一种用于功率放大器的偏置电路和功率放大器的制作方法

1.本发明涉及射频/微波技术领域，具体涉及一种用于功率放大器的偏置电路和功率放大器。


背景技术：

2.功率放大器广泛地应用在各种无线通讯设备及电子系统中，它作为无线发射机中重要部件，各项通信指标都需要满足严格的要求。随着5g技术的推广，功率放大器的频带宽度开始受到密切关注，人们热衷于设计具有良好性能的超宽带功率放大器。然而，一个功率放大器性能的好坏取决于偏置电路的设计。功率放大器需要通过偏置电路从直流电源获取能量来放大输入信号，因此，偏置电路成为超宽功率放大器设计中关键的环节。在超宽带功率放大器偏置电路中，直流电源经过微带线网络连接到功放管，为其提供合适的静态工作点。与此同时，需要射频到地通路，使得偏置电路具有良好的射频小电抗到地性能。
3.要使得功率放大器偏置电路射频到地性能良好,即偏置电路中从连接射频电容的节点开始,往电源的方向看过去阻抗很小,这样对于射频信号来说就相当于等效到地了。现有的能为放大器提供超宽带的偏置电路通常采用两种设计方式，一是利用锥形电感直接到高频馈线上，通过调整锥形电感的绕制参数来优化电感特性，改变谐振频率，以使工作频段朝更低频或者更高频的方向发展；二是利用电阻、电感、电容以及三极管组成的多级稳压偏置电路，通过多个电阻组成的稳压电路来控制偏置电压的稳定输出，增强放大器静态电流，提高系统兼容性。方式一的缺点是锥形电感价格昂贵，体积大，易碎，不易集成，低频兼容性差等；方式二的缺点是工作带宽过窄，低频区域只能到mhz，到达不了更低的频段，在高频区域只能到达5ghz，并且损耗过大，无法满足放大器超宽带的工作需求。


技术实现要素：

4.本技术提供一种用于功率放大器的偏置电路，以解决现有技术中功率放大器的偏置电路能量损耗大，无法满足功率放大器超宽带工作需求的技术问题。
5.第一方面，一实施例中提供一种用于功率放大器的偏置电路，包括偏置连接端、直流电源连接端、自谐振电路、去耦滤波电路、三极管q1、功率分担电路和工作保持电路；所述偏置连接端用于与所述功率放大器的输出端连接，所述偏置电路用于向所述功率放大器提供静态工作电流；所述直流电源连接端用于一直流电源的输入；所述自谐振电路分别与三极管q1的第二极连接和所述偏置连接端连接；所述自谐振电路用于遏制所述功率放大器输出的交流信号倒流，且还防止高频信号能量的泄露；所述去耦滤波电路与所述自谐振电路连接；所述去耦滤波电路用于降低所述自谐振电路的q值；所述功率分担电路分别连接所述直流电源连接端和三极管q1的第二极；所述功率分担电路用于分担所述直流电源的输出功率；
所述工作保持电路分别连接所述直流电源连接端和三极管q1的控制极；所述工作保持电路用于保证三极管q1的发射结正偏和三极管q1的集电结反偏，以使得三极管q1稳定工作，进而向所述功率放大器提供稳定的静态工作电流。
6.一实施例中，所述自谐振电路包括电感l1、电感l2、电感l3和电阻r1；电感l1、电感l2和电感l3依次串联连接，串联后的一端与三极管q1的第二极连接，串联后的另一端与所述偏置连接端连接；电阻r1的两端分别与电感l3的两端连接。
7.一实施例中，电感l1的自谐振频率大于电感l2的自谐振频率；和/或，电感l2的自谐振频率大于电感l3的自谐振频率。
8.一实施例中，所述去耦滤波电路包括电阻r2和电容c1；电阻r2和电容c1串联连接，串联后的一端与三极管q1的第二极连接，串联后的另一端接地。
9.一实施例中，所述去耦滤波电路还包括电阻r3和电容c2；电阻r3和电容c2串联连接，串联后的一端与电感l2的一端连接，串联后的另一端接地。
10.一实施例中，所述功率分担电路包括电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7；电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7组成一个电阻桥，所述电阻桥的一对对角连接端电连接，所述电阻桥的另一对对角连接端分别连接所述直流电源连接端和三极管q1的第一极。
11.一实施例中，所述工作保持电路包括电阻r8和电阻r9；电阻r9的一端与所述电源连接端连接，另一端与三极管q1的控制极连接；电阻r8的一端接地，另一端与三极管q1的控制极连接。
