阅读说明：本技术 一种双频滤波功率放大器 (Double-frequency filtering power amplifier ) 是由 李园春 王远波 魏利娟 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双频滤波功率放大器,包括输入匹配网络、栅极直流偏置电路、功率放大晶体管和输出匹配网络,所述输入端阻抗匹配电路连接于所述栅极直流偏置电路,所述栅极直流偏置电路连接于所述功率放大晶体管,所述功率放大晶体管连接于所述输出匹配网络,所述输出匹配网络包括第一调谐微带线、直流偏置线、第二调谐微带线和多零点双频阻抗转换器,所述功率放大晶体管通过第一调谐微带线与所述直流偏置线连接,所述直流偏置线、第二调谐微带线和所述多零点双频阻抗转换器依次连接。基于多零点双频阻抗转换器,在保持高效率的同时,实现双频功率放大器的双频滤波响应,提高双频功放的阻带抑制水平,提高滚降度。(The invention discloses a dual-frequency filtering power amplifier which comprises an input matching network, a grid direct-current bias circuit, a power amplification transistor and an output matching network, wherein the input end impedance matching circuit is connected with the grid direct-current bias circuit, the grid direct-current bias circuit is connected with the power amplification transistor, the power amplification transistor is connected with the output matching network, the output matching network comprises a first tuning microstrip line, a direct-current bias line, a second tuning microstrip line and a multi-zero-point dual-frequency impedance converter, the power amplification transistor is connected with the direct-current bias line through the first tuning microstrip line, and the direct-current bias line, the second tuning microstrip line and the multi-zero-point dual-frequency impedance converter are sequentially connected. Based on the multi-zero dual-frequency impedance converter, the high efficiency is maintained, meanwhile, the dual-frequency filtering response of the dual-frequency power amplifier is realized, the stop band suppression level of the dual-frequency power amplifier is improved, and the roll-off degree is improved.)

一种双频滤波功率放大器

技术领域

本发明涉及机顶盒技术领域，更具体地说，涉及一种双频滤波功率放大器。

背景技术

随着通信技术的进步，无线通讯系统标准具有频带多，数据速率高、用户容量大、功耗低等特点。作为射频前端的关键部件，发射机对功率放大器的多频带有很大的需求。因此，高效率双频功率放大器得到了相当大的发展。

目前，国内外对于双频功率放大器的研究主要关注自动系统设计方法，展宽频带和提升PAE。根据“Z.X.Yang,Y.Yao,M.G.Li,Y.Jin,Z.Geng,and Z.Q.Yu,“A preciseharmonic control technique for high efficiency concurrent dual-bandcontinuous class-F power amplifier,”IEEE Access,vol.6,pp.51864-51874,Sep.2018.”的研究，对于自动系统设计方法，有研究学者提出将实频技术系统性设计双频功放的方法。研究人员采用独立控制单元来分别控制高频谐波分量，然后利用实频技术来匹配双频基波阻抗。根据“X.Meng,C.Yu,Y.Wu,and Y.Liu,“Design of dual-band high-efficiency power amplifiers based on compact broadband matching networks,IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.28,no.2,pp.162-164,Feb.2018.”的研究，对于展宽频带方面，有研究学者利用宽带连续输出匹配网络来设计双频功放,提出的宽带连续匹配网络可以灵活控制双频的基波匹配，在两个通带内都实现了超过150MHz的绝对带宽。根据“Q.Cheng,H.Fu,S.Zhu,and J.Ma,Two-stage high-efficiency concurrent dual-bandharmonic-tuned power amplifier,IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.64,no.10,pp.3232-3243,Oct.2016.”对于提升PAE方面，国内学者提出使用复合左右手传输线来抑制双频滤波器的谐波分量，分别在1.62GHz和2.08GHz实现了71.5％和73％的PAE。根据“彭习文,谢泽明.一种高效率高选择性双频滤波功率放大器[P].CN110198157A,2019-09-03.”的研究，这个专利采用了双频滤波器来实现双频滤波功率放大器，但是双频内的功率附加效率效率不高。

