基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法技术

本发明专利技术公开了基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法，该方法首先提取晶体管的X参数模型，然后通过负载牵引的方式寻找符合设计目标的最佳阻抗匹配区域，在该区域内选取目标阻抗值，作为设计与优化阻抗匹配电路的目标，接着根据微带特征设置晶体管的偏置电路与稳定网络，最后完成电路各模块的组装与系统级调试，还引入了散热装置，实现了在宽频带范围内稳定工作的功率放大器。本发明专利技术首次提出了基于晶体管X参数模型设计功率放大器的方法，克服了使用等效电路模型时获取模型周期长的缺点。同时使用负载牵引寻找最佳阻抗匹配区域的方式，可以快速、准确地完成阻抗匹配电路的设计，使功放在宽频带范围内保持稳定的输出，减小功耗。小功耗。小功耗。

【技术实现步骤摘要】
基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法


[0001]本专利技术属于微电子器件建模及射频功率放大器设计领域，具体涉及基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法。

技术介绍

[0002]宽禁带半导体GaN材料是极稳定的材料，具有大禁带宽度、高电离度、高电子饱和速度、击穿场强及电子迁移率等优异特性。GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的热点，是研制光电子器件和微电子器件的新型半导体材料。它和金刚石、碳化硅等半导体材料一起被誉为第三代半导体材料。GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种异质结场效应晶体管，其结构具有高电子迁移率、高的饱和速度和较低的介电常数的特点，适合用来制作微波器件。这种器件能够很好的应用于超高速和超高频(毫米波)领域，目前在GaN微波射频领域取得了显著的成效，成为了无线通信接收系统中具有潜力的功率器件，另外在5G通信、军事、航空航天和雷达等领域不断展现其重大的意义。
[0003]近年来，随着现代无线通信系统的迅速发展，对数据传输速率的需求也不断提高，这种趋势对底层物理层的性能提出了进一步的要求。通信系统的整体功率效率在很大程度上取决于各组成功放的效率。为了在较宽的频率范围内保持高效率，传统上需要多个功放，分别针对整体所需带宽内的特定子频段进行优化。这给系统增加了相当大的成本和复杂性。因此，需要在宽频带范围内均保持高效率的功放，来缓解这些问题。
[0004]为了获得宽带功放，已经提出了多种实现方法。例如，分布式功放、连续模式功放与和谐波调谐功放。其中，分布式功放可以实现最宽的带宽。但其效率通常较低，多晶体管电路设计成本较高。而连续模式功放，如连续版的Class
‑
F、Class
‑
J和Class
‑
F
‑
1功放，不仅可以实现宽频率带宽，而且效率高。但是，由于基本阻抗响应的上频端与二次谐波阻抗响应的下频端重叠，传统的连模功率放大器的带宽通常不能超过一个倍频程。要实现一个高效率宽带的功率放大器，阻抗匹配电路的设计也是十分重要的，首先需要知道所使用的晶体管在对应频点和输入功率能够达到设计目标的阻抗区域的位置。只有找到合适的区域才能保证最终设计得到的功放在较宽的带宽中保持稳定的性能和尽可能的功耗。
[0005]另外，大信号模型的准确性对于优化功放设计至关重要。因此，准确的模型也是宽带高效功放设计所关心的。一直以来，等效电路模型是设计人员唯一可用的选择。然而，由于这些模型的提取设计过程冗长，人们将注意力转向非线性行为模型，如X参数模型，它提供了一种描述射频功率晶体管特性的替代方法，并且可以直接从有源器件中提取，快速而准确。但基于X参数模型进行各类功放的设计的工作却还有待进一步的研究。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提出了基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法，为射频功率放大器的设计提供了一种新的思路，提取晶体管的X参数模型后通过负载牵引的方式寻找最佳阻抗匹配区域，设计输入输出阻抗匹配电路，实现多倍频程带宽的
功放。
[0007]基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤一、模型提取
[0009]根据功放带宽设置输入频率、偏置条件、输入功率和负载反射系数Γ的幅度间隔和相位间隔，提取晶体管的X参数模型。
[0010]步骤二、获取最佳阻抗匹配区域
[0011]利用负载牵引的方法，提取出满足要求的最佳阻抗匹配区域，具体步骤包括：