12.一实施例中，所述工作保持电路还包括电容c3；电容c3的一端与所述电源连接端连接，另一端与三极管q1的控制极连接。
13.一实施例中，偏置电路还包括直流电源，用于向所述直流电源连接端输出直流电源。
14.第二方面，一实施例中提供一种功率放大器，其特征在于，包括如第一方面所述的偏置电路。
15.依据上述实施例的一种偏置电路，由于通过有直流源的三极管放大电路来实现超宽带偏置电路，既能够为功率放大器提供正常的工作压差，又不会给功率放大器带来过多的器件插入损耗，使得功率放大器的增益得到提高。
附图说明
16.图1为一种超宽带功率放大器偏置电路的电路示意图；图2为一种串联一节rl并联结构部分的偏置电路示意图；图3为一种实施例中偏置电路的电路示意图；图4为另一种实施例中偏置电路板的结构示意图。
具体实施方式
17.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征
在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
18.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
19.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
20.偏置电路是用来保证放大器内部晶体管的发射结正偏、集电结反偏的外部附加电路，只有其正常供能才能使放大器准确不失真地将信号电压放大。一般偏置电路在低频区域无法到达hz级别，在高频区域只能到达4
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6ghz左右，并且高频损耗过大。超宽带偏置电路既要能够为放大器提供正常的工作压差，又不能因为器件自身特性给超宽带放大器带来过多的插入损耗。目前的偏置电路存在的形式大致分为两部分，其中一小部分是厂家直接在放大器内部结构上添加偏置电路，只需要在外部添加合适的直流电源即可，这种设计简单方便，但是适用范围小，带宽窄；另外大多部分则是厂家不负责偏置电路设计的放大器，此时就需要通过外部偏置电路搭载高频传输线为放大器提供能源，这种方式的电路设计，适用范围广，但是直流信号也会影响高频信号，增加器件插入损耗，降低放大器增益。
21.具有超宽带特性的放大器一般不具有内部偏置电路，需要额外设计偏置电路为其提供能够正常工作的偏置电压。串联电感与并联电容分别具有不同的自谐振特性，电阻具有分压稳定电路、降低谐调回路q值的特性，通过不同器件组合搭配能够实现超宽带偏置电路。请参考图1为一种超宽带功率放大器偏置电路的电路示意图，包括直流电源、滤波电容、微带线网络、减抗电阻，所述直流电源与微带线网络的第一端相连，微带线网络的第二端与功率放大器的电源端相连，微带线网络包括至少一节微带线串联组成，微带线网络中的微带线还经滤波电容c接地，在微带网络的第一端和第二端之间并联有减抗电阻r。请参考图2为一种串联一节rl并联结构部分的偏置电路示意图，w/l分别表示微带线的长和宽，终端term1表示从开始接射频电容c的节点向直流电源看过去的阻抗端口，软件仿真时可通过测量该端口处阻抗大小来判断射频是否对地实现小电抗特性。对射频信号来说，直流电源等效为接地，在图2中表示为接地。减抗电阻r与微带线tl1并联后再与射频电容c的一端相连，射频电容c的另一端接地，该三者共同构成超宽带功率放大器偏置电路的一部分。但是一般的超宽带偏置电路容易在高频段4
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6ghz的范围内就为放大器带来较大的插入损耗，更高频段就无法正常工作，并且在低频段无法到达hz区域。采用这种并联电阻放置微带线两旁，用来降低纯电抗网络中的并联谐振，偏置电路的总阻抗值随着并联电阻值的减小而减小，进而实现超宽带内高频信号到地的性能良好，完成了一个超宽带偏置电路。但是这种偏置不能满足各种射频前端放大器所需带宽要求，低频不能到达hz水平，高频只能到达4
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6ghz，并且损耗过大，正常工作带宽太窄，无法在实际测量仪器生产中大量运用。
