本發(fā)明屬于功率放大器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在已有的濾波器或者功率放大器，這二者的聯(lián)合設(shè)計考慮較少。未消除功率放大器諧波功率對發(fā)射機系統(tǒng)的影響，在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)的發(fā)射機當(dāng)中，通常的采用的前端射頻系統(tǒng)圖1所示；

諧波控制是一種有效提高射頻功率放大器效率的技術(shù)。面對下一代通信系統(tǒng)中大動態(tài)范圍的復(fù)雜調(diào)制信號,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)射機只能通過功率回退的方法來滿足線性指標(biāo),導(dǎo)致功率放大器效率降低；而ab類功率放大器本身的峰值效率也受限于理論值78.5％。為了突破傳統(tǒng)發(fā)射機的效率瓶頸,第四代通信發(fā)射機應(yīng)運而生。第四代發(fā)射機的主要特點是依賴信號處理與新型電路模塊結(jié)構(gòu)相結(jié)合的思路,使得更具效率優(yōu)勢的非線性功率放大器得以應(yīng)用?；谥C波控制技術(shù)的高效率功率放大器便屬于非線性功率放大器的一種。因此,對于諧波類功率放大器設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用成了射頻電路領(lǐng)域的熱點。

在傳統(tǒng)的功率放大器匹配設(shè)計，為了得到優(yōu)異的功率放大器性能，晶體管端面的阻抗被設(shè)計為了所需要的諧波控制阻抗，而負(fù)載端的阻抗都為標(biāo)準(zhǔn)阻抗50ω。這個常數(shù)阻抗表明不論是基波還是諧波，阻抗值都是50歐姆。而在實際的應(yīng)用中，為了降低功率放大器帶外對其它信道的影響，往往需要一個諧波濾波器。在與功率放大器級聯(lián)后，呈現(xiàn)在功率放大器負(fù)載端面的諧波阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離50ω。這會為已經(jīng)設(shè)計好的功率帶來巨大影響，因為諧波阻抗已經(jīng)和設(shè)計時的完全不同?；蛘呤芟抻谔炀€的工作帶寬，在與其級聯(lián)后，諧波阻抗也會偏離50ω。為此惡化功率放大器的性能——效率，增益，輸出功率變差。

另一方面，對于一個寬帶的諧波濾波器，在盡可能抑制諧波的情況下，散射參數(shù)s11必定圍繞著史密斯圓圖(解決射頻電路阻抗匹配問題的有用圖形工具)邊緣走。如果諧波阻抗區(qū)域超過一個倍頻程，那么在史密斯圓圖上，s11將繞著史密斯圓圖邊緣纏繞一圈。而功率放大器存在著阻抗敏感區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)，效率功率非常低。從而在功率放大器和濾波器獨立設(shè)計，再級聯(lián)在一起后，會有部分阻抗區(qū)域落入敏感區(qū)，降低這一部分頻帶的性能。

圖2和圖3分別給出了采用cree公司的氮化鎵晶體管cgh40010f在2ghz時二次和三次諧波負(fù)載牽引的結(jié)果(負(fù)載牽引是一種常用來確定晶體管最佳輸入輸出阻抗的仿真方法)。其結(jié)果顯示，在史密斯圓圖邊緣部分，存在效率功率敏感區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)，效率和功率非常低。在設(shè)計時，應(yīng)該避免諧波阻抗落入這些區(qū)域。對于窄帶功率放大器，很容易避開這些敏感區(qū)域?？蓪τ趯拵Чβ史糯笃鳎?.7-2.6ghz，其二次三次諧波頻段為：3.4-8.4ghz，其諧波頻段范圍超過了一個倍頻程。那么傳統(tǒng)的濾波器在濾除諧波的情況下，濾波器的諧波必然沿著史密斯圓圖的邊沿走，那么在一個倍頻程的范圍內(nèi)，必然有部分諧波阻抗落入了功率放大器的敏感區(qū)域。從而使功率放大器的性能發(fā)生惡化。

