本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高效率濾波功率放大器。

背景技術(shù)：

射頻前端是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，是無線通信系統(tǒng)必不可缺的關(guān)鍵部件。射頻前端包括接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，其中射頻發(fā)射機(jī)主要包括功率放大器和濾波器，傳統(tǒng)方法是二者獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行連接。缺點(diǎn)是功率放大器需要通過匹配網(wǎng)絡(luò)將其最佳輸出阻抗匹配到50歐姆再與濾波器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直接級(jí)聯(lián)，這樣做通常容易帶來體積大、總量重的問題，同時(shí)，匹配網(wǎng)絡(luò)的引入將帶來了損耗大而降低功率放大器輸出功率的缺點(diǎn)。

隨著無線通信的發(fā)展，通信系統(tǒng)越來越趨向于小型化和集成化，因此，一體化的射頻接收機(jī)具有極大的需求。濾波功放將功率放大器、濾波器等前端器件聯(lián)合進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠使得射頻接收機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少不必要的損耗引入，使得射頻接收機(jī)的小型化和高效率更加容易實(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)有的射頻接收系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高效率射頻接收機(jī)主要通過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將功率放大器的最佳輸出阻抗變換為50歐姆，再通過50歐姆的連接線和50歐姆的濾波器網(wǎng)絡(luò)直接級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。由于設(shè)計(jì)時(shí)，功率放大器和濾波器與50歐姆連接線的失配和濾波器和匹配網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗，通常功率放大器的功率附加效率將大大降低。一般來說，1db的損耗可以將功率放大器的效率從80％下降到60％。

一體化設(shè)計(jì)的濾波功率放大器相對于獨(dú)立設(shè)計(jì)的濾波功率放大器來說，由于將濾波器的輸入阻抗直接設(shè)計(jì)為功率放大器的最佳輸出阻抗，從而取消了獨(dú)立設(shè)計(jì)濾波功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此避免了匹配網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗，同時(shí)一體化設(shè)計(jì)濾波功率放大器實(shí)現(xiàn)了射頻接收機(jī)的小型化和集成化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種高效率濾波功率放大器，與現(xiàn)有的獨(dú)立設(shè)計(jì)濾波功率放大器相比，通過將功率放大器和濾波器直接相連，實(shí)現(xiàn)了小型化和高效率濾波功率放大器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種高效率濾波功率放大器，包括輸入匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功放管、柵極直流饋電網(wǎng)絡(luò)、漏極直流饋電網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)，其中

所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于將50歐姆匹配到功放管的最佳輸入阻抗，使得功率放大器達(dá)到最大的功率附加效率；

所述功放管用于對輸入信號(hào)的放大；

所述柵極直流饋電網(wǎng)絡(luò)用于將柵極偏置電壓加載到功放管的柵極，從而提供功放管的柵極靜態(tài)工作點(diǎn)；

所述漏極直流饋電網(wǎng)絡(luò)用于將漏極偏置電壓加載到功放管的柵極，從而提供功放管的漏極靜態(tài)工作點(diǎn)；

所述輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)用于將功放管的最佳輸出阻抗匹配到50歐姆，使得功率放大器達(dá)到最大的功率附加效率；同時(shí)輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)又具有濾波器的濾波特性和對高次諧波具有抑制作用。

進(jìn)一步地，所述輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括微帶線、隔直電容以及π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)；所述π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的一端與所述功放管相連、另一端通過所述隔直電容與所述微帶線相連。

進(jìn)一步地，所述微帶線為50歐姆。

進(jìn)一步地，所述柵極直流饋電網(wǎng)絡(luò)包括微帶饋電線和若干第一濾波電容；所述微帶饋電線的上端分別與每個(gè)所述第一濾波電容連接，所述微帶饋電線的下端與所述π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的上端連接。

進(jìn)一步地，所述微帶饋電線為l型微帶饋電線，所述第一濾波電容數(shù)量為3。

進(jìn)一步地，所述漏極直流饋電網(wǎng)絡(luò)包括輸出阻抗變換器、窄邊微帶饋電線、寬邊微帶饋電線、隔直電容和第二濾波電容；所述輸出阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的一端與所述功放管連接、另一端通過所述隔直電容與所述輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)連接；所述窄帶微帶饋電線的一端與所述輸出阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的上端連接、另一端與所述濾波電容和所述寬邊直流饋電線連接。