22.为解决现有技术的不足，本技术提提供了一种用于功率放大器的偏置电路，偏置
电路用于向功率放大器提供静态工作电流，偏置电路包括偏置连接端、直流电源连接端、自谐振电路、去耦滤波电路、三极管q1、功率分担电路和工作保持电路。自谐振电路用于遏制功率放大器输出的交流信号倒流，且还防止高频信号能量的泄露。去耦滤波电路用于降低自谐振电路的q值。功率分担电路用于分担直流电源的输出功率。工作保持电路用于保证三极管q1稳定工作，进而向功率放大器提供稳定的静态工作电流。其中，在靠近高频馈线的自谐振电路采取三个电感串联，然后在旁支建立利用电阻和电容串联的去耦滤波电路，最后在自谐振电路的另一端添加三极管、电容、电阻，建立稳压放大电路，以用来提供电感正常工作电流和防止低频交流信号的倒流，实现超宽带偏置电路。由于通过有直流源的三极管放大电路来实现超宽带偏置电路，既能够为功率放大器提供正常的工作压差，又不会给功率放大器带来过多的器件插入损耗，使得功率放大器的增益得到提高。
23.实施例一请参考图3，为一种实施例中偏置电路的电路示意图，包括偏置电路100和功率放大器200。偏置电路100用于向功率放大器100提供静态工作电流。偏置电路100包括偏置连接端、直流电源连接端、自谐振电路1、去耦滤波电路2、三极管电路3、功率分担电路4和工作保持电路5。三极管电路3包括三极管q1。偏置连接端用于与功率放大器200的输出端连接，直流电源连接端用于一直流电源6的输入。自谐振电路1分别与三极管q1的第二极连接和偏置连接端连接。自谐振电路1用于遏制功率放大器200输出的交流信号倒流，且还防止高频信号能量的泄露。去耦滤波电路2与自谐振电路1连接。去耦滤波电路2用于降低自谐振电路1的q值。功率分担电路4分别连接直流电源连接端和三极管q1的第二极。功率分担电路4用于分担直流电源6的输出功率。工作保持电路5分别连接直流电源连接端和三极管q1的控制极。工作保持电路5用于保证三极管q1的发射结正偏和三极管q1的集电结反偏，以使得三极管q1稳定工作，进而向功率放大器200提供稳定的静态工作电流。
24.一实施例中，自谐振电路1包括电感l1、电感l2、电感l3和电阻r1，电感l1、电感l2和电感l3依次串联连接，串联后的一端与三极管q1的第二极连接，串联后的另一端与所述偏置连接端连接。电阻r1的两端分别与电感l3的两端连接。一实施例中，电感l1的自谐振频率大于电感l2的自谐振频率。一实施例中，电感l2的自谐振频率大于电感l3的自谐振频率。
25.一实施例中，去耦滤波电路2包括电阻r2和电容c1。电阻r2和电容c1串联连接，串联后的一端与三极管q1的第二极连接，串联后的另一端接地。一实施例中，去耦滤波电路2还包括电阻r3和电容c2。电阻r3和电容c2串联连接，串联后的一端与电感l2的一端连接，串联后的另一端接地。
26.一实施例中，功率分担电路4包括电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7。电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7组成一个电阻桥，电阻桥的一对对角连接端电连接，电阻桥的另一对对角连接端分别连接直流电源连接端和三极管q1的第一极。
27.一实施例中，工作保持电路5包括电阻r8和电阻r9。电阻r9的一端与电源连接端连接，另一端与三极管q1的控制极连接。电阻r8的一端接地，另一端与三极管q1的控制极连接。一实施例中，工作保持电路5还包括电容c3。电容c3的一端与电源连接端连接，另一端与三极管q1的控制极连接。
28.一实施例中，偏置电路100还包括直流电源6，用于向直流电源连接端输出直流电源。
29.在本技术一实施例中还公开了一种功率放大器，包括如上所述的偏置电路。
