基于3/4螺旋虚地结构逆F类功率放大器设计方法和放大器

摘要

基于3/4螺旋虚地结构逆F类功率放大器的设计方法，步骤是确定本功率放大器的工作频点，由此得到谐波控制电路的谐波频点；根据设计中需要的谐波频点，改变3/4螺旋结构的尺寸，设计出相应的谐波控制电路；将谐波控制电路插入功放管电路输出端，然后设计功放电路的输入输出匹配电路；测量设计出的功率放大器的输入输出参数，调整调谐线的长度，以达到最大工作效率。依本方法设计的放大器，包括在微带线上顺次连接的输入匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路，所述谐波控制电路包括设在所述微带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成；所述3/4螺旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构。

说明书

技术领域

本发明是一种用于设计逆F类功率放大器的方法，特别涉及一种基于3/4螺旋虚地结构(3/4Spiral Defected Ground Structure)的高效率逆F类功率放大器的设计。

背景技术

无线通讯技术的飞速发展对通讯系统的性能指标提出了更高的要求，功率放大器作为无线通讯发射系统中重要组成部分，也是实现难度最大，价格最昂贵的部分，其性能的好坏对于系统的数据传输速率、覆盖范围、频谱利用率以及带外谱杂散等指标都有很大影响。

随着基于现代无线通讯网络的应用(WCDMA、WLAN、WiMAX等)，高速率的无线数据传输提高了信号的峰均比，这就要求功率放大器必须回退到线性区以达到提高线性度的目的，但是功率输出点的回退意味着功率放大器工作效率的降低，所以提高功放的工作效率对于未来无线通讯的发展有着很重要的意义。

高效率放大器已经逐渐成为射频通信系统研究领域中的重点，研究人员提出了很多新的技术和结构以提高功放效率，例如Doherty放大器、E类、F类、S类功率放大器等。逆F类功率放大器是一种基于谐波控制电路的高效率放大器，通过谐波控制电路将功放输出的偶次谐波开路、奇次谐波短路，改变漏极电压和电流的波形，理论上可以达到100％漏极效率。相比较其他类型的高效率放大器，逆F类放大器具有体积小，效率高，应用频带宽等优势。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于3/4螺旋虚地结构的高效逆F类功率放大器的设计方法。此方法利用插入3/4螺旋虚地结构微带线具有的独特的滤波特性设计谐波控制电路，这种谐波控制电路解决了传统的集总元件谐波控制电路低Q值低工作频率的缺点，并且避免了传统微带谐波控制电路面积大、设计复杂的缺点，用这种谐波控制电路设计出的逆F类功率放大器具有面积小、工作效率高、成本低以及设计简单等优点。

技术方案：本发明基于3/4螺旋虚地结构设计逆F类功率放大器，技术方案主要分为以下几个步骤：

1)确定功率放大器的工作频点，由此得到谐波控制电路的谐波频点。

2)根据设计中需要的谐波频点，改变3/4螺旋结构的尺寸，设计出相应的谐波控制电路。

3)将谐波控制电路插入功放管的输出端，然后设计功放的输入输出匹配电路。

4)测量设计出的功率放大器，调整调谐线的长度，以达到最大工作效率。

步骤(b)所述一种3/4螺旋虚地结构，是将传统的螺旋虚地结构切去1/4，这样不但可以缩减其面积，而且能够更加方便的调节其谐振频率。

步骤(b)所述的谐波控制电路，利用插入3/4螺旋虚地结构微带线的频率响应特性，缩短相同电长度下微带线的尺寸，简化谐波控制电路的结构，降低电路的插入损耗。

所述的谐波控制电路，在功放下面加入金属散热底座，为了不影响虚地结构的频率特性，本设计通过电磁仿真确定金属板上空腔的尺寸，达到既不影响谐波控制电路性能也不影响功放散热的目的。

步骤(c)所述的设计功放输入匹配电路，在功放管的栅极与输入匹配电路之间插入1/8波长短截线，将二次谐波短路，消除输入信号失真对功率放大器性能产生的影响。

步骤(d)所述的使功放效率最大化的过程中，在谐波控制电路中加入调谐线，通过改变其长度，消除功放管源漏极寄生电容对谐波控制电路性能的影响，提高功放的效率。

一种按照上述方法设计的基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，包括在微带线上顺次连接的输入匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路。所述谐波控制电路包括设在所述微带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成；所述3/4螺旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构，

其中一部分螺旋结构是，一根地线分为依此连接的a～h八段，它们都与所述微带线平行，设地线宽为x；在a段的一侧，由内向外依此平行设置b、c、f和g段；在a段的另一侧，由内向外依此平行设置d、e和h段；各段的间隔大于x；由h段与另一部分螺旋结构中与h段轴对称的相应段连接。

所述螺旋结构中，各段地线的连接线与所述微带线垂直。

所述微带线上，在功放电路前端并联接有1/8波长短截线。

所述谐波控制电路包括设在所述微带线上的调谐线，该调谐线设在所述3/4螺旋虚地结构的前端。

所述微波电路是布设在微波板材上的；所述功放电路下设有金属散热底座；在金属散热底座上，与所述3/4螺旋虚地结构对应处设有空腔。

有益效果：

1)本发明逆F类功率放大器中，使用3/4螺旋虚地结构设计谐波控制电路。传统的螺旋虚地结构有对称螺旋和非对称螺旋两种。对称螺旋结构面积大，非对称螺旋结构设计复杂，这两种结构都很难分别调整两个谐振频点。相比传统结构，3/4螺旋虚地结构的面积更小，两个谐振频率点可以分别调整，使设计更加简化，节约了制版成本。