在充分对双频功率放大器的研究进行调研后，我们发现目前双频滤波功放的相关研究很少。而单频的滤波功放的相关研究已经发表了不少。根据“L.Gao,X.Y.Zhang,S.Chen,and Q.Xue,Compact power amplifier with bandpass response and highefficiency,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.24,no.10,pp.707-709,Oct.2014.”的研究，为了进一步拓展单频滤波功率放大器的带宽，此外，研究者采用了微带耦合谐振器来完成阻抗匹配和滤波功能。在“J.X.Xu,X.Y.Zhang,and X.Q.Song,“High-efficiency filter-integrated class-F power amplifier based on dielectricresonator,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.27,no.9,pp.827-829,Sept.2017.”的方法中，研究团队首次将介质滤波器嵌入到输出匹配网络来提高单频滤波响应，同时实现功放的高效率性能。对比于滤波功率放大器，双频滤波功率放大器的研究由于其多频带集成、小型化、高性能和低成本的优势拥有重要的应用价值。

发明内容

为了克服上述技术中存在的问题，本发明提供了一种双频滤波功率放大器。基于多零点双频阻抗转换器，这个功放设计在完成双频基波和谐波阻抗匹配的同时，实现了双频滤波响应，有利于提高功放的频率选择性，实现高效率性能。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种双频滤波功率放大器，包括输入匹配网络、栅极直流偏置电路、功率放大晶体管和输出匹配网络，所述输入匹配电路、栅极直流偏置电路、功率放大晶体管、输出匹配网络依次连接，所述输出匹配网络包括第一调谐微带线、直流偏置线、第二调谐微带线和多零点双频阻抗转换器，所述功率放大晶体管、第一调谐微带线、第二调谐微带线和所述多零点双频阻抗转换器依次连接，所述直流偏置线连接于第一调谐微带线和第二调谐微带线的连接线上。

进一步地，所述第一调谐微带线和第二调谐微带线用于阻抗调节；所述直流偏置线用于漏级直流加载。

进一步地，所述输入匹配网络包括第一单零点微带和第二单零点微带和七段微带，其中七段微带分别为第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线和第七微带线；所述的七段微带用于实现双频的输入阻抗匹配。

进一步地，所述栅极直流偏置电路包括栅极直流偏置线和引脚微带；所述的栅极直流偏置线用于栅极直流加载；所述的引脚微带用于焊接功率放大晶体管的栅极引脚；所述栅极直流偏置线和引脚微带的输入端均与第七微带线的输出端连接。

进一步地，所述双频阻抗转换器为中心对称结构，包括：第一段微带线、第二段微带线、第三段微带线、第四段微带线、第五段微带线、第六段微带线、第七段微带线、第八段微带线、第九段微带线、第十段微带线和第十一段微带线。

进一步地，所述第一段微带线和第四段微带线的一端均与第二段调谐微带线的输出端连接，第四段微带线的另一端与第五段微带线均与第六段微带线的一端连接，第六段微带线的另一端与连接第七段微带线；第一段微带线的另一端、第三段微带线、第十段微带线、第九段微带线、第八段微带线依次连接；所述第二段微带线与第三段微带线的输入端连接，所述第二段微带线位于第一段微带线和第三段微带线的中间；所述第十一段微带线与第十段微带线)的输入端连接；所述第七段微带线和所述第八段微带线分别平行耦合。

进一步地，所述双频滤波功率放大器的匹配方法包括Levenberg-Marquardt算法和Inpolygon算法的自动优化方法。

进一步地，所述Levenberg-Marquardt算法用于实现双频的基波阻抗匹配，所述的Inpolygon算法用于检测双频的二次谐波阻抗是否位于高效率区域。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对双频滤波功率放大器的利用，并结合了包括Levenberg-Marquardt算法和Inpolygon算法的自动优化方法，在保持高效率的同时，实现双频功率放大器的双频滤波响应，提高双频功放的阻带抑制水平，提高滚降度。

