一种高阶f类功率放大电路及射频功率放大器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于射频通信领域，尤其涉及一种高阶F类功率放大电路及射频功率放大 器。
【背景技术】
[0002] 随着"绿色通信"的广泛普及，高效率、低能耗的通信系统越来越受到消费市场的 青睐。作为射频通信系统中信号发射机的末级模块，射频功率放大器消耗了发射机系统超 过70%的能量，因此提高功率放大器的发射效率是降低能耗，实现"绿色通信"的关键，提高 功率放大器的工作效率成为了学术界和产业界的研宄热点。
[0003] F类功率放大器是一种开关功率放大器，理想情况下，其效率可以达到100%。F类 功率放大器晶体管的输出负载阻抗比较特殊，除基波阻抗必须满足最佳负载阻抗需求外， 高次谐波阻抗中，偶次谐波阻抗必须实现短路，奇次谐波阻抗必须实现开路状态，这样晶体 管的输出电压波形为方波，输出电流波形为半正弦波，参见图1，同时，电压方波vds与电流 半正弦波^相位差为90°，电压波形与电流波形在时域上没有交叠，因此没有直流功率损 耗，晶体管的能量全部转化为射频信号功率传输至负载，由此实现100%的工作效率。
[0004] 对于F类功率放大器，当晶体管输出负载阻抗二次谐波短路、三次谐波开路时，晶 体管漏极电流包含一次及二次谐波成分，漏极电压包含一次及三次谐波成分，此时功率放 大器可以实现75%的效率；当晶体管输出负载阻抗二次与四次谐波短路、三次与五次谐波 开路时，晶体管漏极电流包含一次、二次及四次谐波成分，漏极电压包含一次、三次及五次 谐波成分，此时功率放大器可以实现83 %的效率，以此类推，包含的谐波越高，则F类功放 的效率越高。
[0005] 但是，在实际F类功放电路设计中，由于各次谐波阻抗控制电路之间会相互影响， 要想满足所有高阶偶次谐波阻抗短路，所有高阶奇次谐波开路的情况是很难的。一般来说， 实际电路设计中往往只考虑到三次谐波阻抗。而对于实现更高阶的F类功放的谐波阻抗设 计，现有技术可以达到最高到五次谐波阻抗控制，但是该技术在利用微带线结构进行谐波 控制时，各次谐波阻抗控制电路相互之间会产生影响，如在进行二次及四次阻抗短路设计 时，还需要额外考虑其对三次和五次谐波阻抗的影响，因此无法实现对各次谐波阻抗的独 立控制，这就大大增加了电路设计者的设计复杂度，需要花费大量的时间进行电路仿真及 调试。
【发明内容】
[0006] 本发明实施例的目的在于提供一种高阶F类功率放大电路，旨在解决现有F类功 率放大电路在实现高阶谐波阻抗控制时，无法实现对各次谐波阻抗的独立控制，设计复杂， 调试困难的问题。
[0007] 本发明实施例是这样实现的，一种高阶F类功率放大电路，所述电路包括：
[0008] 晶体管，及
[0009]寄生参数调节单元，用于调节晶体管寄生参数对于F类功率放大器的影响，所述 寄生参数调节单元的输入端与所述晶体管的功率信号输出端连接，所述晶体管的功率信号 输入端为所述高阶F类功率放大电路的输入端；
[0010] 高次谐波阻抗控制单元，用于对晶体管电流输入端的二次谐波至五次谐波分别独 立控制阻抗匹配，所述高次谐波阻抗控制单元的输入端与所述寄生参数调节单元的输出端 连接；
[0011] 基波阻抗控制单元，用于对晶体管输入端的基波独立控制阻抗匹配，所述基波阻 抗控制单元的输入端与所述高次谐波阻抗控制单元的输出端连接，所述基波阻抗控制单元 的输出端与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端与负载连接。
[0012] 本发明实施例的另一目的在于，提供一种采用上述高阶F类功率放大电路的射频 功率放大器。
[0013] 本发明实施例通过高次谐波阻抗控制单元实现了F类功率放大器的最高至五次 谐波阻抗的精确控制，从而使得晶体管的能量损耗降低，有效的提升了功率放大器的工作 效率，并且该设计方法对F类功率放大器各次谐波阻抗独立设计，实现的各次谐波阻抗控 制电路不会相互影响，不需要后期优化调试工作，大大降低了设计的复杂度，减少了后期调 试的繁冗工作。
【附图说明】
[0014] 图1为理想情况下F类功率放大电路中晶体管漏极输出端电流与电压波形示意图 图；
[0015] 图2为本发明实施例提供的高阶F类功率放大电路的结构图；
[0016] 图3为本发明实施例提供的高阶F类功率放大电路的优选结构图。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018] 本发明实施例通过高次谐波阻抗控制单元实现了F类功率放大器的最高至五次 谐波阻抗的精确控制，降低晶体管的能量损耗，提升功放效率，并且对各次谐波阻抗独立设 计，使各次谐波阻抗控制电路互不影响，无需后期优化调试，降低了设计的复杂度。
[0019] 以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：
