一種基于寄生補(bǔ)償?shù)膉類功率放大電路及射頻功率放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于射頻通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路及射 頻功率放大器。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，"綠色通信"的推廣以及無(wú)線電頻譜資源的日益匱乏，給傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng) 帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致通信系統(tǒng)中效率、線性度的指標(biāo)要求越來(lái)越嚴(yán)苛。隨著通信系統(tǒng)指 標(biāo)要求的提升，通信系統(tǒng)中子模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)也越來(lái)越高，而無(wú)線通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)末級(jí) 的射頻功率放大器正是影響整個(gè)通信系統(tǒng)效率和線性度的關(guān)鍵模塊。與此同時(shí)，由于無(wú)線 通信業(yè)的快速發(fā)展，低成本、超寬帶的射頻功率放大器也越來(lái)越受到消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。因 此，高效率、高線性度、寬頻帶的射頻功率放大器成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研宄熱點(diǎn)。
[0003]J類功率放大器是在2006年首次提出的一種新型的高效率、寬帶功率放大器，它 利用波形整形控制技術(shù)，可以在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)同AB類或B類功放一樣的效率和線性 度，因?yàn)樗恍枰馞類或者E類功放一樣采用諸如開路或者短路的諧振阻抗形式。J類功 率放大器晶體管的輸出負(fù)載阻抗在理想情況下，晶體管的漏極電壓和電流波形均為半正弦 波，且兩者相位相差45°，且電壓波形與電流波形重疊較少，以實(shí)現(xiàn)較高效率的功率傳輸， 圖1示出了J類功率放大電路中晶體管漏極輸出端電流Ids和電壓Vds的波形，為實(shí)現(xiàn)該理 想波形，在設(shè)計(jì)J類功率放大電路時(shí)，基波阻抗必須滿足實(shí)、虛部相等的最佳負(fù)載阻抗（Zf。 =!?_+」*!?_)，二次諧波阻抗僅包含虛部（Z2f。二-』515#'# )，為基波最佳負(fù)載阻抗虛部 O 的-3 /8倍，三次及三次以上的諧波阻抗短路（Z3ft= 0)，從而使晶體管的功率消耗較低， 由此可實(shí)現(xiàn)近78. 5%的工作效率。同時(shí)，由于J類功率放大器偏置在深度AB類接近B類放 大器的狀態(tài)，其輸出電流波形中不包含高次諧波分量，因此具有類似于AB類或B類的線性 度指標(biāo)。
[0004] 但是，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)功率放大器的工作頻率很高時(shí)，功放晶體管在功率信 號(hào)輸出端（漏極）和內(nèi)部芯片的實(shí)際漏極之間存在許多寄生參量，例如：晶體管漏極和源極 之間的寄生電容cds、寄生電感Ld和封裝寄生電容(^等。由于這些寄生分量的存在，在晶體 管功率信號(hào)輸出端處所觀察到的電壓電流波形與實(shí)際內(nèi)部晶體芯片漏極電壓電流波形不 完全一致。導(dǎo)致將理想的諧波控制電路直接加載在晶體管的功率信號(hào)輸出端時(shí)，不能實(shí)現(xiàn) 對(duì)漏極節(jié)點(diǎn)處J類功率放大器的基波、二次諧波、三次諧波阻抗所需條件。從而導(dǎo)致，晶體 管的能量損耗增加，惡化放大器的工作效率和線性度指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路，旨在解決 現(xiàn)有J類功率放大電路由于晶體管封裝產(chǎn)生的寄生參量影響放大器的阻抗匹配，從而影響 效率和線性度指標(biāo)的問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路，所述電路 包括：
[0007] 晶體管及寄生電路；
[0008] 諧波寄生補(bǔ)償單元，用于對(duì)所述晶體管及寄生電路實(shí)現(xiàn)寄生補(bǔ)償，所述諧波寄生 補(bǔ)償單元的輸入端與所述晶體管的功率信號(hào)輸出端連接，所述晶體管的功率信號(hào)輸入端為 所述基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路的輸入端；
