專利名稱：基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)逆f類功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種用于設(shè)計逆F類功率放大器的方法，特別涉及一種基于3/4螺 旋虛地結(jié)構(gòu)(3/4Spiral Defected Ground Structure)的高效率逆F類功率放大器的設(shè)計。
背景技術(shù)：
無線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展對通訊系統(tǒng)的性能指標提出了更高的要求，功率放大器 作為無線通訊發(fā)射系統(tǒng)中重要組成部分，也是實現(xiàn)難度最大，價格最昂貴的部分，其性能的 好壞對于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋范圍、頻譜利用率以及帶外譜雜散等指標都有很大影 響。隨著基于現(xiàn)代無線通訊網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用(WCDMA、WLAN、WiMAX等)，高速率的無線數(shù)據(jù) 傳輸提高了信號的峰均比，這就要求功率放大器必須回退到線性區(qū)以達到提高線性度的目 的，但是功率輸出點的回退意味著功率放大器工作效率的降低，所以提高功放的工作效率 對于未來無線通訊的發(fā)展有著很重要的意義。高效率放大器已經(jīng)逐漸成為射頻通信系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的重點，研究人員提出了很 多新的技術(shù)和結(jié)構(gòu)以提高功放效率，例如Doherty放大器、E類、F類、S類功率放大器等。 逆F類功率放大器是一種基于諧波控制電路的高效率放大器，通過諧波控制電路將功放輸 出的偶次諧波開路、奇次諧波短路，改變漏極電壓和電流的波形，理論上可以達到100%漏 極效率。相比較其他類型的高效率放大器，逆F類放大器具有體積小，效率高，應(yīng)用頻帶寬 等優(yōu)勢。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型的目的在于提供一種基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的高效逆F類 功率放大器的設(shè)計方法。此方法利用插入3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)微帶線具有的獨特的濾波特性 設(shè)計諧波控制電路，這種諧波控制電路解決了傳統(tǒng)的集總元件諧波控制電路低Q值低工作 頻率的缺點，并且避免了傳統(tǒng)微帶諧波控制電路面積大、設(shè)計復(fù)雜的缺點，用這種諧波控制 電路設(shè)計出的逆F類功率放大器具有面積小、工作效率高、成本低以及設(shè)計簡單等優(yōu)點。技術(shù)方案本實用新型基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)設(shè)計逆F類功率放大器，技術(shù)方案主 要分為以下幾個步驟1)確定功率放大器的工作頻點，由此得到諧波控制電路的諧波頻點。2)根據(jù)設(shè)計中需要的諧波頻點，改變3/4螺旋結(jié)構(gòu)的尺寸，設(shè)計出相應(yīng)的諧波控 制電路。3)將諧波控制電路插入功放管的輸出端，然后設(shè)計功放的輸入輸出匹配電路。4)測量設(shè)計出的功率放大器，調(diào)整調(diào)諧線的長度，以達到最大工作效率。步驟(b)所述一種3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)，是將傳統(tǒng)的螺旋虛地結(jié)構(gòu)切去1/4，這樣不 但可以縮減其面積，而且能夠更加方便的調(diào)節(jié)其諧振頻率。步驟(b)所述的諧波控制電路，利用插入3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)微帶線的頻率響應(yīng)特性，縮短相同電長度下微帶線的尺寸，簡化諧波控制電路的結(jié)構(gòu)，降低電路的插入損耗。所述的諧波控制電路，在功放下面加入金屬散熱底座，為了不影響虛地結(jié)構(gòu)的頻 率特性，本設(shè)計通過電磁仿真確定金屬板上空腔的尺寸，達到既不影響諧波控制電路性能 也不影響功放散熱的目的。步驟(c)所述的設(shè)計功放輸入匹配電路，在功放管的柵極與輸入匹配電路之間插 入1/8波長短截線，將二次諧波短路，消除輸入信號失真對功率放大器性能產(chǎn)生的影響。步驟(d)所述的使功放效率最大化的過程中，在諧波控制電路中加入調(diào)諧線，通 過改變其長度，消除功放管源漏極寄生電容對諧波控制電路性能的影響，提高功放的效率。一種基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，包括在微帶線上順次連接的輸 入匹配電路、功放電路、諧波控制電路和輸出匹配電路。所述諧波控制電路包括設(shè)在所述微 帶線下方的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)，該虛地結(jié)構(gòu)由完整螺旋虛地結(jié)構(gòu)切去1/4構(gòu)成；所述3/4螺 旋虛地結(jié)構(gòu)包括沿所述微帶線軸對稱且連接的兩部分螺旋結(jié)構(gòu)，其中一部分螺旋結(jié)構(gòu)是，一根地線分為依此連接的a h八段，它們都與所述微帶 線平行，設(shè)地線寬為χ ；在a段的一側(cè)，由內(nèi)向外依此平行設(shè)置b、c、f和g段；在a段的另一 側(cè)，由內(nèi)向外依此平行設(shè)置d、e和h段；各段的間隔大于χ ；由h段與另一部分螺旋結(jié)構(gòu)中 與h段軸對稱的相應(yīng)段連接。