一種基于基片集成波導(dǎo)的f類功率放大器輸出匹配電路的制作方法
【專利摘要】一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，包括：第一微帶線、第二微帶線和基片集成波導(dǎo)；第一微帶線與F類功率放大器中的三極管輸出端連接，且第一微帶線通過第二微帶線與基片集成波導(dǎo)連接；基片集成波導(dǎo)具有對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通，并通過短路面使得三次諧波在第一微帶線和第二微帶線連接處為短路的特性，本發(fā)明中的匹配電路同時實現(xiàn)了F類功率放大器的輸出匹配(基波、二次和三次匹配)和饋電網(wǎng)絡(luò)，以極簡的形式最大程度上滿足了F類功率放大器輸出匹配電路的需求。
【專利說明】
一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種功率放大器輸出匹配電路，特別是一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的F類功率放大器基于微帶枝節(jié)匹配實現(xiàn)。對于經(jīng)典的F類功率放大器輸出匹配電路如圖1所示，該輸出匹配電路的輸出匹配要求為= Z1 = Zcipt, η為偶數(shù)時，Ζη = 0，η為奇數(shù)時，Zn= OO，其中ZciptS最優(yōu)匹配阻抗。
[0003]功率放大器的漏級(或集電極)供電一般通過微帶枝節(jié)饋入。因為考慮到DC和RF的隔離，需要附加電感使得其對RF開路，或者電容到地來使得其對RF短路。當然，使用λ/4枝節(jié)也是較為常用的方式來在饋電枝節(jié)上對RF進行短路處理。
[0004]傳統(tǒng)設(shè)計方法的問題也因此而較為明顯:
[0005](I)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，往往會相互影響；
[0006](2)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)需要用到多個枝節(jié)，匹配復(fù)雜；
[0007](3)使用電感實現(xiàn)RF隔離的方法只有在S頻段及以下才有效，且足夠的電感量來獲取隔離特性往往意味著更大的直流損耗和更低的電流要求，這幾乎同時限制了頻段、功率和效率；
[0008](4)電容到地的濾波網(wǎng)絡(luò)對接地特性要求很高，枝節(jié)為λ/4，相對電感開路的方式(一般需要的枝節(jié)長度為λ/8)較長，這往往導(dǎo)致對基波和三次諧波的匹配非常困難，也限制了放大器工作帶寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，通過兩個微帶線和一個基片集成波導(dǎo)的電路結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)F類功率放大器的輸出匹配(基波、二次和三次匹配)和饋電網(wǎng)絡(luò)，最大程度上滿足了 F類功率放大器輸出匹配電路的需求。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，包括:第一微帶線、第二微帶線和基片集成波導(dǎo)；
[0011]所述第一微帶線與F類功率放大器中的三極管輸出端連接，且第一微帶線通過第二微帶線與基片集成波導(dǎo)連接；
[0012]所述基片集成波導(dǎo)具有對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通的特性，通過RF短路面使得三次諧波在第一微帶線和第二微帶線連接處為短路的特性。
[0013]所述第一微帶線和第二微帶線的長度均為λ/4，所述λ為F類功率放大器中心頻率對應(yīng)波長。
[0014]所述基片集成波導(dǎo)具有對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通的特性，通過調(diào)整基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)寬度實現(xiàn)。
[0015]所述基片集成波導(dǎo)通過RF短路面使得三次諧波在第一微帶線和第二微帶線連接處為短路的特性，通過調(diào)整基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)長度實現(xiàn)。
[0016]所述輸出匹配電路還包括調(diào)試開路線，所述阻抗調(diào)試開路線與第一微帶線連接，用于實現(xiàn)對輸出匹配電路輸出阻抗進行微調(diào)。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0018](I)本發(fā)明利用兩個微帶線和一個基片集成波導(dǎo)的電路結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了對功率放大器基波、二次和三次諧波的輸出匹配，結(jié)構(gòu)簡單。
[0019](2)本發(fā)明中的輸出匹配電路采用兩個微帶線和一個基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計，拓撲自身已消除了相互影響，滿足了 F類功率放大器輸出匹配電路的需求。
[0020](3)本發(fā)明中的輸出匹配電路采用兩個微帶線和一個基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，無需使用電感等隔離RF的器件，不受限于頻率，適用于大電流大功率場合。
[0021](4)本發(fā)明中的匹配電路RF隔離不需要再使用現(xiàn)有技術(shù)方案中的λ/4枝節(jié)，電路簡單，基本無寄生參數(shù)，可實現(xiàn)電路精確仿真設(shè)計。