[0012]s2.1、对所提取晶体管的X参数模型在对应的输入频率、偏置条件、输入功率条件下进行负载牵引，通过调节收敛圆的半径大小和圆心坐标位置，得到完整的功率附加效率等值圆和输出功率等值圆。
[0013]s2.2、将提取出对应频点下满足最低设计要求的功率附加效率等值圆和输出功率等值圆，这两个等值圆的交集区域则视为在该频点处满足设计目标的最佳阻抗区域。
[0014]步骤三、阻抗匹配电路设计
[0015]根据步骤二获得的最佳阻抗匹配区域，选择中心频率的最佳阻抗匹配区域内的一个阻抗值作为匹配目标，采用三阶切比雪夫低通技术设计阻抗匹配电路，再将各频点处的阻抗值优化至对应的最佳阻抗匹配区域内，完成功放的输入、输出阻抗匹配电路设计；
[0016]步骤四、偏置电路与稳定网络设计
[0017]使用四分之一波长结构设计功放的偏置网络；在晶体管的栅极偏置电路和输入阻抗匹配电路上分别串联一个电阻和一个RC并联网络作为稳定网络；从而使晶体管能够处于完全稳定状态下工作。
[0018]步骤五、组装与调试
[0019]将步骤三、步骤四设计的输入、输出阻抗匹配电路、偏置电路、稳定网络电路进行组合，细微调整微带线参数，包括拐角与焊盘的调整。最终选取最优微带线参数作为得到的多倍频程功率放大器的尺寸。
[0020]作为优选，步骤五还包括散热装置的设计。
[0021]本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、以晶体管的X参数模型为基础设计多倍频功率放大器，与等效电路模型相比，使用的模型更精准，仿真结果更接近实际电路。
[0023]2、通过负载牵引的方式，可以快速、准确找到对应频点的最佳阻抗区域，实现多倍频的功率放大器设计。
附图说明
[0024]图1为实施例中提取的X参数模型与等效电路模型在不同频点处的输出基波电压对比图；
[0025]图2为实施例中提取的X参数模型与等效电路模型在不同频点处的漏极电流对比图；
[0026]图3为实施例中提取的X参数模型与等效电路模型的二次谐波输出电压的对比图；
[0027]图4为实施例中提取的X参数模型与等效电路模型在不同负载点含四阶谐波成分的输出电压电流对比图；
[0028]图5为实施例中提取的X参数模型和等效电路模型的输出功率/功率附加效率等值线对比图；
[0029]图6为实施例中通过负载牵引得到的最佳阻抗区域图和三阶切比雪夫低通输出匹配结构的结果图；
[0030]图7为实施例中基于罗杰斯Ro4350B板材设计的多倍频程功率放大器的总体结构图；
[0031]图8为实施例中多倍频程功率放大器的联合仿真整体结构图；
[0032]图9为实施例中多倍频程功率放大器的实物图；
[0033]图10为实施例中多倍频程功率放大器的实测结果与两种模型仿真结果的增益、输出功率和漏极效率对比图。
具体实施方式
[0034]以下结合附图对本专利技术作进一步的解释说明；
[0035]基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法，具体包括以下步骤：
[0036]步骤一、模型提取
[0037]在输入频率为0.6
‑
2.3GHz，偏置条件为Vgs＝
‑
2.7v，Vds＝28v，输入功率为28dBm，扫描负载反射系数Γ的幅度间隔为0.1，相位间隔为10
°
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于宽带负载牵引X参数的多倍频程功放设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一、模型提取根据功放带宽设置输入频率、偏置条件、输入功率和负载反射系数Γ的幅度间隔和相位间隔，提取晶体管的X参数模型；步骤二、获取最佳阻抗匹配区域利用负载牵引的方法，提取出满足要求的最佳阻抗匹配区域，具体步骤包括：s2.1、对所提取晶体管的X参数模型在对应的输入频率、偏置条件、输入功率条件下进行负载牵引，通过调节收敛圆的半径大小和圆心坐标位置，得到完整的功率附加效率等值圆和输出功率等值圆；s2.2、将提取出对应频点下满足最低设计要求的功率附加效率等值圆和输出功率等值圆，这两个等值圆的交集区域则视为在该频点处满足设计目标的最佳阻抗区域；步骤三、阻抗匹配电路设计根据步骤二获得的最佳阻抗匹配区域，选择中心频率的最佳阻抗匹配区域内的一个阻抗值作为匹配目标，设计阻抗匹配电路，再将各频点处的阻抗值优化至对应的最佳阻抗匹配区域内，完成功放的输入、输出阻抗匹配电路设计；步骤四、偏置电路与稳定网络设计使用四分之一波长结构设计功放的偏置网络；在晶体管的栅极偏置电路和输入阻抗匹配电路上分别串联一个电阻和一个RC并联网络作为稳定网络；步骤五、组装与调试将步骤三、步骤四设计的输入、输出阻抗匹配...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡佳林，吴美林，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：