30.在本技术一实施例中，偏置电路利用三个电感串联、旁路电容和电阻的组合以及直流源头的三极管放大电路实现了一种超宽带偏置电路。其中，电感l1一端搭载到高频传输线上，既能防止高频信号能量的泄露，又能遏制交流信号的倒流。电感l2一端与l1的另一端相连，采取串联的形式。电感l2与电感l1之间的有效电长度不易过长，否则将会增大寄生参数，影响电感性能。电感串联不仅可以减小电感与pcb之间的耦合作用，还可以增加电感谐振频宽，遏制信号分流，阻止能量泄露。旁路电容c1与电阻r2串联之后组成一个去耦滤波电路，一端接在l2的一侧，另一端接地。电阻r2不仅可以降低谐调回路中的q值，还可以减小pcb电路板与耦合电容c1之间相互作用导致的频率失调。电容c1则可以过滤信号杂波，除去电源噪声。电感l3依旧与电感l1、l2串联，接在l2的一端。电感l3可以使偏置电路的谐振频率到达低频区域hz级别，并且在电感l3两端并联电阻r1为其分流，保护电感l3中的电流值稳定输出。电感l1的自谐振频率较高，电感l2的自谐振频率相对l1较低，电感l3则是在低频域发生自谐振，l1、l2、l3的串联，实现了低频段到高频段的共同谐振，拓宽了谐振频段，实现了超宽带谐振，有效抑制了放大器传输信号的泄露。旁路电容c2与电阻r3串联之后组成另外一个去耦滤波电路，一端接电感l3的另外一端，另一端与电容c1和电阻r2组成的去耦滤波电路共同接地。电阻r3同样也是为了降低谐调回路中的q值，减小pcb电路板与耦合电容c2之间相互作用导致的频率失调。电容c2也是为了过滤信号杂波，除去电源噪声。电阻r4与r5并联，电阻r6与r7并联，然后在把并联电阻串联起来，一端接在晶体三级管q1的集电级c点，另外一端接在直流电源的正集。此种电阻串并联的方式不仅能够控制电阻大小不变，还能提高电阻分担电源输出功率的能力，以满足整体信号放大的需求。电容c3一端接在基级b点，另一端接在电源正极，对放大电路进行滤波除噪声。电阻r8一端接集级b点，另一端接地。通过改变r8阻值的大小，抑制电源噪声信号，提高三极管q1正常工作的稳定性，满足电感组件的工作频率以及最大电流的需求。电阻r9与电容c3并联，同样是一端接基级b点，一点接直流电源正极。电阻r9作为分压器件，保证发射结正偏，集电结反偏，稳定三极管q1的偏置电流。从三极管q1的发射级c向直流电源望去，阻抗无穷大，可以有效抑制低频交流信号的传输，稳固放大器在低频区域的无损耗输出。
31.在申请实施例中公开的偏置电路用于向功率放大器提供静态工作电流，偏置电路包括偏置连接端、直流电源连接端、自谐振电路、去耦滤波电路、三极管q1、功率分担电路和工作保持电路。自谐振电路用于遏制功率放大器输出的交流信号倒流，且还防止高频信号能量的泄露。去耦滤波电路用于降低自谐振电路的q值。功率分担电路用于分担直流电源的输出功率。工作保持电路用于保证三极管q1稳定工作，进而向功率放大器提供稳定的静态工作电流。由于通过有直流源的三极管放大电路来实现超宽带偏置电路，既能够为功率放大器提供正常的工作压差，又不会给功率放大器带来过多的器件插入损耗，使得功率放大器的增益得到提高。偏置电路采用不同封装技术来实现不同频点的谐振抑制，扩大谐振带宽，旁路电容去耦滤噪，电阻降低电路谐振q值，并在直流电源上添加三极管，防止低频交流信号的倒流，形成偏置放大电路以保证电感的最大工作电流配置。电路结构简单，通过平常的电感、电容就可以完成，电路稳定性高，容错率大，成本低，利于大规模开发。
32.实施例二请参考图4为另一种实施例中偏置电路板的结构示意图，偏置电路板包括偏置电
路布线区10。偏置电路布线区10上设置有偏置电路，该偏置电路包括偏置连接端、直流电源连接端、自谐振电路、去耦滤波电路、三极管q1、功率分担电路和工作保持电路。其中，偏置连接端用于与一功率放大器的输出端电连接，偏置电路用于向功率放大器提供静态工作电流。直流电源连接端用于一直流电源的输入。自谐振电路分别与三极管q1的第二极连接和偏置连接端连接。自谐振电路用于遏制功率放大器输出的交流信号倒流，且还防止高频信号能量的泄露。去耦滤波电路与自谐振电路连接，去耦滤波电路用于降低自谐振电路的q值。功率分担电路分别连接直流电源连接端和三极管q1的第二极，功率分担电路用于分担直流电源的输出功率。工作保持电路分别连接直流电源连接端和三极管q1的控制极，工作保持电路用于保证三极管q1的发射结正偏和三极管q1的集电结反偏，以使得三极管q1稳定工作，进而向功率放大器提供稳定的静态工作电流。偏置电路布线区10包括第一电路区11、第二电路区12、第三电路区13、第四电路区14和第五电路区15。自谐振电路设置在第一电路区11，去耦滤波电路设置在第二电路区12，三极管q1设置在第三电路区13，功率分担电路设置在第四电路区14，工作保持电路设置在第五电路区15。第一电路区11和第二电路区12设置在第三电路区13的一侧，第四电路区14和第五电路区15设置在第三电路区13的另一侧。
