阅读说明：本技术 一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构及其设计方法 (Broadband harmonic suppression radio frequency power amplifier structure and design method thereof ) 是由 韩克锋 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构及其设计方法；本发明提出的基于多谐波反射短截线组合的宽带谐波抑制结构可以实现对射频功放的谐波发射功率进行有效的宽带抑制；采用本发明提出的基于电容拆解和谐波抑制短截线等效变换的设计方法,可以大大降低多谐波抑制短截线组合的宽带谐波抑制匹配网络的设计难度；对于微波、毫米波放大电路和发射系统等应用,采用本发明提出的结构和方法实现电路及系统的宽带谐波抑制具有积极意义。(The invention discloses a broadband harmonic suppression radio frequency power amplifier structure and a design method thereof; the broadband harmonic suppression structure based on the multi-harmonic reflection stub combination can realize effective broadband suppression of the harmonic emission power of the radio frequency power amplifier; by adopting the design method based on capacitance disassembly and harmonic suppression stub equivalent transformation, the design difficulty of the broadband harmonic suppression matching network combined by the multi-harmonic suppression stub can be greatly reduced; the structure and the method provided by the invention have positive significance for realizing broadband harmonic suppression of circuits and systems for application of microwave and millimeter wave amplifying circuits, transmitting systems and the like.)

一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构及其设计方法

技术领域

本发明属于射频通信技术领域，具体涉及一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构及其设计方法。

背景技术

在微波、毫米波的雷达、通信等领域中，相关标准对射频功率放大电路和射频发射系统的谐波发射功率有严格要求。射频功率放大电路被广泛应用于通信、导航、识别、测控、广播电视、遥感遥测、射电天文、电子对抗等应用的无线电系统，在这些应用中射频功率放大电路的谐波抑制特性是一项较为关键的指标。基于现有的电路结构和设计方法难以实现宽带谐波抑制射频功率放大电路的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构及其设计方法，提高射频功率放大电路的谐波抑制特性。

本发明采用以下技术方案：

本发明提出一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构，采用包含多谐波反射微带短截线结构的阻抗匹配网络进行射频功率放大器的负载阻抗匹配和实现宽带谐波抑制；通过在晶体管输出端并联特定电长度的微带开路短截线，其作为谐波短路线引入谐波准短路条件，固定晶体管输出端看到的谐波负载阻抗值；漏极用来提供直流偏置和馈电的微带线，也用来进行二次谐波的反射和抑制；采用本结构对实现电路及系统的宽带谐波抑制具有积极意义。

进一步的，通过在输出匹配电路中加入并联的二次谐波90°开路短截线，并联的二次谐波90°开路短截线作为二次谐波抑制短截线对功率放大器输出功率中的二次谐波进行反射和抑制。

进一步的，也可以通过在输出匹配电路中同时加入并联的二次谐波90°开路短截线和三次谐波90°开路短截线，它们分别作为二次谐波抑制短截线和三次谐波抑制短截线对功率放大器输出功率中的二次谐波和三次谐波进行反射和抑制。

进一步的，也可以通过在输出匹配电路中加入更多的针对特定谐波90°开路短截线，这些特定谐波90°开路短截线作为特定谐波的谐波抑制短截线对功率放大器输出功率中的更多谐波进行反射和抑制，或者通过对谐波90°开路短截线进行参数调谐和组合，实现对宽带谐波的反射和抑制；

进一步的，晶体管输出端设置的特定电长度的谐波短路线除了用来固定晶体管谐波负载阻抗值外，也用来反射谐波信号、进行谐波抑制。

一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构的设计方法，在多谐波反射微带短截线结构的宽带谐波抑制功率放大器中，输出网络一方面需要引入谐波抑制短截线实现谐波抑制，同时需要完成输出阻抗变换和匹配，其设计具有挑战性，针对性的，本发明提出一种面向多谐波反射微带短截线结构的宽带谐波抑制功率放大器的有效且容易实施的设计方法，其主要包括四个步骤，

S1、基于低通LC梯状网络进行负载阻抗变换，在基波频率将端口阻抗变换到晶体管最佳负载阻抗；

S2、将低通LC梯状网络中的并联电容进行拆解，使拆解出的一部分电容在基频的阻抗值等于特定谐波90°开路短截线的基频阻抗；

S3、用特定谐波90°开路短截线替代步骤S2中拆解出的与其具有相同基频阻抗值的电容，实现对特定谐波的反射和抑制特定谐波90°开路短截线加入网络后成为特定谐波的谐波抑制短截线；

