一種高階f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，尤其涉及一種高階F類功率放大電路及射頻功率放大 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著"綠色通信"的廣泛普及，高效率、低能耗的通信系統(tǒng)越來越受到消費市場的 青睞。作為射頻通信系統(tǒng)中信號發(fā)射機的末級模塊，射頻功率放大器消耗了發(fā)射機系統(tǒng)超 過70%的能量，因此提高功率放大器的發(fā)射效率是降低能耗，實現(xiàn)"綠色通信"的關(guān)鍵，提高 功率放大器的工作效率成為了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研宄熱點。
[0003] F類功率放大器是一種開關(guān)功率放大器，理想情況下，其效率可以達到100%。F類 功率放大器晶體管的輸出負載阻抗比較特殊，除基波阻抗必須滿足最佳負載阻抗需求外， 高次諧波阻抗中，偶次諧波阻抗必須實現(xiàn)短路，奇次諧波阻抗必須實現(xiàn)開路狀態(tài)，這樣晶體 管的輸出電壓波形為方波，輸出電流波形為半正弦波，參見圖1，同時，電壓方波vds與電流 半正弦波^相位差為90°，電壓波形與電流波形在時域上沒有交疊，因此沒有直流功率損 耗，晶體管的能量全部轉(zhuǎn)化為射頻信號功率傳輸至負載，由此實現(xiàn)100%的工作效率。
[0004] 對于F類功率放大器，當晶體管輸出負載阻抗二次諧波短路、三次諧波開路時，晶 體管漏極電流包含一次及二次諧波成分，漏極電壓包含一次及三次諧波成分，此時功率放 大器可以實現(xiàn)75%的效率；當晶體管輸出負載阻抗二次與四次諧波短路、三次與五次諧波 開路時，晶體管漏極電流包含一次、二次及四次諧波成分，漏極電壓包含一次、三次及五次 諧波成分，此時功率放大器可以實現(xiàn)83 %的效率，以此類推，包含的諧波越高，則F類功放 的效率越高。
[0005] 但是，在實際F類功放電路設計中，由于各次諧波阻抗控制電路之間會相互影響， 要想滿足所有高階偶次諧波阻抗短路，所有高階奇次諧波開路的情況是很難的。一般來說， 實際電路設計中往往只考慮到三次諧波阻抗。而對于實現(xiàn)更高階的F類功放的諧波阻抗設 計，現(xiàn)有技術(shù)可以達到最高到五次諧波阻抗控制，但是該技術(shù)在利用微帶線結(jié)構(gòu)進行諧波 控制時，各次諧波阻抗控制電路相互之間會產(chǎn)生影響，如在進行二次及四次阻抗短路設計 時，還需要額外考慮其對三次和五次諧波阻抗的影響，因此無法實現(xiàn)對各次諧波阻抗的獨 立控制，這就大大增加了電路設計者的設計復雜度，需要花費大量的時間進行電路仿真及 調(diào)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種高階F類功率放大電路，旨在解決現(xiàn)有F類功 率放大電路在實現(xiàn)高階諧波阻抗控制時，無法實現(xiàn)對各次諧波阻抗的獨立控制，設計復雜， 調(diào)試困難的問題。
[0007] 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種高階F類功率放大電路，所述電路包括：
[0008] 晶體管，及
[0009]寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元，用于調(diào)節(jié)晶體管寄生參數(shù)對于F類功率放大器的影響，所述 寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元的輸入端與所述晶體管的功率信號輸出端連接，所述晶體管的功率信號 輸入端為所述高階F類功率放大電路的輸入端；
[0010] 高次諧波阻抗控制單元，用于對晶體管電流輸入端的二次諧波至五次諧波分別獨 立控制阻抗匹配，所述高次諧波阻抗控制單元的輸入端與所述寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元的輸出端 連接；
[0011] 基波阻抗控制單元，用于對晶體管輸入端的基波獨立控制阻抗匹配，所述基波阻 抗控制單元的輸入端與所述高次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的另一端與負載連接。
[0012] 本發(fā)明實施例的另一目的在于，提供一種采用上述高階F類功率放大電路的射頻 功率放大器。
[0013] 本發(fā)明實施例通過高次諧波阻抗控制單元實現(xiàn)了F類功率放大器的最高至五次 諧波阻抗的精確控制，從而使得晶體管的能量損耗降低，有效的提升了功率放大器的工作 效率，并且該設計方法對F類功率放大器各次諧波阻抗獨立設計，實現(xiàn)的各次諧波阻抗控 制電路不會相互影響，不需要后期優(yōu)化調(diào)試工作，大大降低了設計的復雜度，減少了后期調(diào) 試的繁冗工作。
【附圖說明】
[0014] 圖1為理想情況下F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；
[0015] 圖2為本發(fā)明實施例提供的高階F類功率放大電路的結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明實施例提供的高階F類功率放大電路的優(yōu)選結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，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。應當理解，此處所描述的具體實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)明各個實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。
[0018] 本發(fā)明實施例通過高次諧波阻抗控制單元實現(xiàn)了F類功率放大器的最高至五次 諧波阻抗的精確控制，降低晶體管的能量損耗，提升功放效率，并且對各次諧波阻抗獨立設 計，使各次諧波阻抗控制電路互不影響，無需后期優(yōu)化調(diào)試，降低了設計的復雜度。
[0019] 以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的實現(xiàn)進行詳細描述：