附图说明

图1为本实施例提供的双频滤波功率放大器的原理框图；

图2为本实施例提供的双频滤波功率放大器的输入匹配网络电路原理图；

图3是本实施例提供的双频滤波功率放大器的输出匹配网络电路原理图；

图4a为本实施例提供的负载牵引在1.8GHz牵引得到的双频高效率区域；

图4b为本实施例提供的负载牵引在2.4GHz牵引得到的双频高效率区域；

图5为本实施例提供的双频滤波功率放大器的S参数响应仿真结果和测试结果曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。

如图1所示，本实施例的一种双频滤波功率放大器包括输入匹配网络10、栅极直流偏置电路20、功率放大晶体管30和输出匹配网络40；所述输入匹配电路10、栅极直流偏置电路20、功率放大晶体管30、输出匹配网络40依次连接。

所述输出匹配网络40包括第一段调谐微带线410、直流偏置线420、第二段调谐微带线430和多零点双频阻抗转换器440；所述功率放大晶体管30、第一调谐微带线410、第二调谐微带线430和所述多零点双频阻抗转换器440依次连接，所述直流偏置线420连接于第一调谐微带线410和第二调谐微带线430的连接线上，所述第一段调谐微带线410和第二段调谐微带线430均用于阻抗调节；所述直流偏置线420用于漏级直流加载。

所述栅极直流偏置电路20包括栅极直流偏置线210和引脚微带220；所述的栅极直流偏置线210用于栅极直流加载；所述的引脚微带220用于焊接功率放大晶体管30的输入端栅极引脚。所述的栅极直流偏置线210用于栅极直流加载；所述的引脚微带220用于焊接功率放大晶体管30的栅极引脚。

图2是本实施例提供的双频滤波功率放大器的输入匹配电路原理框图；如图2所示，功率放大晶体管30选用型号为Cree CGH40010F的10W GaN HEMT晶体管，用于将信号放大。功率放大晶体管30的输出端连接第一段调谐微带线410。

具体地，所述输入匹配网络10即单零点输入匹配网络包括第一单零点微带110和第二单零点微带120和七段微带。其中七段微带分别为第一微带线130、第二微带线140、第三微带线150、第四微带线160、第五微带线170、第六微带线180、第七微带线190；所述七段微带用于实现双频的输入阻抗匹配。所述第一单零点微带110和第二单零点微带120、第一微带线130、第二微带线140、第三微带线150、第四微带线160、第五微带线170、第六微带线180、第七微带线190依次连接；所述栅极直流偏置线210和引脚微带220的输入端均与第七微带线190的输出端连接。

如图3所示，所述双频阻抗转换器440为中心对称结构，主要由十一段微带线组成，分别为：第一段微带线1、第二段微带线2、第三段微带线3、第四段微带线4、第五段微带线5、第六段微带线6、第七段微带线7、第八段微带线8、第九段微带线9、第十段微带线10和第十一段微带线11；所述第一段微带线1和第四段微带线4的一端均与第二段调谐微带线430的输出端连接，第四段微带线4的另一端与第五段微带线5均与第六段微带线6的一端连接第六段微带线6的另一端与连接第七段微带线7；第一段微带线1的另一端、第三段微带线3、第十段微带线10、第九段微带线9、第八段微带线8依次连接；所述第二段微带线2与第三段微带线3的输入端连接，第二段微带线2位于多零点双频阻抗转换器的中间；所述第十一段微带线1与第十段微带线10的输入端连接；所述第七段微带线7和所述第八段微带线8分别平行耦合。

