[发明专利]一种基于谐波控制的F类功率放大器

说明书

本发明公开了一种基于谐波控制的F类功率放大器，属于无线通信功放技术领域。所述基于谐波控制F类功率放大器在负载两端并联一个由L/C构成的谐振器，通过该谐振器在三次谐波发生谐振，整个谐振结构对二次谐波形成短路、对三次谐波形成高阻抗，进而将漏源电压的二次谐波分量滤除，三次谐波被保持在漏极端。由此使得漏源电压波形仅存在奇次谐波，而奇次谐波构成方波，这样功率管芯的电压将趋近于方波信号，从而提供了F类功率放大器的峰值效率。

技术领域

本发明涉及一种基于谐波控制的F类功率放大器，属于无线通信功放技术领域。

背景技术

无线通信技术中，信号的传输离不开功率放大器，其主要作用就是将前级输出的信号进 行功率放大，然后将放大后的信号传送给天线进行发射。功率放大器通常由以下几个部分组 成：晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

根据功率放大器的工作点不同可分为A类、AB类、B类、C类、D类、E类和F类等。 其中，A类、AB类、B类、C类为线性功率放大器，而D类、E类和F类则为开关型功率 放大器。

传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选 频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放 大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和 丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。 射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回 路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA)，使电子器件工作于开关状态，常见的 有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器，丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到100％。

开关型功率放大器中的F类功放主要用于射频电路方面，也就是高频微波领域，随着 5G时代的到来，F类功放在高频段具有更好的应用前景，因此本申请设计出了一种能够进 一步提高F类功放的峰值效率的电路。

发明内容

为了进一步提高F类功放的峰值效率，本发明提供了一种基于谐波控制的F类功率放大 器，所述基于谐波控制F类功率放大器包括一个晶体管，晶体管漏极和栅极分别连接一个偏 置网络，输入匹配网络与晶体管栅极相连，晶体管漏极串联一个用于保持电路稳定的电容和 谐波控制网络后与负载相连，且负载的两端并联一个谐振结构，所述谐振结构的谐振频率与 晶体管的开关频率一致。

可选的，负载两端并联的谐振器在三次谐波发生谐振，整个谐振结构对二次谐波形成短 路、对三次谐波形成高阻抗，进而将漏源电压的二次谐波分量滤除，三次谐波被保持在漏极 端。

可选的，所述晶体管为GaN功率管。

可选的，所述基于谐波控制F类功率放大器的静态工作点选定为漏极偏置电压V_DS＝ 28V栅极偏置电压V_GS＝-3.2V。

可选的，所述谐波控制网络由长度分别为的串联传输线和长度为和的并联传输线构 成。

可选的，所述谐波控制网络中的L₁、C₁组成的谐振器在基频发生谐振。

可选的，所述基于谐波控制F类功率放大器中，漏极电流在半个正弦波内导通，漏极电 压只有三次谐波和基波组成，流过负载的输出电压为漏极电压的基波成分。

可选的，所述GaN功率管采用SiC衬底，并且采用陶瓷封装。