【附圖說明】
[0022]圖1是傳統(tǒng)F類功率放大器輸出匹配電路示意圖；
[0023]圖2是具備本發(fā)明提出的輸出匹配電路的F類功率放大器原理框圖；
[0024]圖3是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器輸出匹配電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器輸出匹配電路結(jié)果示意圖；
[0026]圖5是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器拓撲圖；
[0027]圖6是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器電流電壓波形示意圖；
[0028]圖7是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器負載線特性示意圖；
[0029]圖8是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器仿真設(shè)計結(jié)果圖；
[0030]圖9是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器輸出功率示意圖；
[0031]圖10是本發(fā)明具體實施例中F類功率放大器功率增益和漏級效率示意圖。
[0032]其中，i一第一微帶線，2一第二微帶線，3—基片集成波導(dǎo)，4一阻抗調(diào)試開路線。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明，應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034]如圖2所示為具備本發(fā)明提出的輸出匹配電路的F類功率放大器原理框圖，圖2中的F類功率放大器包括輸入匹配和柵極供電電路、三極管和輸出匹配電路，其中輸入匹配和柵極供電電路與三極管的輸入端連接，輸出匹配電路與三極管的輸出端連接，從圖2可知，本發(fā)明中的基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，包括第一微帶線1、第二微帶線2和基片集成波導(dǎo)3;
[0035]所述第一微帶線I與F類功率放大器中的三極管輸出端連接，且第一微帶線I通過第二微帶線2與基片集成波導(dǎo)3連接；
[0036]所述基片集成波導(dǎo)3具有對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通，通過RF短路面使得三次諧波在第一微帶線I和第二微帶線2連接處為短路的特性。
[0037]因為SIW對基波截止，呈短路特性，則通過微帶線2，在基波fο上表現(xiàn)為開路，從而實現(xiàn)供電和RF的隔離，并且不影響基波匹配，而基波匹配主要通過調(diào)整微帶線I的寬度來實現(xiàn)(即通過調(diào)整微帶線I的寬度，可以實現(xiàn)良好的最優(yōu)匹配阻抗)，所述微帶線I的寬度根據(jù)不同的輸出匹配要求而不同；具體寬度由仿真設(shè)計或者工程測試獲得。
[0038]因為SIW對二次諧波截止，呈短路特性，則通過微帶線2枝節(jié)，在二次諧波2*fο上表現(xiàn)為短路；
[0039]進一步地，為了更快速地取得最好的匹配效果，第一微帶線I和第二微帶線2的初始長度均為λ/4，所述λ為F類功率放大器工作頻帶中心頻率對應(yīng)波長，這樣，當微帶線I選取為λ/4(在二次諧波上看是λ/2)時，在二次諧波上，在晶體管漏級看到的二次諧波阻抗仍為短路;此外，因為微帶線I在基波上為λ/4，則對于三次諧波而言，為3λ/4，這樣，在三次諧波上，在晶體管漏級看到的三次諧波阻抗為開路。
[0040]因為SIW對基波、二次諧波呈現(xiàn)截止特性，并通過短路面對三次諧波以及更高次諧波均呈現(xiàn)短路特性，因而其對DC和RF進行了隔離，使得DC能夠直接從SIW上端饋入晶體管。
[0041]進一步地，在實際工程中，通過調(diào)整基片集成波導(dǎo)3的結(jié)構(gòu)寬度實現(xiàn)基片集成波導(dǎo)3對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通的特性;通過調(diào)整基片集成波導(dǎo)3的結(jié)構(gòu)長度(SIW短路面到SIW輸入口的距離)實現(xiàn)基片集成波導(dǎo)3使得三次諧波在第一微帶線I和第二微帶線2連接處為短路的特性。所述寬度和長度均根據(jù)不同的輸出匹配電路而不同；具體取值由仿真設(shè)計或者工程測試獲得。
[0042]進一步地，為了在實際工程應(yīng)用中對輸出匹配電路的輸出阻抗進行微調(diào)，輸出匹配電路還包括阻抗調(diào)試開路線4，所述阻抗調(diào)試開路線4與第一微帶線I連接，通過阻抗調(diào)試開路線4阻值的調(diào)整實現(xiàn)對輸出匹配電路輸出阻抗的調(diào)整。
[0043]本發(fā)明利用兩個微帶線和一個基片集成波導(dǎo)3的電路結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了對功率放大器基波、二次和三次諧波的輸出匹配，結(jié)構(gòu)簡單。同時，本發(fā)明中的輸出匹配電路采用兩個微帶線和一個基片集成波導(dǎo)3的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計，拓撲自身已消除了相互影響，滿足了 F類功率放大器輸出匹配電路的需求;且無需使用電感等隔離RF的器件，不受限于頻率，適用于大電流大功率場合。與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明中的匹配電路RF隔離不需要再使用如圖1中所示的多個λ/4枝節(jié)。電路簡單，基本無寄生參數(shù)，可實現(xiàn)電路精確仿真設(shè)計。
