一种覆盖VLF-UHF频段的超宽带功率放大器的制作方法

一种覆盖vlf-uhf频段的超宽带功率放大器
技术领域
1.本发明涉及功率放大领域，特别涉及一种覆盖vlf-uhf频段的超宽带功率放大器。


背景技术：

2.射频功率放大器是电子战、通信、测试系统的重要组成部分。不同的应用系统需要不同的频率，从几khz到上ghz，覆盖vlf-uhf频段，其功率从几十瓦到数千瓦不等。功率放大器的带宽越宽，就越能适用于更多的场景和系统，因此，同时支持几khz到上ghz的宽带功率放大器有广泛的应用场景。
3.如何获得更宽的带宽和更大的功率是射频功率放大器的研究重点。宽带功率放大器设计的挑战之一是宽带阻抗匹配：在整个工作带宽内，将功率放大器件的阻抗和系统阻抗相匹配。系统的阻抗通常为50ω，而功率器件阻抗常常为复数r+jx，其值远小于系统阻抗，且会随着频率变化而变化。需匹配的目标带宽越宽，能获得的带内最佳性能越差，其匹配程度由博德-范诺法测描述如下：
[0004][0005]
其中γ(ω)为匹配网络的反射系数，ω为角频率，τ为负载网络的时间常数。表明了同样的负载下，带宽越宽，反射系数越差。
[0006]
对目标阻抗的拟合通常是基于电长度和频率来设定，在ghz频段匹配电路的电长度在分米量级，通常可以采用微带线或加载电容的方式进行设计，当频率逐渐降低，如mhz时，电路的电长度在若干米，若至khz时，电长度达到千米量级，基于微带或加载电容的电路会因物理尺寸过于巨大而不再适合。因此，低频段固态功率放大器匹配电路的设计常常基于传输线变压器和磁芯，可以将电路尺寸控制在分米量级。目前的微波功率放大器技术能够单段覆盖几十mhz到ghz，但难以下降到khz；而射频功率放大器能够覆盖几khz到近百mhz，难以上升到ghz。因此，急需一种工作频率能够同时覆盖几khz到ghz的超宽带功率放大器。


技术实现要素：

[0007]
针对现有技术中存在的问题，为了兼顾khz和ghz的宽带功率放大，本发明提供了一种覆盖vlf-uhf频段的超宽带功率放大器，利用两种匹配电路阻抗的频率选择性，将电路的射频信号依据频率选择性自动分配到对应的匹配电路中，分别进行匹配之后再利用异频合成电路进行合成，无缝拓展匹配电路的带宽，解决频带不够宽的问题，最终得到覆盖9khz-1ghz的超宽带放大电路，且还能够依据此放大器，采多个匹配电路异频合成，对工作频带做进一步的扩展。
[0008]
本发明采用的技术方案如下：一种覆盖vlf-uhf频段的超宽带功率放大器，包括依次连接输入匹配电路、功率管以及输出匹配电路，输入匹配电路与输出匹配电路内部至少两段针对不同频段的设计的匹配电路，用于将信号带宽的阻抗变换为功率管所需值或外部
输出所需值；输入匹配电路与输出匹配电路通过异频功分电路与异频合成电路完成信号分流与合流。
[0009]
进一步的，所述输入匹配电路包括射频输入端口、第一异频功分电路、第一匹配电路、第二匹配电路以及第一异频合成电路，输出匹配电路包括第二异频功分电路、第三匹配电路、第四匹配电路、第二异频合成电路以及射频输出端口；
[0010]
超宽带射频信号通过射频输入端口输入至第一异频功分电路按照频率划分为两段，分别输入到第一匹配电路、第二匹配电路，经第一匹配电路、第二匹配电路将对应信号带宽的阻抗变换为功率管输入所需要的值后再输入到第一异频合成电路，通过第一异频合成电路完成信号合成后输入到功率管中进行放大，放大后输出到第二异频功分电路，第二异频功分电路按照频率将信号划分为两段，分别输入到第三匹配电路、第四匹配电路，经第三匹配电路、第四匹配电路将对应信号带宽的阻抗变换为输出所需的值后再输入到第二异频合成电路，通过第一异频合成电路完成信号合成后经射频输出接口输出。
