[發明專利]一種基于精確諧波控制的高效率雙頻功率放大器及其設計方法

在審

• 申請號: 202110573543.2
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN113395043A
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 劉國華;趙眾;王維榮;簡葉龍;程知群
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H03F1/02
• 分類號: H03F1/02;H03F3/217
• 代理公司: 浙江永鼎律師事務所 33233
• 代理人: 陸永強

1.一種基于精確諧波控制的高效率雙頻功率放大器，其特征在于，包括輸入匹配網絡、柵極偏置電路、晶體管、漏極偏置電路、諧波控制網絡和基波匹配電路，其中，

所述輸入匹配網絡的輸入端作為功率輸入端，其輸出端接所述晶體管柵極；

所述柵極偏置電路并聯在輸入匹配網絡中，末端通過去耦電容C_gate并聯到地；

所述晶體管漏極與諧波控制網絡的輸入端相連接，諧波控制網絡與基波匹配電路連接，基波匹配電路的輸出端作為功率輸出端，漏極偏置電路并聯于諧波控制網絡中，末端通過去耦電容C_drain并聯到地；

所述輸入匹配網絡包括微帶線T0、T1、T2、T3、T4和隔直電容C₁；微帶線T0的一端與輸入端連接，微帶線T0的另一端與隔直電容C₁的一端相接；隔直電容C₁的另一端與微帶線T1的一端相接，微帶線T1、T2和T3依次串聯；微帶線T3另一端與微帶線T4和柵極偏置T5相連接，其中T5并聯在輸入匹配電路中；微帶線T4與晶體管的柵極端相接；

所述柵極偏置電路包括微帶線T5和去耦電容C_gate，其中微帶線T5的一端與微帶線T3和T4的連接處并聯連接，微帶線T5的另一端與去耦電容C_gate的一端連接，去耦電容C_gate的另一端接地；

所述諧波控制網絡包括微帶線T6、T7、T8、T9和T10；微帶線T6與晶體管的漏極相連接，另一端與漏極偏置電路T7和微帶線T8相連；漏極偏置微帶線T7并聯在微帶線T6與T8之間，微帶線T8的另一端與微帶線T9、T10、T11相連；微帶線T9與T10分別并聯在T8與T11之間的兩端，它們的另一端均開路；

所述漏極偏置電路包括微帶線T7和去耦電容C_drain，其中微帶線T7的一端與所述諧波控制網絡中的微帶線T6和T8連接，并聯于諧波控制網絡中，微帶線T7的另一端與去耦電容C_drain連接；

所述基波匹配電路包括微帶線T11和微帶線T12，它們依次串聯；且微帶線T11與T12電長度相同；微帶線T12與隔直電容C₂相連，之后隔直電容C₂與微帶線T13相連，最后整體連接到輸出端。

2.根據權利要求1所述的基于精確諧波控制的高效率雙頻功率放大器，其特征在于，所述柵極偏置電路的偏壓為-2.7V。

3.根據權利要求1所述的基于精確諧波控制的高效率雙頻功率放大器，其特征在于，所述漏極偏置電路的偏壓為28V。

4.一種基于精確諧波控制的高效率雙頻功率放大器的設計方法，采用權利要求1-3之一所述的基于精確諧波控制的高效率雙頻功率放大器，其特征在于，包括以下步驟：

S1，首先進行輸入匹配電路的設計，在ADS即先進設計系統中，對晶體管在低頻段f₁與高頻段f₂處進行源牽引，選取最大效率點作為需匹配的源阻抗值Z_S1和Z_S2；

S2，輸入匹配電路的設計僅需考慮基波阻抗值的匹配，利用三段式匹配結構完成輸入匹配網絡的設計；其中，

第一段用于將柵極端面的兩頻率下的復阻抗匹配至一組共軛阻抗，其具體參數由下式計算得到：

第二段則用于將上述得到的共軛阻抗匹配至同一實阻抗，然后利用第三段實現雙頻模式下的實阻抗匹配到輸入端的50歐姆；

S3，將漏極偏置微帶線T7的電長度設置為f₂頻率下的四分之一波長，用于實現2f₂頻率下的短路，微帶線T6用于寄生補償以及實現2f₂頻率下短路到開路變換；確定漏極偏置電路之后，再對其進行負載牽引，得到兩頻段下的最佳負載阻抗值Z_D1和Z_D2可以更加準確進行后續雙頻匹配電路的設計；

S4，根據步驟S3得到的阻抗值Z_D1和Z_D2，通過微帶線T8變換至相同的實部相同的復阻抗值，并通過計算下式可以得到T8的電性參數；

Re(Z_in1)@f₁＝Re(Z_in1)@f₂

之后利用微帶線T9與T10消除經T8變換后的復阻抗值的虛部，同時對2f₁和3f₂進行開路到短路變換以實現諧波控制；通過將T9，T10產生的虛部與上述經T8變換后得到的虛部互為相反數可以計算得到Z₉，Z₁₀的值；同時需要注意的是，T9，T10有四個未知參數，僅需確定Z₉與Z₁₀便可實現虛部的消除，θ₉與θ₁₀可以自由設置，將其分別設置為2f₁和3f₂頻率下的四分之一波長，便可將其進行開路到短路變換；

S5，確定諧波控制網絡之后，利用微帶線T11、T12將得到的純阻抗值變換至50歐姆；

S6，對整體電路進行仿真和微調。