[0009] 諧波阻抗控制單元，用于對(duì)所述功率放大電路的二次諧波阻抗和三次諧波阻抗實(shí) 現(xiàn)獨(dú)立控制，所述諧波阻抗控制單元的輸入端與所述諧波寄生補(bǔ)償單元的輸出端連接；
[0010] 基波阻抗控制單元，用于對(duì)所述功率放大電路的基波阻抗實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，所述基 波阻抗控制單元的輸入端與所述諧波阻抗控制單元的輸出端連接，所述基波阻抗控制單元 的輸出端與電容C1的一端連接，所述電容C1的另一端與負(fù)載連接。
[0011] 本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于，提供一種采用上述基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大 電路的射頻功率放大器。
[0012] 本發(fā)明實(shí)施例利用諧波寄生補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)功率放大器晶體管的諧波阻抗進(jìn)行補(bǔ)償 和控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基波、二次諧波和三次諧波阻抗的精確控制，從而使得晶體管的能量損耗 降低，從而達(dá)到提升功率放大器的工作效率和線性度指標(biāo)的目的。并且，該設(shè)計(jì)方法對(duì)J類 功率放大器二次和三次諧波阻抗獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的各次諧波阻抗控制電路不會(huì)相互影響， 不需要后期優(yōu)化調(diào)試工作，大大降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減少了后期調(diào)試的繁冗工作。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為理想情況下J類功率放大電路中晶體管漏極輸出端電流與電壓波形示意圖 圖；
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路的優(yōu)選結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0017] 本發(fā)明實(shí)施例利用諧波寄生補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)功率放大器晶體管的諧波阻抗進(jìn)行補(bǔ)償 和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)基波、二次諧波和三次諧波阻抗的精確控制，降低晶體管的能量損耗，提升 功率放大器的效率和線性度，并且對(duì)二次和三次諧波阻抗獨(dú)立設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各次諧波阻抗控 制電路互不影響，無(wú)需后期優(yōu)化調(diào)試，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減少了后期調(diào)試的繁冗工作。
[0018] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述：
[0019] 圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路的結(jié)構(gòu)，為了 便于說(shuō)明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。
[0020] 作為本發(fā)明一實(shí)施例，該基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路可以應(yīng)用于任何射頻 功率放大器中，包括：
[0021] 晶體管及寄生電路11 ;
[0022] 諧波寄生補(bǔ)償單元12,用于對(duì)晶體管及寄生電路實(shí)現(xiàn)寄生補(bǔ)償，諧波寄生補(bǔ)償單 元12的輸入端與晶體管的功率信號(hào)輸出端連接，晶體管的功率信號(hào)輸入端為基于寄生補(bǔ) 償?shù)腏類功率放大電路的輸入端；
[0023] 在本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于N型MOS管，從功率信號(hào)流圖的角度講，N型MOS管將柵 極輸入的小功率信號(hào)放大為漏極輸出的大功率信號(hào)，諧波寄生補(bǔ)償單元12處理的信號(hào)，既 包含交流電壓信號(hào)也包含交流電流信號(hào)。