[0020] 圖2示出了本發(fā)明實施例提供的高階F類功率放大電路的結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅 不出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。
[0021] 作為本發(fā)明一實施例，該高階F類功率放大電路可以應用于任何射頻功率放大器 中，包括：
[0022] 晶體管，及
[0023] 寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元11，用于調(diào)節(jié)晶體管寄生參數(shù)對于F類功率放大器的影響，寄 生參數(shù)調(diào)節(jié)單元11的輸入端與晶體管的功率信號輸出端連接，晶體管的功率信號輸入端 為高階F類功率放大電路的輸入端；
[0024] 在本發(fā)明實施例中，對于N型MOS管，從功率信號流圖的角度講，N型MOS管將柵 極輸入的小功率信號放大為漏極輸出的大功率信號，寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元11處理的信號，既 包含交流電壓信號也包含交流電流信號。
[0025] 高次諧波阻抗控制單元12,用于對晶體管電流輸入端的二次諧波至五次諧波分別 獨立控制阻抗匹配，高次諧波阻抗控制單元12的輸入端與寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元11的輸出端 連接；
[0026] 基波阻抗控制單元13,用于對晶體管輸入端的基波獨立控制阻抗匹配，基波阻抗 控制單元13的輸入端與高次諧波阻抗控制單元12的輸出端連接，基波阻抗控制單元13的 輸出端與電容C1的一端連接，電容C1的另一端與負載連接。
[0027] 在本發(fā)明實施例中，晶體管的寄生參量模型包括：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)明一實施例，寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元（網(wǎng)絡）11可以由L型微帶線結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
[0029] 作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，結(jié)合圖3,寄生參數(shù)調(diào)節(jié)單元（網(wǎng)絡）11位于晶體管的 電流輸入端和高次諧波阻抗控制單元12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。通過合理的選擇第一傳輸線TL1的電長度為0i和第二 傳輸線TL2的電長度0 2的具體值，實現(xiàn)對諧波阻抗的寄生補償。
[0030] 對F類功率放大器，晶體管電流輸入端所需的基波阻抗為Zfund，基波阻抗控制單元 13輸入端的基波阻抗為Zmatc;h，已知所需Zfund便可以求得對應的Zmatc;h，兩者關(guān)系可以用以下 公式表示：
[0031]
[0032] 當基波阻抗控制網(wǎng)絡的基波阻抗?jié)M足對應Zmatc;h就可以實現(xiàn)晶體管端口所需基波 阻抗匹配。
[0033] 作為本發(fā)明一實施例，高次諧波阻抗控制單元（網(wǎng)絡）12可以由六段微帶線結(jié)構(gòu) 構(gòu)成。
[0034] 二次到五次諧波阻抗控制單元（高次諧波阻抗控制單元）具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所 示，其中六段微帶線特征阻抗為A，具體為：第一串聯(lián)微帶線、第二串聯(lián)微帶線、第一開路微 帶線、第二開路微帶線、第三開路微帶線和短路微帶線；
[0035] 第一串聯(lián)微帶線的一端為高次諧波阻抗控制單元12的輸入端，第一串聯(lián)微帶線 的另一端同時與第二串聯(lián)微帶線、第一開路微帶線、第二開路微帶線的一端連接，第二串聯(lián) 微帶線的另一端為高次諧波阻抗控制單元12的輸出端同時與第三開路微帶線、短路微帶 線的一端連接，短路微帶線的另一端交流接地。
[0036] 作為本發(fā)明一優(yōu)選實施例，第一串聯(lián)微帶線和第二串聯(lián)微帶線的電長度均為 入。/4,第一開路微帶線、第二開路微帶線、第三開路微帶線的電長度依次為AV12、A/20、 ^/16,交流短路微帶線的電長度為AV4。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A^為基波頻率的波長。
[0037] 對于固定工作頻率，該高次諧波阻抗控制單元（網(wǎng)絡）12可同時實現(xiàn)輸入端口處 的二次與四次諧波短路、三次與五次諧波開路。其中，表示基波頻率的波長，S表示諧波 阻抗短路，0表示諧波阻抗開路。也就是說，10表示基波開路，30表示三次諧波開路，40表 示四次諧波開路，50表示五次諧波開路，1S基波短路，2S表示二次諧波短路，3S表示三次諧 波短路，4S表示四次諧波短路，5S表示五次諧波短路。
[0038] 在本發(fā)明實施例中，高次諧波阻抗控制單元12中，由于采用了六段微帶線結(jié)構(gòu)， 可以在第一串聯(lián)微帶線和第二串聯(lián)微帶線的連接點形成2S、3S、4S和5S。因此無論后端基 波阻抗控制單元結(jié)構(gòu)如何變化，該點的二次到五次諧波都是短路的，通過第一串聯(lián)微帶線 的變化后，可以實現(xiàn)輸入端口處的二次與四次諧波短路、三次與五次諧波開路。同時，利用 基波阻抗控制單元調(diào)芐基波阻抗的匹配時，不會影響二次到五次諧波的匹配結(jié)果，因此它 可以獨立實現(xiàn)F類功率放大器的基波阻抗匹配。
[0039] 作為本發(fā)明一實施例，基波阻抗控制單元（網(wǎng)絡）13可以由L型微帶線結(jié)構(gòu)構(gòu)成， 包括第三微帶線TL3和第四微帶線TL4,其特征阻抗均為ZQ;
[0040] 第三微帶線TL3的一端為基波阻抗控制單元13的輸入端，第三微帶線TL3的另一 端為基波阻抗控制單元13的輸出端與第四微帶線TL4的一端連接。
[0041] 第三微帶線TL3的電長度為0i，第四微帶線TL4的電長度為0 2。
[0042] 電長度0 :和電長