所述螺旋結(jié)構(gòu)中，各段地線的連接線與所述微帶線垂直。所述微帶線上，在功放電路前端并聯(lián)接有1/8波長短截線。所述諧波控制電路包括設(shè)在所述微帶線上的調(diào)諧線，該調(diào)諧線設(shè)在所述3/4螺旋 虛地結(jié)構(gòu)的前端。所述微波電路是布設(shè)在微波板材上的；所述功放電路下設(shè)有金屬散熱底座；在金 屬散熱底座上，與所述3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)對應(yīng)處設(shè)有空腔。有益效果1)本實用新型逆F類功率放大器中，使用3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)設(shè)計諧波控制電路。 傳統(tǒng)的螺旋虛地結(jié)構(gòu)有對稱螺旋和非對稱螺旋兩種。對稱螺旋結(jié)構(gòu)面積大，非對稱螺旋結(jié) 構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，這兩種結(jié)構(gòu)都很難分別調(diào)整兩個諧振頻點。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu) 的面積更小，兩個諧振頻率點可以分別調(diào)整，使設(shè)計更加簡化，節(jié)約了制版成本。2)通常應(yīng)用在逆F類功率放大器中的諧波控制電路分為兩種集總元件控制電路 和微帶線結(jié)構(gòu)控制電路。集總元件設(shè)計的諧波控制電路受到工作頻率和元件Q值的限制， 無法在高頻處提供良好的濾波性能。微帶線結(jié)構(gòu)的控制電路面積大且設(shè)計復(fù)雜，影響了功 率放大器在通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用。本實用新型中采用的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)結(jié)合微帶線設(shè)計的 諧波控制電路具有工作頻率高，功率損耗小以及面積小的優(yōu)點。3)傳統(tǒng)逆F類功率放大器的諧波控制電路中，只能將2次諧波開路，本實用新型中 的諧波控制電路利用3/4螺旋結(jié)構(gòu)的濾波特性，在不增加設(shè)計復(fù)雜度和功率損耗的前提下 將2次、4次諧波開路，很好的提高了功率放大器的工作效率和輸出功率。4)本實用新型的功率放大器中，在功放管的輸入端加入了八分之一波長短截線， 將二次諧波短路，消除了輸入信號失真對功率放大器性能產(chǎn)生的影響。相比傳統(tǒng)的逆F類 功率放大器，本實用新型中的逆F類功率放大器具有更高的工作效率。5)本實用新型在功放管的諧波控制電路中加入了調(diào)諧線，用以消除功放管源漏極寄生電容對諧波控制電路性能的影響，有效的提高了功率放大器的工作效率。
圖1為3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本例的3/4螺旋結(jié)構(gòu)微帶線的示意圖，圖中將螺旋結(jié)構(gòu)的尺寸用字母標出； 1是3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)，2是微帶線。圖3為3/4螺旋結(jié)構(gòu)微帶線的頻率響應(yīng)特性的仿真實測對比圖。圖4是本實用新型中設(shè)計的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)諧波控制電路的示意框圖。圖5是3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)諧波控制電路的頻率響應(yīng)及輸入阻抗。圖6是實例中的逆F類功率放大器的測試輸入輸出結(jié)果圖。圖7是實例中的逆F類功率放大器的測試功率附加效率結(jié)果圖
具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明，對本實用新型的方案進行詳細說明，具體步驟如下參考圖1，3，一種基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，包括在微帶線上順 次連接的輸入匹配電路、功放電路、諧波控制電路和輸出匹配電路。所述諧波控制電路包括 設(shè)在所述微帶線下方的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)，該虛地結(jié)構(gòu)由完整螺旋虛地結(jié)構(gòu)切去1/4構(gòu)成； 所述3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)包括沿所述微帶線軸對稱且連接的兩部分螺旋結(jié)構(gòu)，其中一部分螺旋結(jié)構(gòu)是，一根地線分為依此連接的a h八段，它們都與所述微帶 線平行，設(shè)地線寬為χ ；在a段的一側(cè)，由內(nèi)向外依此平行設(shè)置b、c、f和g段；在a段的另一 側(cè)，由內(nèi)向外依此平行設(shè)置d、e和h段；各段的間隔大于χ ；由h段與另一部分螺旋結(jié)構(gòu)中 與h段軸對稱的相應(yīng)段連接。所述螺旋結(jié)構(gòu)中，各段地線的連接線與所述微帶線垂直。所述微帶線上，在功放電路前端并聯(lián)接有1/8波長短截線。所述諧波控制電路包括設(shè)在所述微帶線上的調(diào)諧線，該調(diào)諧線設(shè)在所述3/4螺旋 虛地結(jié)構(gòu)的前端。所述微波電路是布設(shè)在微波板材上的；所述功放電路下設(shè)有金屬散熱底座；在金 屬散熱底座上，與所述3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)對應(yīng)處設(shè)有空腔。