[发明专利]一种基于紧凑型输出匹配网络的宽带高效J类功率放大器实现方法

说明书

本发明提供一种基于紧凑型输出匹配网络的宽带高效J类功率放大器实现方法，包括紧凑型输出匹配网络、GaN HEMT晶体管、基于切比雪夫低通滤波器原型的输入匹配网络，其中，紧凑型输出匹配网络为LC低通匹配网络，为了增强带宽性能，使用开路扇形微带传输线代替并联电容器。输入匹配网络采用基于切比雪夫低通原型的多级低通匹配网络进行设计，以系统地提高带宽。相对现有技术，本发明通过采用一种新型的晶体管输出阻抗计算方法，改进传统J类放大器的输入输出匹配网络，增强了J类放大器的效率和带宽，使其在更宽的带宽内有效地放大信号。

技术领域

本发明涉及射频电路与系统领域，尤其涉及一种基于紧凑型输出匹配网络的宽带高效J类功率放大器实现方法。

背景技术

现代通信系统正在追求更高的数据速率和更灵活的频率。因此，高效率和宽带宽是现代功率放大器(PA)追求的特性。因此，功率放大器(PA)的研究越来越关注带宽和效率。目前，高效率放大的方法已经通过谐波调谐或开关类PA得到了解决。F/F-1类和E类操作已经可以得到超过70％的功率附加效率(PAE)。但是，这些放大器的性能依赖于一个非常特定的阻抗环境，限制了它们的工作带宽，并且它们的线性度相当差。

随着通信数据速率的快速增加，频谱资源的愈加紧张，以及当前通信系统对调制信号的使用，对宽带、高效率和高线性度的需求越来越大。因此，急需研制出新型宽带高效率高线性度的功率放大器以满足当前及未来无线通信系统的要求。

最近几年报道出来的J类功率放大器允许大量的二次谐波电抗分量。同时，基本阻抗必须包含电抗分量电压波形大于零，从而保持良好的线性度。因此，漏极电压波形表达式可以写为

v_J(θ)＝1-v_1r cosθ+v_1q sinθ+v_2q sin 2θ (1)

为了确保电压波形保持在零以上，Class-J放大器给定v_1r＝1，v_1q＝-1，v_2q＝1/2。而理想的电压和电流波形如图1所示。

对于Class-J放大器，基波和二次谐波输出阻抗由下式给出

Z(f₀)＝R_L(1+j) (2)

其中Z(f₀)和Z(2f₀)分别表示基波和二次谐波阻抗。R_L是负载阻抗。基波和二次谐波阻抗呈现在CG平面上，如图2所示。

一般来说，PA工程师在封装平面进行设计将更直接。因为我们通常使用封装的晶体管，并且匹配网络的设计在封装平面内进行。因此，封装平面上的反射系数可以根据公式(4)进行计算：

为了满足现代通信系统的频率范围要求，一种方法是进行多频段设计。通常，多频段设计依赖于在感兴趣的频带上获取负载牵引测量数据，并采用先进的匹配技术，以在每个频带向器件呈现适当的阻抗终端。多频段PA通常覆盖每个频带带宽相对较窄的两到三个频带，另外它们的频带通常相关。

另一种方法是以连续和并发的方式覆盖频谱的大部分的宽带设计。涵盖多倍频程的宽带放大器已经在文献中被广泛研究和报道，但是设计过程主要依赖于耗时的源/负载牵引测量或仿真，而没有任何通用的设计匹配网络的方法。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容