[0011]
进一步的，所述第一匹配电路与第三匹配电路组成相同，包括电感、第一电容以及传输线变压器，电感的一端分别连接第一电容的一端和传输线变压器的一级，第一电容的另一端接地；信号由电感的另一端输入，由传输线变压器的另一极输出。
[0012]
进一步的，所述第二匹配电路与第四匹配电路组成相同，包括：第一微带线、第二微带线、第三微带线、第二电容以及第三电容；第一微带线、第二微带线与第三微带线依次串联，第一电容的一端接至第一微带线与第二微带线之间，另一端接地；第二电容的一端接至第二微带线与第三微带线之间，另一端接地；信号由第一微带线输入，由第三微带线输出。
[0013]
进一步的，所述第一异频功分电路与第二功分电路内设有两个存在频率交叠的滤波器，将输入的信号按照频率划分为两段。
[0014]
进一步的，所述第一匹配电路与第三匹配电路接收khz～mhz频段信号。
[0015]
进一步的，所述第二匹配电路与第四匹配电路接收mhz～ghz频段信号。
[0016]
进一步的，所述第一异频功分电路与第二异频功分电路再在进行信号划分时，划分后的两段信号中存在交叠频段。
[0017]
进一步的，所述第一异频功分电路与第二异频功分电路按照同样的频率将信号划分为两段。
[0018]
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明针对一个核心功率放大器件，将两段或多段针对不同频段设计的匹配电路进行无缝连接，不用控制电路，信号根据设计的异频功分/合成电路的阻抗自动分流和汇流，不同频带间具有一定的交叠带，可满足宽带信号同时工作，理论上还可以利用此电路继续扩展，极大地拓展了单通道功率放大器的工作频段，可以应用在多种射频系统中。
附图说明
[0019]
图1为本发明提出的超宽带功率放大器原理图。
[0020]
图2为本发明提出的超宽带功率放大器频率划分示意图。
[0021]
图3为本发明一实施例中异频功分/合成电路示意图。
[0022]
图4为本发明一实施例中的超宽带功率放大器示意图。
[0023]
图5为本发明一实施例中超宽带功率放大器的内部组成示意图。
[0024]
图6为本发明一实施例中扩展的超宽带功率放大器示意图。
[0025]
图7为本发明提出的超宽带功率放大器设计流程图。
[0026]
图8为本发明一实施例中9khz～1ghz功率放大器增益仿真结果图
具体实施方式
[0027]
下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0028]
如图1所示，本实施例提出了一种覆盖vlf-uhf频段的超宽带功率放大器，包括依次连接输入匹配电路、功率管以及输出匹配电路，输入匹配电路与输出匹配电路内部至少两段针对不同频段的设计的匹配电路，用于将信号带宽的阻抗变换为功率管所需值或外部输出所需值；输入匹配电路与输出匹配电路通过异频功分电路与异频合成电路完成信号分流与合流。
[0029]
具体的，本实施例以两端匹配电路位列进行说明，即所述输入匹配电路包括射频输入端口、第一异频功分电路、第一匹配电路、第二匹配电路以及第一异频合成电路，输出匹配电路包括第二异频功分电路、第三匹配电路、第四匹配电路、第二异频合成电路以及射频输出端口；
[0030]
射频输入端口连接第一异频功分电路输入端，第一异频功分电路的两个输出端分别连接第一匹配电路、第二匹配电路，经第一匹配电路、第二匹配电路分别连接第一异频合成电路的两个输入端，第一异频合成电路的输出端接至功率管，功率管的输出端接至第二异频功分电路，第二异频功分电路的两个输出端分别接至第三匹配电路、第四匹配电路，经第三匹配电路、第四匹配电路接至第二异频合成电路，第二异频合成电路连接射频输出端口，完成输出。