S4、将网络中的剩余集总元件变换为等效的微带网络。

综上所述，本发明提出的基于多谐波反射微带短截线的宽带谐波抑制功率放大器结构可以有效地应用于有谐波抑制要求的射频功率放大电路的设计和研制，对多个谐波的抑制和对谐波实现宽带的抑制都可以基于本发明提出的电路结构实现；本发明提出的宽带谐波抑制射频功率放大器结构的设计方法，是一种有效且容易实施的谐波抑制功率放大电路的设计方法。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明放大器结构示意图；

图2为低通LC梯状输出匹配网络图；

图3为低通LC梯状网络电容拆解图；

图4为部分电容被谐波抑制短截线替代；

图5为将剩余集总元件用等效的微带线网络替代。

其中：100.直流馈电线；101.三次谐波抑制短截线；102.二次谐波抑制短截线；103.三次谐波抑制短截线；104.二次谐波短路线；105.三次谐波短路线；106.第一匹配短截线；107.第二匹配短截线；108.第三匹配短截线；109.直流偏置线。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供了一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构，晶体管的输入端设有输入匹配网络和由C05、R1并联的稳定网络；晶体管的漏极连接二次谐波短路线(104)实现二次谐波的准短路条件、三次谐波短路线(105)实现三次谐波的准短路条件，之后通过微带线连接后面的漏极直流馈电线(100)、阻抗匹配短截线(106)、隔直电容(C04)、谐波抑制短截线(101)、阻抗匹配短截线(107)、谐波抑制短截线(102)、阻抗匹配短截线(108)、谐波抑制短截线(103)，漏极直流馈电线(100)除了作为直流馈电线外，还起到对二次谐波进行反射和抑制的作用。

本发明放大器结构与传统输出匹配网络不同的是：

1、毗邻晶体管输出端(漏极)并联等效的二次谐波90°开路短截线(104)和等效的三次谐波90°开路短截线(105)，它们的作用是：

确定晶体管输出端的二次、三次谐波负载阻抗和对二次、三次谐波进行反射。

优选的，在毗邻晶体管输出端只设置一个等效的针对一个特定谐波的90°开路短截线；也可以加入多个针对多个不同谐波的等效的90°开路短截线等；

2、直流馈电线(100)、谐波抑制短截线(101)、谐波抑制短截线(102)、谐波抑制短截线(103)和谐波短路线(104)、谐波短路线(105)除了作为馈电线或者参与阻抗匹配外，同时分别起到抑制特定谐波的作用；通过合适的选择、配置谐波短路线和谐波抑制短截线的数量以及电长度可以实现对特定谐波的抑制以及实现对宽带信号的谐波抑制。

本发明一种宽带谐波抑制射频功率放大器结构设计方法，包括以下步骤：

S1、基于低通LC梯状网络进行负载阻抗变换，在基波频率将端口阻抗变换到晶体管最佳负载阻抗；

请参阅图2，为低通LC梯状网络的一个例子，包括电容C1、电容C2和电容C3，电容C1的一端与电感L1的一端并联，另一端接地；电容C2的一端分别与电感L1的另一端和电感L2的一端并联，另一端接地；电容C3的一端与电感L3的另一端并联，另一端接地。

S2、将低通LC梯状网络中的电容进行拆解，如图3所示；

请参阅图3，将C1、C2、C3分别拆解为C11+C12、C21+C22、C31+C32，其中C12、C22、C32在基波频率的阻抗分别等效于长度为和的开路短截微带线在基波频率的阻抗，其中，λ为基波频率波长，n₁、n₂、n₃取值为整数；

S3、用长度为的TL1、长度为的TL2和长度为的TL3的开路短截微带线替代图3中的C12、C22、C32，TL1、TL2、TL3分别对n₁次谐波、n₂次谐波、n₃次谐波进行抑制，如图4所示；

S4、将网络中的其它集总元件变换为等效的微带网络。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于本发明中提出的结构和方法，实现了一款具有宽带谐波抑制特性的射频功率放大器，基于GaN HEMT分立晶体管的板级设计，其典型指标：

工作频率：2300～2700MHz；增益：15.5dB；输出功率：48dBm；效率：70％；

谐波抑制：2300～2900MHz频率范围内二次谐波抑制比大于40dBc，三次谐波抑制比大于45dBc。

综上所述，对于微波、毫米波放大电路和发射系统等应用，采用本发明提出的结构和方法实现电路及系统的宽带谐波抑制具有积极意义。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。