33.一实施例中，偏置电路板还设置有高频传输线。偏置连接端设置在高频传输线上，高频传输线用于与功率放大器电连接。第二电路区12与高频传输线的距离大于第一电路区11与高频传输线的距离。第三电路区13与高频传输线的距离大于第二电路区12与高频传输线的距离。
34.一实施例中，偏置电路布线区10设置在pcb电路板上，pcb电路板上的偏置电路布线区10中的焊点下方无地接铜板。一实施例中，pcb电路板上的偏置电路布线区10的下方无地接铜板。
35.一实施例中，自谐振电路包括电感l1、电感l2、电感l3和电阻r1。电感l1、电感l2和电感l3依次串联连接，串联后的一端与三极管q1的第二极连接，串联后的另一端与所述偏置连接端连接。电阻r1的两端分别与电感l3的两端连接。一实施例中，去耦滤波电路包括电阻r2和电容c1，电阻r2和电容c1串联连接，串联后的一端与三极管q1的第二极连接，串联后的另一端接地。一实施例中，功率分担电路包括电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7，电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7组成一个电阻桥，电阻桥的一对对角连接端电连接，电阻桥的另一对对角连接端分别连接直流电源连接端和三极管q1的第一极。一实施例中，工作保持电路包括电阻r8和电阻r9，电阻r9的一端与电源连接端连接，另一端与三极管q1的控制极连接。电阻r8的一端接地，另一端与三极管q1的控制极连接。一实施例中，工作保持电路还包括电容c3，电容c3的一端与电源连接端连接，另一端与三极管q1的控制极连接。
36.一实施例中，偏置电路板还包括连接端子j1，所述连接端子j1与直流电源连接端连接，用于直流电源的输入。
37.在本技术一实施例中，由于偏置电路在pcb中接地位置的不同以及金属过孔位置的不同都会改变pcb中的电容分布，所以设置偏置电路与金属过孔的位置是按照与高频传输线相互垂直的方向排布的，最大程度上减少组件自身对高频传输线上的电磁干扰。另外，在所有焊盘位置的最下层区域，是一个没有铜板的不规则裸露地面，这是为了防止上层焊盘与下层铜板之间形成耦合电容，影响放大器高频信号的传输。本技术公开的偏置电路的低频达到hz级别，高频达到30ghz，超宽频带，损耗低，系统容错率高，成本低，容易集成到高
频传输线，有利于精密器件的组成，可大规模开发，应用领域广阔。偏置电路的整体结构和组合模式简单，利用电感串联，采用不同封装技术来实现不同频点的谐振抑制，扩大谐振带宽，旁路电容去耦滤噪，电阻降低电路谐振q值，并在直流电源上添加三极管，防止低频交流信号的倒流，形成偏置放大电路以保证电感的最大工作电流配置。同时，pcb电路板上焊盘下方区域无接地铜板，为裸露状态。电路结构简单，通过平常的电感、电容就可以完成，电路稳定性高，容错率大，成本低，利于大规模开发。
38.在本技术实施例中，公开了的一种偏置电路板，包括偏置电路布线区。偏置电路布线区上设置有偏置电路，偏置电路布线区包括第一电路区、第二电路区、第三电路区、第四电路区和第五电路区，偏置电路包括偏置连接端、直流电源连接端、自谐振电路、去耦滤波电路、三极管q1、功率分担电路和工作保持电路，并依次分别设置在第一电路区、第二电路区、第三电路区、第四电路区和第五电路区上。其中，第三电路区的一侧设置有第一电路区和第二电路区，另一侧设置有第四电路区和第五电路区。由于将偏置电路采用特定的封装技术来实现谐振抑制，扩大谐振带宽，由旁路电容去耦滤噪，在由电阻降低电路谐振q值，并在直流电源上添加三极管，防止低频交流信号的倒流，形成偏置放大电路以保证电感的最大工作电流配置。电路结构简单，通过平常的电感、电容就可以完成，电路稳定性高，容错率大，成本低，利于大规模开发。
39.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。