進(jìn)一步地，所述窄邊饋電微帶線的長度為λg/16，λg為所述高效率濾波功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率的波長。

進(jìn)一步地，所述輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)包括若干階梯阻抗諧振器、微帶連接線和端口，所述阻抗諧振器連接微帶連接線和端口。

進(jìn)一步地，所述階梯阻抗諧振器為λg/4的階梯阻抗諧振器，λg為所述高效率濾波功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率的波長。

進(jìn)一步地，所述階梯阻抗諧振器數(shù)量為2，每個(gè)所述階梯阻抗諧振器均包括窄邊部分和寬邊部分，2個(gè)階梯阻抗諧振器的寬邊部分之間通過縫隙進(jìn)行耦合，每個(gè)階梯阻抗諧振器的窄邊部分均連接所述微帶連接線和端口。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

1、本發(fā)明將功率放大器設(shè)計(jì)與濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有濾波功能的高效率放大器。通過將濾波器的輸入阻抗設(shè)計(jì)為功率放大器的最佳阻抗，從而使功放管和濾波器直接相連，因此功率放大器的結(jié)構(gòu)比較緊湊；

2、本發(fā)明的濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于λg/4階梯阻抗諧振器，通過將λg/4階梯阻抗諧振器折疊使得整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)更加緊湊；

3、現(xiàn)有的濾波功率放大器的濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常是基于帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而帶通濾波器通常較關(guān)注于通帶內(nèi)的設(shè)計(jì)，在距離通帶比較近的帶外，抑制信號(hào)通過的效果一般不是很好，而想要提高帶通濾波器的帶外抑制通常需要增加帶通濾波器的階數(shù)，使得濾波器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，尺寸增加；本發(fā)明的濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是基于λg/4階梯阻抗諧振器，通過在λg/4階梯阻抗諧振器的窄邊部分通過一條窄帶微帶線21相連，其在距離通帶較近的兩側(cè)的頻帶分別能夠產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，抑制信號(hào)通過的效果較好，因此能實(shí)現(xiàn)較好的濾波特性和帶外抑制特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種高效率濾波功率放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種高效率濾波功率放大器的進(jìn)行詳細(xì)編號(hào)標(biāo)注的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一種高效率濾波功率放大器的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和柵極饋電線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種高效率濾波功率放大器的漏極饋電線結(jié)構(gòu)和輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明一種高效率濾波功率放大器的輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)的阻抗圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中仿真s參數(shù)曲線圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中輸出功率和效率的仿真圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本申請作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參照圖1、圖2，本實(shí)施例濾波功率放大器結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1、功放管2、柵極直流饋電網(wǎng)絡(luò)3、漏極直流饋電網(wǎng)絡(luò)4和輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)5。同時(shí)功率放大器結(jié)構(gòu)為于介質(zhì)基板6的上表面，下表面為導(dǎo)體銅7作為濾波功率放大器的地板。所述的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)1包括一段50歐姆的微帶線8、隔直電容9、π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)10；π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)10的一端與功放管2相連，另一端通過隔直電容9與50歐姆的微帶線8相連。所述的柵極直流饋電網(wǎng)絡(luò)3包括l型微帶饋電線，濾波電容12，濾波電容13和濾波電容14組成；l型微帶饋電線11的上端分別與濾波電容12、濾波電容13、濾波電容14相連，l型微帶饋電線11的下端與π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)10的上端相連，l型微帶饋電線11和外部直流電相連來提供功放管柵極電壓。所述的漏極直流饋電網(wǎng)絡(luò)4包括輸出阻抗變換器15、窄邊微帶饋電線17、寬邊微帶饋電線18、隔直電容19和濾波電容16；輸出阻抗變換網(wǎng)絡(luò)10的一端與功放管相連，另一端通過隔直電容19與輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)5相連，窄帶微帶饋電線的一端與輸出阻抗變換網(wǎng)絡(luò)10的上端相連，另一端與濾波電容16和寬邊直流饋電線18相連。寬帶微帶線18和外部直流電相連來提供功放管漏極電壓。所述的輸出匹配濾波器網(wǎng)絡(luò)5包括兩個(gè)(1/4)λg的階梯阻抗諧振器20a、20b、一段微帶連接線21和端口2。(1/4)λg階梯阻抗諧振器20a通過窄邊部分上的端口與隔直電容19相連，(1/4)λg階梯阻抗諧振器20a和(1/4)λg階梯阻抗諧振器20b寬邊部分相隔一小段縫隙，窄邊部分通過窄邊微帶連接線21相連。