[0031]
该超宽带功率放大器工作过程为：超宽带射频信号通过射频输入端口输入至第一异频功分电路按照频率划分为两段，分别输入到第一匹配电路、第二匹配电路，经第一匹配电路、第二匹配电路将对应信号带宽的阻抗变换为功率管输入所需要的值后再输入到第一异频合成电路，通过第一异频合成电路完成信号合成后输入到功率管中进行放大，放大后输出到第二异频功分电路，第二异频功分电路按照频率将信号划分为两段，分别输入到第三匹配电路、第四匹配电路，经第三匹配电路、第四匹配电路将对应信号带宽的阻抗变换为输出所需的值后再输入到第二异频合成电路，通过第一异频合成电路完成信号合成后经射频输出接口输出。
[0032]
整个频带内的功分与合成是由硬件电路实现的，不需要进行控制，不同频率的信号自动进入对应的电路，经通道放大后输出，且当输入信号跨越两个通道时，也可以同时工作，对于输入和输出口面而言，不需要任何操作和干涉，感觉不到内部的多个通道构成。
[0033]
如图2所示为超宽带功率放大器的频率划分示意图，以此来对本实施例功率放大器的频率划分进行详细介绍：
[0034]
输入信号的频率带宽范围为f1～f4，经过第一异频功分电路按频率分为f1～f3与f2～f4两段，其中f2和f3是-10db功率下降点，f1～f3、f2～f4两端中的f2～f3频段有一定的交叠，分别进入第一匹配电路和第二匹配电路，在交叠的区域功率分配是随频率变化的，f2处进入第一匹配电路的信号多，随着频率升高，信号进入第一匹配电路的信号逐渐增加，在f3处进入第一匹配电路的信号多。划分的比例是由硬件电路的阻抗所确定的，对于有一定带宽的信号也可以同时工作，第一、第二匹配电路将对应带宽的阻抗变换为功率管q1输入需要的值，再通过第一异频合成电路进入功率管q1放大。
[0035]
放大之后的f1～f4信号经第二异频功分电路将信号分为f1～f3'与f2'～f4'两段，其中f2'和f3'是-10db功率下降点，根据实际设计情况，可以与f2和f3，f1～f3'、f2'～f4两段中的f2'～f3'频段有一定的交叠，分别进入第三匹配电路和第四匹配电路，在交叠的区域功率分配是随频率变化的，f2'处进入第三匹配电路的信号多，随着频率升高，信号进入第四匹配电路的信号逐渐增加，在f3'处进入第四匹配电路的信号多。第三、第四匹配电路将对应带宽的阻抗由功率管的输出最优阻抗变换为系统所需要的值，再通过第二异频合成电路合成，通过射频输出接口rfout输出f1～f4频带的信号。
[0036]
如图3所示为异频功分/合成电路原理图，其内部设有两个存在频率交叠的低频段滤波器电路和高频段滤波器电路，能够将将输入的信号按照频率划分为两段。在其他实施中若想引入更多匹配电路，则需要增加滤波器电路的数量。其工作过程如下：如果信号从1端口输入，低频段的信号只能通过低频段滤波器，从端口4输出；高频段的信号只能通过高频段滤波器，从端口5输出；从而达到对信号自动控制分流的作用。反之，对应的信号从端口4或5进入，便可以在端口1合成输出。
[0037]
在本实施例中以一个覆盖9khz～1ghz的宽带功率放大器为例进行进一步说明，如图4所示，功率放大器的核心放大部件功率管q1覆盖9khz到1ghz的带宽，其左侧为输入匹配电路，右侧为输出匹配电路，输入匹配电路和输出匹配电路的形式类似，但输入匹配重点在于增益匹配，输出匹配重点在于功率和效率匹配，侧重点不同。具体在设计时，体现为选取的目标阻抗不同。
[0038]