圖4給出了一個傳統(tǒng)的二三次諧波濾波器的版圖，其仿真結(jié)果如圖5和圖6。從仿真結(jié)果可以看出，在諧波功率相對基波功率被抑制30dbc時，對比前面的負(fù)載牽引結(jié)果，其s11的部分區(qū)域穿過功率放大器的敏感區(qū)域阻抗。

此外，在傳統(tǒng)設(shè)計中，即使功率放大器和濾波器兩個獨立的器件單獨設(shè)計的效果較好，但連接在一起，兩者性能惡化強烈。按照傳統(tǒng)設(shè)計獨立地仿真了一個有較好性能的功率放大器，一個二次三次諧波濾波器，再級聯(lián)在一起。其版圖如圖7所示。圖8和圖9給出了傳統(tǒng)設(shè)計中的仿真結(jié)果。圖8、圖9表明，傳統(tǒng)功率放大器和濾波器獨立設(shè)計的缺點十分明顯，諧波抑制濾波器和功率放大器聯(lián)合設(shè)計之后，功率放大器效率和輸出功率均有很大程度的惡化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，改進(jìn)設(shè)計一種含有阻性濾波器的寬帶諧波抑制功率放大器，解決現(xiàn)有功率放大其中諧波得不到有效抑制的問題。

本發(fā)明采用微帶線耦合的方式，引入兩個額外的電阻調(diào)整諧波阻抗，吸收諧波功率，使得即使在晶體管端面看出，有很大的諧波功率，但仍然不會輸出到負(fù)載上而被匹配網(wǎng)絡(luò)的電阻吸收；這樣在未來功率放大器設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸出匹配可以在保證諧波功率抑制的情況下，能夠靈活的設(shè)計晶體管端面的諧波阻抗。因而本發(fā)明的技術(shù)方案為一種含有阻性濾波器的寬帶諧波抑制功率放大器，該功率放大器包括：功放模塊、微帶線匹配網(wǎng)絡(luò)、微帶線濾波網(wǎng)絡(luò)，其特征在于在微帶線濾波網(wǎng)絡(luò)上引出諧波吸收支路，該諧波吸收支路包括：耦合微帶線、電阻，該耦合微帶線一端連接微帶線濾波網(wǎng)絡(luò)，另一端連接電阻，電阻另一端接地。

進(jìn)一步的，所述微帶線濾波網(wǎng)絡(luò)上引出兩條諧波吸收支路，每條吸收支路中的電阻大小為50歐姆。

本發(fā)明通過采用新型阻性濾波器聯(lián)合設(shè)計功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和諧波濾波器，使二者融為一體，整體作為功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)；能有效地避免獨立設(shè)計的二者在級聯(lián)后使功率放大器輸入端的阻抗落入敏感區(qū)域從而降低功率放大器的工作性能；同時能避免諧波阻抗發(fā)生改變后對功放性能造成的影響，有較強的抗諧波阻抗失配能力。本發(fā)明在1.6-2.7ghz的工作頻段內(nèi)的效率為70％～80％之間；輸出功率優(yōu)于40dbm。

說明書附圖

圖1為傳統(tǒng)發(fā)射機射頻前端結(jié)構(gòu)；

圖2為2ghz處二次負(fù)載牽引結(jié)果；

圖3為2ghz處三次諧波負(fù)載牽引結(jié)果；

圖4為傳統(tǒng)的諧波濾波器版圖；

圖5為傳統(tǒng)的二次、三次諧波濾波器；

圖6為傳統(tǒng)諧波濾波器散射參數(shù)s21仿真結(jié)果；

圖7為傳統(tǒng)功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與諧波濾波器網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)版圖；

圖8為仿真漏極效率曲線：實線為功率放大器效率，虛線為功率放大器與濾波器級聯(lián)后的效率曲線；

圖9為仿真輸出功率曲線：實線為功率放大器輸出功率，虛線為功率放大器與濾波器級聯(lián)后的輸出功率曲線；

圖10應(yīng)用本發(fā)明的新型發(fā)射機射頻前端結(jié)構(gòu)；

圖11提出一種新的阻性濾波器；

圖12為功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與新型阻性濾波器的聯(lián)合設(shè)計；