作為一個(gè)實(shí)例，當(dāng)要求設(shè)計(jì)cgh40010f功放管中心頻率2.45g，工作帶寬為180m的高效率濾波功率放大器時(shí)，其在中心頻點(diǎn)的最佳的輸出阻抗為14+14*jω。結(jié)合圖3和圖4所示的尺寸標(biāo)注，采用相對介電常數(shù)為2.55、厚度為0.8mm的介質(zhì)板做基板，50歐姆的微帶線的主要尺寸8a、8b分別為2.2mm和6mm。π型輸入阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的主要尺寸23a、23b、26a、26b、27a、27b分別為2.2mm，7.9mm、2.6mm、8.6mm、13.8mm、2.6mm。l型微帶饋電線的主要尺寸24a、24b、25a、25b分別為7.6mm、2.4mm、2.4mm、9.6mm。隔直電容9、濾波電容12、濾波電容13、濾波電容14的容值分別為4.7pf、100pf、10pf、1pf。輸出阻抗變化器的主要尺寸15a和15b分別為2.2mm和2mm。窄邊饋電線的主要尺寸17a、17b以及位于輸出阻抗變換器上表面的位置33分別為6mm、0.5mm、0.6mm。寬邊饋電線的主要尺寸18a、18b分別為6.8mm和2mm。封裝號(hào)為0603的隔直電容19和濾波電容16的電容值分別為3.9pf、10pf。端口28和端口22的主要尺寸28a、28b、22a、22b分別為1.5mm、1.6mm、1.5mm、2.2mm。(1/4)λg階梯阻抗諧振器的主要尺寸34、35、36、29a、29b、37分別為9.7mm、0.8mm、0.7mm、9.6mm、2mm、9.9mm。(1/4)λg階梯阻抗諧振器圓盤和過孔的半徑r和r尺寸分別為0.7mm、0.4mm。兩個(gè)(1/4)λg階梯阻抗諧振器之間的縫隙30的尺寸為0.2mm。端口二的主要尺寸22a、22b分別為2.2mm、2.3mm。窄邊微帶線的主要尺寸31a和31b分別為0.5mm、5.6mm。

對于該設(shè)計(jì)實(shí)例，優(yōu)選的，所述的功放管選擇gree公司生產(chǎn)的cgh40010fganhemt功率管；隔直電容選擇atc600s3r9或atc600s4r7；濾波電容選擇atc600s1r0或atc600s100或atc600s101。

優(yōu)選的，所述窄邊饋電微帶線的長度為(1/16)λg，λg為高效率濾波功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率的波長。

優(yōu)選的，所述二階濾波器網(wǎng)絡(luò)的階梯阻抗諧振器的長度為(1/4)λg，λg為高效率濾波功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率的波長。

優(yōu)選的，所述二階濾波網(wǎng)絡(luò)的窄邊彎折部分的長度為(1/8)λg，λg為高效率濾波功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的中心頻率的波長。

該濾波器結(jié)構(gòu)的smith阻抗圖如圖5所示，可以看到，在2.4g-2.5g阻抗較為集中在功率放大器的最佳輸出阻抗14+14*j附近。該濾波功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)在一端為最佳輸出阻抗的共軛(14-14*j)情況下另一端為50歐姆的情況下的s參數(shù)如圖6所示。可以看到，在通帶內(nèi)的最小0.4db，在兩個(gè)傳輸零點(diǎn)2g和4g的抑制分別達(dá)到了60db和73db，同時(shí)帶外抑制均大于30db。接上功率放大器情況下的輸出功率和效率的仿真圖如圖7所示，可以看出，該匹配網(wǎng)絡(luò)下的功率放大器的輸出功率在2.36ghz-2.54ghz下都大于40dbm，效率均大于60％。表現(xiàn)出了良好的濾波特性和高效性。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。