一种高效率F类/逆F类功率放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种高效率F类/逆F类功率放大器，包括晶体管、寄生补偿电路、谐波控制电路、输出基波阻抗匹配电路；谐波控制电路位于寄生补偿电路和输出基波阻抗匹配电路之间，寄生补偿电路位于晶体管和谐波控制电路之间；对于固定的工作频率，在谐波控制电路的输入端形成二次谐波短路点和三次谐波开路点，谐波控制电路由三段微带构成，寄生补偿电路由L型微带结构构成，通过调节寄生补偿电路中微带的电长度参数能够实现对寄生分量的补偿作用，同时分别实现F类和逆F类功率放大器的漏极阻抗条件。利用本发明专利技术所提供的F类和逆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，实现对二次谐波和三次谐波的精确控制，从而提升功率放大器的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率F类/逆F类功率放大器
本专利技术涉及无线通信功放
，尤其涉及高效率的F类/逆F类功率放大器。
技术介绍
目前，移动通信服务的快速发展对低能耗、高效率的器件设计提出了更高的要求。而射频功率放大器恰恰是无线发射终端中耗能最大的模块。因此功率放大器的效率直接决定了整个发射终端的能耗量级。所以，提高功率放大器的工作效率成为功放研究领域的热点。F类/逆F类功率放大器因其理想工作效率能够达到100％而受到了大量的关注。一般的F类功率放大器由依次相连的晶体管、谐波控制电路和输出基波阻抗匹配电路几个模块构成。对F类功率放大器而言，谐波控制电路将信号的偶次谐波匹配到晶体管的漏极端呈短路状态，将奇次谐波匹配到晶体管的漏极端呈开路状态。从而使漏极端电流表现为半正弦波形式，而电压则为方波形式，且在理想情况下，电压与电流在时间上无重叠区域。这样，理想的功率放大器便能实现100％的工作效率。相应地，逆F类功率放大器与上述F类功率放大器原理相似，只是，其对应的谐波控制电路的目的是将偶次谐波匹配到漏极端成开路状态，将奇次谐波匹配到晶体管的漏极端呈短路状态。然而，在实际情况中，随着功率放大器的工作频率的增加，晶体管本身的寄生分量引起的效应会表现的愈专利技术显。对F类功率放大器而言，这种效应会破坏偶次谐波对应的短路状态和奇次谐波对应的开路状态，从而影响功放的工作效率。对逆F类功率放大器，存在着同样的问题。因此，如何减小寄生分量对谐波控制电路的影响，以实现F类和逆F类功率放大器晶体管对应的漏极阻抗条件，从而提升功放的工作效率，是一个非常重要的问题。近年来，为了克服晶体管寄生参数对F类和逆F类功率放大器的影响从而获得高效率的特性，国内外论文和专利中提出了一些典型的寄生参数补偿技术。文献[1]，[2]提出了两种针对于F类功率放大器的寄生补偿技术，虽然设计频率达到了C波段，并且功率附加效率(PAE)超过了70％，但是这些技术只针对于不带封装的晶体管设计的，而对带封装的晶体管存在一定的局限性。为了解决带封装的晶体管寄生参数补偿的问题，文献[3]提出了一种利用串联电容和并联电感来补偿晶体管内部寄生参数，从而达到很高的效率。但是，由于实际中，厂家所能提供的电容和电感的标称值是分立的，这就给设计带来了一定的局限性，并且论文中的晶体管模型没有考虑封装电容带来的影响。专利[4]提出了一种利用两节串联微带线来补偿晶体管寄生参数的技术，而此技术只是针对逆F类功率放大器的设计方法，另外晶体管模型中也没有考虑封装寄生电容的影响。【参考文献】[1]K.Kuroda,R.Ishikawa,andK.Honjo,“ParasiticcompensationdesigntechniqueforaC-bandGaNHEMTclass-Famplifier,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.58,no.11,pp.2741–2750,Nov.2010。[2]M.Kamiyama,R.Ishikawa,andK.Honjo,“5.65GHzhigh-efficiencyGaNHEMTpoweramplifierwithharmonicstreatmentuptofourthorder,”IEEEMicrow.WirelessCompon.Lett.,vol.22,no.6,pp.315–317,Jun.2012。[3]Y.S.Lee,M.W.Lee,andY.H.Jeong,“High-efficiencyClass-FGaNHEMTamplifierwithsimpleparasitic-compensationcircuit,”IEEEMicrow.WirelessCompon.Lett.,vol.18,no.1,pp.55–57,Jan.2008。[4]尤览，刘发林，丁瑶，杨光.一种逆F类功率放大器：中国，201110159135.9[P].2011-12-21。
技术实现思路
针对现有技术，本专利技术提供了一种同时适用于F类和逆F类功率放大器的寄生补偿设计方法，以减小寄生分量对谐波控制电路的影响，从而达到提升功放的工作效率目的。