[0044]本專利可以在微波頻段提供精準的F類功率放大器。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、能適應(yīng)更高頻段的要求和更大功率的場合，可以應(yīng)用到各種需要的電路和系統(tǒng)中。
[0045]本發(fā)明依托基片集成波導(dǎo)(SIW)3作為輸出匹配和漏級供電網(wǎng)絡(luò)，在簡化功率放大器輸出匹配的同時，提升了放大器的效率。具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0046]具體實施例
[0047]基于本發(fā)明中的輸出匹配電路，我們設(shè)計實現(xiàn)了一個工作在S頻段的F類功率放大器。所述F類功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。由圖4中的輸出匹配結(jié)果知:基波阻抗為400hm，二次諧波接近短路，三次諧波接近開路，從而獲得需要的電流電壓波形(電流波形含有基次和二次諧波成分，三次諧波成分為O;電壓波形含有基波和適當?shù)娜沃C波成分，二次諧波成分為O)。
[0048]S頻段F類功率放大器的電路拓撲如圖5所示，從圖5可知，本實施例中的S頻段F類功率放大器包括輸入匹配、晶體管和輸出匹配。其中輸入匹配是為了實現(xiàn)功率放大器的高增益以及柵壓供電，并考慮電路穩(wěn)定性;輸出匹配如采用本發(fā)明所述的輸出匹配電路，通過本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)可以同時實現(xiàn)基波、二次諧波和三次諧波的匹配，并進行漏級供電以及射頻和供電的隔離。
[0049]圖6為本實施例中的S頻段F類功率放大器在2.5GHz的電壓電流波形示意圖，圖7為本實施例中的S頻段F類功率放大器在2.5GHz的負載線特性。由圖6和圖7知，仿真獲得了類似方波形式的電壓波形，電流為半波整流正弦波，這表明，通過所述的輸出匹配形式，獲得了 F類功率放大器的漏級電流和電壓波形(理想F類模式漏級電流為半波整流正弦波，電壓為類方波形式)。
[0050]電路仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，本實施例中的F類功率放大器的工作頻段為2.4GHz到2.55GHz，效率在150MHz工作帶寬范圍內(nèi)大于75%，峰值效率大于80%。增益在整個頻帶內(nèi)大于14dB，輸出功率大于10W(40dBm)。
[0051 ]實測結(jié)果如圖9和圖10所示，從圖9和圖10可知，本實施例中的F類功率放大器的輸出功率在2.3GHz到2.58GHz范圍內(nèi)大于40dBm，峰值效率大于70%，在2.36GHz到2.56GHz范圍內(nèi)效率大于60%。獲得了優(yōu)良的電性能。
[0052]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
[0053]以上通過具體的和優(yōu)選的實施例詳細的描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明并不局限于以上所述實施例，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，其特征在于包括:第一微帶線(1)、第二微帶線(2)和基片集成波導(dǎo)(3); 所述第一微帶線(I)與F類功率放大器中的三極管輸出端連接，且第一微帶線(I)通過第二微帶線(2)與基片集成波導(dǎo)(3)連接； 所述基片集成波導(dǎo)(3)具有對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通的特性，并具有使得三次諧波在第一微帶線(I)和第二微帶線(2)連接處為短路的特性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，其特征在于:所述第一微帶線(I)和第二微帶線(2)的長度均為λ/4，所述λ為F類功率放大器工作頻帶中心頻率對應(yīng)波長。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，其特征在于:所述基片集成波導(dǎo)(3)具有對基波和二次諧波截止，對三次諧波導(dǎo)通的特性，通過調(diào)整基片集成波導(dǎo)(3)的結(jié)構(gòu)寬度實現(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，其特征在于:所述基片集成波導(dǎo)(3)具有使得三次諧波在第一微帶線(I)和第二微帶線(2)連接處為短路的特性，通過調(diào)整基片集成波導(dǎo)(3)的結(jié)構(gòu)長度，即短路面到基片集成波導(dǎo)入口的距離實現(xiàn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于基片集成波導(dǎo)的F類功率放大器輸出匹配電路，其特征在于:所述輸出匹配電路還包括調(diào)試開路線(4)，所述阻抗調(diào)試開路線(4)與第一微帶線(I)連接，用于實現(xiàn)對輸出匹配電路進行微調(diào)。
【文檔編號】H03F1/56GK105897200SQ201610201207
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】楊飛, 于洪喜
【申請人】西安空間無線電技術(shù)研究所