2)通常应用在逆F类功率放大器中的谐波控制电路分为两种：集总元件控制电路和微带线结构控制电路。集总元件设计的谐波控制电路受到工作频率和元件Q值的限制，无法在高频处提供良好的滤波性能。微带线结构的控制电路面积大且设计复杂，影响了功率放大器在通讯系统中的应用。本发明中采用的3/4螺旋虚地结构结合微带线设计的谐波控制电路具有工作频率高，功率损耗小以及面积小的优点。

3)传统逆F类功率放大器的谐波控制电路中，只能将2次谐波开路，本发明中的谐波控制电路利用3/4螺旋结构的滤波特性，在不增加设计复杂度和功率损耗的前提下将2次、4次谐波开路，很好的提高了功率放大器的工作效率和输出功率。

4)本发明的功率放大器中，在功放管的输入端加入了八分之一波长短截线，将二次谐波短路，消除了输入信号失真对功率放大器性能产生的影响。相比传统的逆F类功率放大器，本发明中的逆F类功率放大器具有更高的工作效率。

5)本发明在功放管的谐波控制电路中加入了调谐线，用以消除功放管源漏极寄生电容对谐波控制电路性能的影响，有效的提高了功率放大器的工作效率。

附图说明

图1为3/4螺旋虚地结构示意图

图2为本例的3/4螺旋结构微带线的示意图，图中将螺旋结构的尺寸用字母标出；1是3/4螺旋虚地结构，2是微带线。

图3为3/4螺旋结构微带线的频率响应特性的仿真实测对比图。

图4是本发明中设计的3/4螺旋虚地结构谐波控制电路的示意框图。

图5是3/4螺旋虚地结构谐波控制电路的频率响应及输入阻抗。

图6是实例中的逆F类功率放大器的测试输入输出结果图。

图7是实例中的逆F类功率放大器的测试功率附加效率结果图

具体实施方式

以下结合附图说明，对本发明的方案进行详细说明，具体步骤如下：

参考图1，3，一种基于3/4螺旋虚地结构的逆F类功率放大器，包括在微带线上顺次连接的输入匹配电路、功放电路、谐波控制电路和输出匹配电路。所述谐波控制电路包括设在所述微带线下方的3/4螺旋虚地结构，该虚地结构由完整螺旋虚地结构切去1/4构成；所述3/4螺旋虚地结构包括沿所述微带线轴对称且连接的两部分螺旋结构，

其中一部分螺旋结构是，一根地线分为依此连接的a～h八段，它们都与所述微带线平行，设地线宽为x；在a段的一侧，由内向外依此平行设置b、c、f和g段；在a段的另一侧，由内向外依此平行设置d、e和h段；各段的间隔大于x；由h段与另一部分螺旋结构中与h段轴对称的相应段连接。

所述螺旋结构中，各段地线的连接线与所述微带线垂直。

所述微带线上，在功放电路前端并联接有1/8波长短截线。

所述谐波控制电路包括设在所述微带线上的调谐线，该调谐线设在所述3/4螺旋虚地结构的前端。

所述微波电路是布设在微波板材上的；所述功放电路下设有金属散热底座；在金属散热底座上，与所述3/4螺旋虚地结构对应处设有空腔。

参考图2～7：

1.本例以设计工作在2.4GHz的逆F类功率放大器为例。PCB选用介电常数为2.65，厚度为1mm的微波板材，功放管选用Hetero-structure场效应管。由于工作频率为2.4GHz，则2、3、4次谐波频率分别为4.8GHz、7.2GHz和9.6GHz。通过ANS0FTHFSS仿真软件确定3/4螺旋结构的尺寸。本例的3/4螺旋虚地结构如图2所示，其最终尺寸为：A＝2.6mm、B＝1.4mm、C＝1.2mm、D＝1mm、E＝0.2mm、F＝0.6mm、G＝3.2mm、H＝2.6mm。

2.由于设计功率放大器要考虑散热问题，所以在实际应用中，会在功放下面加入金属散热底座。为了避免金属底座对虚地结构的滤波特性产生影响，必须要在其位置处的金属底座上挖出一个空腔。通过ANSOFT HFSS仿真软件确定空腔的大小，使金属底座不会影响虚地结构，同时也不会因为空腔太大，影响散热。最终的空腔尺寸为1.5cm*2cm。

3.加工带有3/4螺旋虚地结构的微带线PCB板，实际测量其滤波特性，根据测量结果调整螺旋结构尺寸，使其尽可能在谐波频点有最好的谐波控制效果。图3所示为最终的仿真和测试结果，从图中可以看到，仿真和测试结果基本吻合，而且在谐波频点拥有很好的滤波特性。

4.使用确定尺寸的3/4螺旋虚地结构设计谐波控制电路，其结构框图如图4所示。图5是次控制电路的频率响应特性，以及根据此特性计算出来的输入阻抗，从结果中可以看出，谐波控制电路很好的将2次、4次谐波开路，将3次谐波短路。

5.将谐波控制电路加入功放管的输出端，然后设计其输入输出匹配电路。

6.制版加工所设计出的逆F类功率放大器，测量其工作效率，调整调谐线长度，使功放的工作效率最大。

图6和图7为功率放大器的性能测试结果。从图中可以看到，在功放的饱和输出点，其功率附加效率可以达到76％。