參考圖2 7:1.本例以設(shè)計工作在2.4GHz的逆F類功率放大器為例。PCB選用介電常數(shù)為 2. 65，厚度為Imm的微波板材，功放管選用Hetero-structure場效應(yīng)管。由于工作頻率為 2. 4GHz,則2、3、4次諧波頻率分別為4. 8GHz、7. 2GHz和9. 6GHz。通過ANS0FTHFSS仿真軟 件確定3/4螺旋結(jié)構(gòu)的尺寸。本例的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)如圖2所示，其最終尺寸為A = 2. 6mmλ B = L 4mm、C=L 2mm、D = 1mm、E = O. 2mm、F = O. 6mm、G = 3. 2mm、H = 2. 6mm。2.由于設(shè)計功率放大器要考慮散熱問題，所以在實際應(yīng)用中，會在功放下面加入 金屬散熱底座。為了避免金屬底座對虛地結(jié)構(gòu)的濾波特性產(chǎn)生影響，必須要在其位置處的 金屬底座上挖出一個空腔。通過ANSOFT HFSS仿真軟件確定空腔的大小，使金屬底座不會 影響虛地結(jié)構(gòu)，同時也不會因為空腔太大，影響散熱。最終的空腔尺寸為1.5cm*2cm。3.加工帶有3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的微帶線PCB板，實際測量其濾波特性，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整螺旋結(jié)構(gòu)尺寸，使其盡可能在諧波頻點有最好的諧波控制效果。圖3所示為最終的 仿真和測試結(jié)果，從圖中可以看到，仿真和測試結(jié)果基本吻合，而且在諧波頻點擁有很好的 濾波特性。4.使用確定尺寸的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)設(shè)計諧波控制電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。 圖5是次控制電路的頻率響應(yīng)特性，以及根據(jù)此特性計算出來的輸入阻抗，從結(jié)果中可以 看出，諧波控制電路很好的將2次、4次諧波開路，將3次諧波短路。5.將諧波控制電路加入功放管的輸出端，然后設(shè)計其輸入輸出匹配電路。6.制版加工所設(shè)計出的逆F類功率放大器，測量其工作效率，調(diào)整調(diào)諧線長度，使 功放的工作效率最大。圖6和圖7為功率放大器的性能測試結(jié)果。從圖中可以看到，在功放的飽和輸出 點，其功率附加效率可以達到76%。
權(quán)利要求1.一種基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，包括在微帶線上順次連接的輸入 匹配電路、功放電路、諧波控制電路和輸出匹配電路，其特征是所述諧波控制電路包括設(shè)在 所述微帶線下方的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)，該虛地結(jié)構(gòu)由完整螺旋虛地結(jié)構(gòu)切去1/4構(gòu)成；所述 3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)包括沿所述微帶線軸對稱且連接的兩部分螺旋結(jié)構(gòu)，其中一部分螺旋結(jié)構(gòu)是，一根地線分為依此連接的a h八段，它們都與所述微帶線平 行，設(shè)地線寬為χ ；在a段的一側(cè)，由內(nèi)向外依此平行設(shè)置b、c、f和g段；在a段的另一側(cè)， 由內(nèi)向外依此平行設(shè)置d、e和h段；各段的間隔大于χ ；由h段與另一部分螺旋結(jié)構(gòu)中與h 段軸對稱的相應(yīng)段連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，其特征是所述螺 旋結(jié)構(gòu)中，各段地線的連接線與所述微帶線垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，其特征是所述微 帶線上，在功放電路前端并聯(lián)接有1/8波長短截線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，其特征是所述 諧波控制電路包括設(shè)在所述微帶線上的調(diào)諧線，該調(diào)諧線設(shè)在所述3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的前 端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)的逆F類功率放大器，其特征是所述微 波電路是布設(shè)在微波板材上的；所述功放電路下設(shè)有金屬散熱底座；在金屬散熱底座上， 與所述3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)對應(yīng)處設(shè)有空腔。
專利摘要基于3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)逆F類功率放大器，包括在微帶線上順次連接的輸入匹配電路、功放電路、諧波控制電路和輸出匹配電路，所述諧波控制電路包括設(shè)在所述微帶線下方的3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)，該虛地結(jié)構(gòu)由完整螺旋虛地結(jié)構(gòu)切去1/4構(gòu)成；所述3/4螺旋虛地結(jié)構(gòu)包括沿所述微帶線軸對稱且連接的兩部分螺旋結(jié)構(gòu)。
文檔編號H03F3/20GK201854245SQ20102063807
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者周健義, 晉石磊, 洪偉 申請人:東南大學(xué)