圖13為功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與阻性濾波器在晶體管端面的s11曲線；

圖14為新型阻性濾波器和功率放大器聯(lián)合設(shè)計，輸出功率與效率的仿真結(jié)果；

圖15為實測聯(lián)合設(shè)計電路輸出效率、功率、增益曲線；

圖16為實測聯(lián)合設(shè)計電路二次三次諧波相對基波抑制情況；

圖17為負(fù)載阻抗發(fā)生變化后，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗值的變化曲線。

具體實現(xiàn)方式

本發(fā)明的研究內(nèi)容為：功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的諧波控制，阻性濾波器研究。因為諧波控制類功率放大器，其性能依賴于諧波，特別是二次、三次諧波阻抗。而諧波控制類功率放大器，需要一定的諧波功率，使晶體管端面的電壓電流波形盡可能的錯開，以達(dá)到高效率狀態(tài)。矛盾的是，這些諧波功率對發(fā)射系統(tǒng)又是有害的，因此需要通過濾波器抑制。諧波濾波器的引入又會造成功率放大器輸入端阻抗發(fā)生變化。因此，本發(fā)明的研究著重于對諧波抑制的情況下，同時保證諧波阻抗避開諧波阻抗敏感區(qū)域。

第一，首先研究新型阻性濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

下圖11即為本發(fā)明中設(shè)計的應(yīng)用在功率放大器輸出端的新型的阻性諧波濾波器，通過濾波器內(nèi)部的阻性元件吸收諧波功率和調(diào)整功率放大器的諧波阻抗。諧波功率的吸收通過引入一個并聯(lián)的阻性支路，通過采用耦合線匹配使其對基波為強反射狀態(tài)，而諧波呈現(xiàn)較好的匹配狀態(tài)。這樣，不論是基波阻抗還是諧波阻抗，在輸入端口輸入阻抗函數(shù)zin和源阻抗rs能較好的匹配。

第二、設(shè)計含有新型阻性結(jié)構(gòu)的諧波抑制寬帶功率放大器(功率放大器和諧波抑制濾波器的聯(lián)合設(shè)計)：

圖12是本技術(shù)發(fā)明設(shè)計的功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)與所提出的阻性濾波器結(jié)構(gòu)，從圖中諧波濾波器網(wǎng)絡(luò)可以看出，引入兩個額外電阻，來吸收功率放大器諧波功率。

第三，對設(shè)計的電路應(yīng)用射頻電路仿真工具進(jìn)行仿真驗證：

圖13給出了功率放大器輸出端口封裝平面看過去匹配網(wǎng)絡(luò)的s11隨頻率的的轉(zhuǎn)動曲線，在整個基波到三次諧波頻段內(nèi)，繞過史密斯圓圖的阻抗敏感區(qū)域，確保實現(xiàn)高效率和較高輸出功率。

圖14給出了聯(lián)合設(shè)計的效率和輸出功率的仿真曲線，根據(jù)結(jié)果可以看出，所提出的阻性濾波器與功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合設(shè)計可以取得較好的結(jié)果。其中在整個預(yù)設(shè)工作頻段內(nèi)(1.6-2.7ghz)的效率為70％～80％之間；輸出功率優(yōu)于40dbm。

第四，對發(fā)明進(jìn)行實物加工測試：

圖15至17給出了本發(fā)明的實物測試結(jié)果圖。

實測結(jié)果顯示，本發(fā)明提出的電路結(jié)構(gòu)能確確實實改善現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計中存在的問題，在保證功率放大器的效率和功率較優(yōu)的情況下抑制了功率放大器二次和三次諧波功率，并且可以靈活設(shè)計晶體管輸出端面的諧波阻抗，對未來應(yīng)用于全新通信時代的發(fā)射機提供了新的功率放大器電路結(jié)構(gòu)。