并联开路传输线T10的电长度在低频带二次谐波2f1下为90°，在C点呈现2f1的短路状态；通过调节传输线T9的特征阻抗和电长度，结合晶体管寄生参数，在本征漏极端满足2f1的开路状态。
(2)并联开路传输线T12的电长度在低频带三次谐波3f1下为90°，在D点呈现3f1的短路状态；通过调节传输线T10的特征阻抗、传输线T11的特征阻抗Z和电长度θ1，结合晶体管寄生参数，在本征漏极端满足3f1的短路状态。
(3)在高频带f2下，通过调节传输线T11的电长度θ2、并联开路传输线T12的特征阻抗、传输线T13的特征阻抗和电长度，结合晶体管寄生参数，在晶体管本征漏极端满足高频带二次谐波2f2的开路状态和三次谐波3f2的短路状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双频带高效逆F类功率放大器，其特征在于：包括晶体管、双频带输入匹配电路、RC稳定电路、双频带栅极直流偏置电路、新型谐波控制电路、具有谐波控制功能的双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路；双频带输入匹配电路提供晶体管最佳源阻抗与50Ω匹配的功能，双频带输入匹配电路的输出端分别与所述RC稳定电路的输入端、双频带栅极直流偏置电路连接，在两个工作频带f1和f2处，双频带栅极直流偏置电路提供基波开路和直流短路的条件，所述RC稳定电路的输出端与晶体管的输入端连接；所述新型谐波控制电路的输入与晶体管的输出端连接，所述新型谐波控制电路的输出端分别与双频带漏极直流偏置电路以及双频带输出匹配电路连接；所述新型谐波控制电路由串联的传输线T9、传输线T11、传输线T13，并联的终端开路传输线T10、传输线T12构成，其中传输线T10并联于传输线T9和传输线T11之间，传输线T12接在传输线T11上。
2.根据其权利要求1所述的一种双频带高效逆F类功率放大器，其特征在于：所述双频带输出匹配电路能在基波频率f1和f2处匹配晶体管最佳基波负载阻抗到50Ω。
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