图4a和图4b分别为负载牵在1.8GHz和2.4GHz牵引得到的二次谐波高效率区域；

图5是双频滤波功率放大器的S参数响应仿真结果和测试结果曲线图。具体地，图5中的S₂₁为功率放大器的增益，S₂₂为输出端的回波损耗。

下面详细分析本发明的双频滤波功率放大器的工作原理。

图2和图3为工作频率在1.8GHz和2.4GHz的双频滤波功率放大器的输入匹配网络10和输出匹配网络电路原理图。基于这个输出匹配网络，其匹配原理如下文。

通过对这个输出匹配网络的分析，可以得到整个输出匹配网络的输入阻抗Z_in(f_i)。

为了评估基波阻抗的匹配精确度，根据Z_in(f_i)设置目标公式(1)来量化匹配精确度。在式(1)中，Z_opt(f_i)(i＝1,2)是基波目标阻抗，其中f₁和f₂分别为1.8GHz和2.4GHz。ΔZ的定义是基波阻抗匹配的错误因子，当ΔZ趋近于零的时候，这表明Z_in(f_i)基本匹配上了Z_opt(f_i)。

通过在Matlab中运用MATLAB中的Levenberg-Marquardt算法，ΔZ可以作为目标优化函数来进行求解。令ΔZ趋近于零可以实现双频基波阻抗的匹配，从而初步确定整个输出匹配网络的电路参数变量。而这这个求解需要先对双频阻抗转换器的变量参数范围进行确定，从而保证双频阻抗转换器保持良好的双频滤波响应。

除了双频基波匹配之外，二次谐波阻抗也需要匹配到高效率区域。如图4a和图4b分别为负载牵在1.8GHz和2.4GHz牵引得到的双频高效率区域。为了判断二次谐波阻抗是否匹配到相应的高效率区域，在MATLAB上使用优化算法——Inpolygon算法判断经过Levenberg-Marquardt算法优化后的输出匹配网络的二次谐波阻抗是否位于相应的高效率区域内。通过这种方法，不需要通过复杂的ADS数据处理，而是很轻快简便地通过MATLAB就可以完成基波阻抗和二次谐波阻抗的全部匹配。在处理中，令多零点双频阻抗转换器保持中心对称结构，即第一段微带线1和第三段微带线3的电路参数一样。第四段微带线4和第十段微带线10的电路参数一样。第五段微带线5和第十一段微带线11的电路参数一样。第六段微带线6和第九段微带线9的电路参数一样。第七段微带线7和第八段微带线8的电路参数一样。

综上所述，使用Levenberg-Marquardt算法和Inpolygon算法的自动优化流程，包括以下步骤：

(1)建立多零点双频阻抗转换器；在保持良好双频滤波响应前提下，将双频阻抗转换器的电路参数进行初始化。

(2)对输出匹配网络40的第一段调谐微带410、漏级直流偏置线420、第二段调谐微带430和多零点双频阻抗转换器440中的第一段微带线1和第三段微带线3的参数范围在可加工的前提下进行合理设置，计算整个输出匹配网络的输入阻抗Z_in(f_i)。

(3)在MATLAB中使用Levenberg-Marquardt算法对ΔZ进行优化求解，然后返回获得优化后的输出匹配网络电路参数以及响应的基波阻抗和二次谐波阻抗。

(4)基于优化后的输出匹配网络电路参数，在MATLAB中使用Inpolygon算法来判断二次谐波阻抗是否位于对应的高效率区域内。如果双频的二次谐波阻抗没有满足都位于高效率区域的要求，在维持良好双频滤波响应的阻抗转换器电路参数范围内，重新随机生成新的初始化多零点双频阻抗转换器中的第二段微带线2、第四段微带线4、第五段微带线5、第六段微带线6、第七段微带线7、第八段微带线8、第九段微带线9、第十段微带线10和第十一段微带线11的电路参数。然后重复步骤(2)-步骤(4)，直到满足所有目标条件。

(5)最后得到双频滤波输出匹配网络的最终电路参数。

综上，本发明提供了双频滤波功率放大器；这个功率放大器在保持高效率的同时，实现双频功率放大器的双频滤波响应，提高双频功放的阻带抑制水平，提高滚降度。

以上实施例仅用以说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，其中，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。