[0024] 諧波阻抗控制單元13,用于對(duì)功率放大電路的二次諧波阻抗和三次諧波阻抗實(shí)現(xiàn) 獨(dú)立控制阻抗，諧波阻抗控制單元13的輸入端與諧波寄生補(bǔ)償單元12的輸出端連接；
[0025] 基波阻抗控制單元14,用于對(duì)功率放大電路的基波阻抗實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，基波阻抗 控制單元14的輸入端與諧波阻抗控制單元13的輸出端連接，基波阻抗控制單元14的輸出 端與電容C1的一端連接，電容C1的另一端與負(fù)載連接。
[0026] 作為本發(fā)明一實(shí)施例，諧波寄生補(bǔ)償單元12可以由L型微帶線結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
[0027] 在本發(fā)明實(shí)施例中，晶體管的寄生參量模型（寄生電路）包括：晶體管漏極和源極 間的寄生電容Cds、寄生電感Ld和封裝寄生電容Cp等。
[0028] 作為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，諧波寄生補(bǔ)償單元（網(wǎng)絡(luò)）12位于晶體管的功率信號(hào) 輸出端和諧波控制單元之間，由特征阻抗為&的L型微帶線中的第一傳輸線TL1和第二傳 輸線TL2構(gòu)成。其中第一傳輸線TL1的電長(zhǎng)度為，第二傳輸線TL2的電長(zhǎng)度為02。
[0029] 對(duì)基于寄生補(bǔ)償?shù)腏類功率放大電路，諧波寄生補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的L型微帶中的傳輸線 TL1的電長(zhǎng)度0 ,和傳輸線TL2的電長(zhǎng)度0 9利用以下公式求解得到：
[0032] 上述公式中，n為整數(shù)，&為微帶的特征阻抗，單位為Q ^為基波角頻率，單位 為rad/s;Cds為寄生電容，單位為pF;Ld為寄生電感，單位為nH;CPS封裝寄生電容，單位為pF，1?_最佳負(fù)載阻抗。
[0033]在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，第一傳輸線TL1的電長(zhǎng)度為0i和第二傳輸線TL2的電長(zhǎng)度取大 于零的最小值。
[0034]在本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)合理的選擇第一傳輸線TL1的電長(zhǎng)度為9i和第二傳輸 線TL2的電長(zhǎng)度0 2的具體值，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波阻抗的寄生補(bǔ)償，同時(shí)，獨(dú)立調(diào)整輸出電路的基 波阻抗控制單元可以單獨(dú)控制基波阻抗匹配，從而分別滿足J類功率放大器在晶體管固有 漏極（或電流輸入端）相應(yīng)的基波、二次諧波和三次諧波阻抗要求。
[0035] 作為本發(fā)明一實(shí)施例，諧波阻抗控制單元（網(wǎng)絡(luò)）13可以由三段微帶線結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
[0036] 參見圖2,其中三段微帶線特征阻抗為&，具體為：串聯(lián)微帶線、開路微帶線和短路 微帶線；
[0037]串聯(lián)微帶線的一端為諧波阻抗控制單元13的輸入端，其電長(zhǎng)度為A/4,串聯(lián)微 帶線的另一端為諧波阻抗控制單元13的輸出端同時(shí)與開路微帶線和短路微帶線的一端連 接，開路微帶線的電長(zhǎng)度為A"12,所述短路微帶線的另一端接地，短路微帶線的電長(zhǎng)度為 入c/4,該結(jié)構(gòu)中串聯(lián)微帶線、開路微帶線和短路微帶線的特征阻抗均為&，對(duì)于固定工作頻 率，該諧波控制單元可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入端口處的二次諧波短路、三次諧波開路。其中，為基 波頻率的波長(zhǎng)。
[0038] 在圖2中，S表示諧波阻抗短路，0表示諧波阻抗開路。也就是說(shuō)，1S表示基波（一 次波）短路，2S表示二次諧波短路，3S表示三次諧波短路，30表示三次諧波開路，10表示基 波（一次波）開路。
[0039] 二次諧波和三次諧波阻抗控制的具體原理闡述如下：
[0040] 根據(jù)諧波控制電路輸入端實(shí)現(xiàn)的二次諧波短路、三次諧波開路的阻抗條件，能夠 得到從晶體管固有漏極處向負(fù)載方向的等效阻抗。對(duì)二次諧波，得到晶體管固有漏極處的 負(fù)載阻抗為：
[0041]
[0042] 其中，Zi=jZJanO0 ^是基波角頻率，晶體管漏極和源極之間的寄生電容 Cds、寄生電感Ld和封裝寄生電容Cp。
[0043] 同樣地，對(duì)三次諧波，由對(duì)應(yīng)的等效電路，得到晶體管固有漏極處的負(fù)載阻抗為：
[0044]
[0045]