[0020] 图2示出了本发明实施例提供的高阶F类功率放大电路的结构，为了便于说明，仅 不出了与本发明相关的部分。
[0021] 作为本发明一实施例，该高阶F类功率放大电路可以应用于任何射频功率放大器 中，包括：
[0022] 晶体管，及
[0023] 寄生参数调节单元11，用于调节晶体管寄生参数对于F类功率放大器的影响，寄 生参数调节单元11的输入端与晶体管的功率信号输出端连接，晶体管的功率信号输入端 为高阶F类功率放大电路的输入端；
[0024] 在本发明实施例中，对于N型MOS管，从功率信号流图的角度讲，N型MOS管将栅 极输入的小功率信号放大为漏极输出的大功率信号，寄生参数调节单元11处理的信号，既 包含交流电压信号也包含交流电流信号。
[0025] 高次谐波阻抗控制单元12,用于对晶体管电流输入端的二次谐波至五次谐波分别 独立控制阻抗匹配，高次谐波阻抗控制单元12的输入端与寄生参数调节单元11的输出端 连接；
[0026] 基波阻抗控制单元13,用于对晶体管输入端的基波独立控制阻抗匹配，基波阻抗 控制单元13的输入端与高次谐波阻抗控制单元12的输出端连接，基波阻抗控制单元13的 输出端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与负载连接。
[0027] 在本发明实施例中，晶体管的寄生参量模型包括：晶体管漏极和源极间的寄生电 容Cds、寄生电感Ld和封装寄生电容Cp等。
[0028] 作为本发明一实施例，寄生参数调节单元（网络）11可以由L型微带线结构构成。
[0029] 作为本发明一优选实施例，结合图3,寄生参数调节单元（网络）11位于晶体管的 电流输入端和高次谐波阻抗控制单元12之间，由特征阻抗为&的L型微带线中的第一传 输线TL1和第二传输线TL2构成。通过合理的选择第一传输线TL1的电长度为0i和第二 传输线TL2的电长度0 2的具体值，实现对谐波阻抗的寄生补偿。
[0030] 对F类功率放大器，晶体管电流输入端所需的基波阻抗为Zfund，基波阻抗控制单元 13输入端的基波阻抗为Zmatc;h，已知所需Zfund便可以求得对应的Zmatc;h，两者关系可以用以下 公式表示：
[0031]
[0032] 当基波阻抗控制网络的基波阻抗满足对应Zmatc;h就可以实现晶体管端口所需基波 阻抗匹配。
[0033] 作为本发明一实施例，高次谐波阻抗控制单元（网络）12可以由六段微带线结构 构成。
[0034] 二次到五次谐波阻抗控制单元（高次谐波阻抗控制单元）具体拓扑结构如图2所 示，其中六段微带线特征阻抗为A，具体为：第一串联微带线、第二串联微带线、第一开路微 带线、第二开路微带线、第三开路微带线和短路微带线；
[0035] 第一串联微带线的一端为高次谐波阻抗控制单元12的输入端，第一串联微带线 的另一端同时与第二串联微带线、第一开路微带线、第二开路微带线的一端连接，第二串联 微带线的另一端为高次谐波阻抗控制单元12的输出端同时与第三开路微带线、短路微带 线的一端连接，短路微带线的另一端交流接地。
[0036] 作为本发明一优选实施例，第一串联微带线和第二串联微带线的电长度均为 入。/4,第一开路微带线、第二开路微带线、第三开路微带线的电长度依次为AV12、A/20、 ^/16,交流短路微带线的电长度为AV4。该结构中串联微带线、开路微带线和短路微带 线的特征阻抗均为A^为基波频率的波长。
[0037] 对于固定工作频率，该高次谐波阻抗控制单元（网络）12可同时实现输入端口处 的二次与四次谐波短路、三次与五次谐波开路。其中，表示基波频率的波长，S表示谐波 阻抗短路，0表示谐波阻抗开路。也就是说，10表示基波开路，30表示三次谐波开路，40表 示四次谐波开路，50表示五次谐波开路，1S基波短路，2S表示二次谐波短路，3S表示三次谐 波短路，4S表示四次谐波短路，5S表示五次谐波短路。
[0038] 在本发明实施例中，高次谐波阻抗控制单元12中，由于采用了六段微带线结构， 可以在第一串联微带线和第二串联微带线的连接点形成2S、3S、4S和5S。因此无论后端基 波阻抗控制单元结构如何变化，该点的二次到五次谐波都是短路的，通过第一串联微带线 的变化后，可以实现输入端口处的二次与四次谐波短路、三次与五次谐波开路。同时，利用 基波阻抗控制单元调苄基波阻抗的匹配时，不会影响二次到五次谐波的匹配结果，因此它 可以独立实现F类功率放大器的基波阻抗匹配。
[0039] 作为本发明一实施例，基波阻抗控制单元（网络）13可以由L型微带线结构构成， 包括第三微带线TL3和第四微带线TL4,其特征阻抗均为ZQ;
[0040] 第三微带线TL3的一端为基波阻抗控制单元13的输入端，第三微带线TL3的另一 端为基波阻抗控制单元13的输出端与第四微带线TL4的一端连接。
[0041] 第三微带线TL3的电长度为0i，第四微带线TL4的电长度为0 2。
[0042] 电长度0 :和电长