为了解决上述技术问题，本专利技术的一种高效率F类/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、输出基波阻抗匹配电路；所述谐波控制电路位于寄生补偿电路和输出基波阻抗匹配电路之间，所述寄生补偿电路位于晶体管和谐波控制电路之间，其中，所述谐波控制电路由三段微带构成，所述寄生补偿电路由L型微带结构构成；对于固定的工作频率，所述谐波控制电路对于F类和逆F类功率放大器是相同的，并在所述谐波控制电路的输入端形成二次谐波短路点和三次谐波开路点；晶体管寄生参数模型包含晶体管漏极和源极之间的寄生电容、寄生电感和封装寄生电容；对F类功率放大器，所述寄生补偿电路的L型微带中的传输线TL1的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2利用以下公式求解得到：对逆F类功率放大器，所述寄生补偿电路的L型微带中的传输线TL1和的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2利用以下公式求解得到：上述四个公式中，n为整数，Z0为微带的特征阻抗，单位为Ω；ω0为基波角频率，单位为rad/s；Cds为寄生电容，单位为pF；Ld为寄生电感，单位为nH；Cp为封装寄生电容，单位为pF；实际设计时，L型微带中的传输线TL1的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2分别取大于零的最小值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：由于本专利技术功率放大器中，通过在谐波控制电路和晶体管输出端插入由一种L型的微带线构成的寄生补偿电路，同时能够分别满足对F类和逆F类功率放大器的晶体管固有漏极处的谐波阻抗要求，实现了对二次谐波和三次谐波的精确控制，从而有效的减少了寄生分量对谐波控制电路的影响，另一方面，F类和逆F类功率放大器采用相同的谐波控制网络，减少了设计的复杂性，加之电路结构简单，减小了损耗，从而有效的提升了功放的工作效率。附图说明图1(a)是理想情况下，F类晶体管漏极输出端电流电压波形示意图；图1(b)是理想情况下，逆F类晶体管漏极输出端电流电压波形示意图；图2是功率放大器晶体管大信号寄生分量模型、寄生补偿电路、谐波控制电路、输出基波阻抗匹配电路；图3(a)是二次谐波的F类/逆F类功率放大器的输出端等效电路；图3(b)是三次谐波的F类/逆F类的输出端等效电路；图4是本专利技术F类/逆F类功率放大器的原理图。具体实施方式为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例和现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。对理想的F类功率放大器，晶体管的漏极电压由奇次谐波构成，在时间域上表现为方波，而漏极电流由偶次谐波构成，在时间域上表现为半正弦波，且电压波形与电流波形没有重叠，如图1(a)中，F类晶体管漏极输出端电流电压波形示意图所示。从而使晶体管的功率消耗为零，达到最大效率的功率传输。逆F类功率放大器的情形与F类相仿，只是电流波形由奇次谐波构成，在时间域上表现为方波，而漏极电压由偶次谐波构成，在时间域上表现为半正弦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效率F类/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、输出基波阻抗匹配电路；其特征在于：所述谐波控制电路位于寄生补偿电路和输出基波阻抗匹配电路之间，所述寄生补偿电路位于晶体管和谐波控制电路之间，其中，所述谐波控制电路由三段微带构成，所述寄生补偿电路由L型微带结构构成；对于固定的工作频率，所述谐波控制电路对于F类和逆F类功率放大器是相同的，并在所述谐波控制电路的输入端形成二次谐波短路点和三次谐波开路点；晶体管寄生参数模型包含晶体管漏极和源极之间的寄生电容、寄生电感和封装寄生电容；对F类功率放大器，所述寄生补偿电路的L型微带中的传输线TL1的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2利用以下公式求解得到：θ1=12[arctan(2ω0LdZ0(4ω02LdCp-1))+nπ]]]>θ2=13[arctan(3ω0Z0(9ω02CdsLdCp-Cds-Cp)1-9ω02CdsLd)+nπ]-θ1]]>对逆F类功率放大器，所述寄生补偿电路的L型微带中的传输线TL1和的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2利用以下公式求解得到：θ1=12[arctan(1-4ω02CdsLd2ω0Z0(Cds+Cp-4ω02CdsLdCp))+nπ]]]>θ2=13[arctan(Z03ω0Ld-Z0ω0Cp)+nπ]-θ1]]>上述四个公式中，n为整数，Z0为微带的特征阻抗，单位为Ω；ω0为基波角频率，单位为rad/s；Cds为寄生电容，单位为pF；Ld为寄生电感，单位为nH；Cp为封装寄生电容，单位为pF；实际设计时，L型微带中的传输线TL1的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2分别取大于零的最小值。...

【技术特征摘要】
1.一种高效率F类/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、输出基波阻抗匹配电路；其特征在于：所述谐波控制电路位于寄生补偿电路和输出基波阻抗匹配电路之间，所述寄生补偿电路位于晶体管和谐波控制电路之间，其中，所述谐波控制电路由三段特征阻抗为Z0，电长度分别为λ0/4,λ0/8,λ0/12的微带构成，λ0表示基波频率的波长；所述寄生补偿电路由L型微带结构构成；对于固定的工作频率，所述谐波控制电路对于F类和逆F类功率放大器是相同的，并在所述谐波控制电路的输入端形成二次谐波短路点和三次谐波开路点；晶体管寄生参数模型包含晶体管漏极和源极之间的寄生电容、寄生电感和封装寄生电容；对F类功率放大器，所述寄生补偿电路的L型微带中的传输线TL1的电长度θ1和传输线TL2的电长度θ2利用以下公式求解得到：

【专利技术属性】
技术研发人员：马建国，朱守奎，成千福，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12