输入射频信号频率为9khz～1ghz，经过第一异频功分电路，将其分为9khz～20mhz和1mhz～1ghz两部分，分别进入第一匹配电路和第二匹配电路，阻抗变换后通过第一异频合成电路合成9khz～1ghz，进入功率管q1放大。放大之后的信号经第二异频功分电路又分为9khz～20mhz和1mhz～1ghz两部分，分别进入第三匹配电路和第四匹配电路，阻抗变换后通过第二异频合成电路合成9khz～1ghz输出。
[0039]
本实施例中，为方便设计，第一、第二匹配电路和第三、第四输出匹配电路的频段划分相同，区别只在于功率容量的设计。在其他的实施例中，也可以采用输入和输出不同的频率划分，对整体性能没有影响。
[0040]
对于9khz～1mhz频段信号，第一、第三匹配电路的损耗很小，而第二、第四匹配电路的损耗很大，因此信号均只通过第一、第三匹配电路传输。
[0041]
对于1mhz～20mhz频段信号，信号是混合通过多个匹配电路的。在1mhz处，第一、第三匹配电路的损耗很低，第二、第四匹配电路的损耗很高，信号均通过第一、第三匹配电路传输。在1mhz逐渐过渡到20mhz的过程中，第一、第三匹配电路的损耗逐渐增加，对应第二、第四匹配电路的损耗逐渐减小，于是部分功率会逐渐由第一、第三匹配电路分流至第二、第
四匹配电路。在20mhz处，第一、第三匹配电路的损耗很高，第二、第四匹配电路的损耗很低，信号均通过第二、第四匹配电路传输。
[0042]
对于20mhz～1ghz频段信号，第二、第四匹配电路的损耗很小，而第一、第三匹配电路的损耗很大，因此信号均通过第二、第四匹配电路传输。
[0043]
进一步的，本实施例提出还提出的两类匹配电路的组成，如图5所示，
[0044]
第一匹配电路与第三匹配电路属于同一类，包括电感、第一电容以及传输线变压器，电感的一端分别连接第一电容的一端和传输线变压器的一级，第一电容的另一端接地；信号由电感的另一端输入，由传输线变压器的另一极输出。该类匹配电路主要作用是将阻抗匹配至功率管所需的目标阻抗，主要工作在9khz～20mhz频段，因此其形式为传输线变压器为主，辅以电感电容的集总参数匹配器件。
[0045]
第二匹配电路与第四匹配电路属于同一类，包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第二电容以及第三电容；第一微带线、第二微带线与第三微带线依次串联，第一电容的一端接至第一微带线与第二微带线之间，另一端接地；第二电容的一端接至第二微带线与第三微带线之间，另一端接地；信号由第一微带线输入，由第三微带线输出。该类匹配电路主要工作在1mhz～1ghz频段，因此其形式为微带线加载电容为主。
[0046]
图5中异频功分电路和异频合成电路的公共端1、6端口为系统阻抗50ω，而功分/合成端口2、3、4、5端口为随频率变化的阻抗，设计方法类似于双工器，但其不同之处在于没有频率间隔。匹配电路中传输线变压器需要分别考虑其高频和低频性能，微带线部分应用实频法来设计。
[0047]
需要说明的是，本实施例在异频功分电路与异频合成电路之间仅设置两个匹配电路，而在实际应用时，可以根据需要对工作带宽做进一步扩展，如图6所示，在异频功分电路与异频合成电路增加多个匹配电路完成更高带宽的匹配，同时异频功分电路的功分路数与所连接匹配电路相同。
[0048]
最后，给出本实施例提出超宽带功率放大器的设计及验证流程，如图7所示，具体如下：
[0049]
1.获得功率管的s参数。可以通过厂家的器件资料、仿真模型、对实物进行load-pull测试来获得。
[0050]
2.确定目标阻抗与增益、功率。功率管的输出阻抗在整个频段内变化较大，设计要求的增益、功率值需要尽量高而且平坦，因此需要针对带内的多个频点进行尝试和选择，最终确定合适的一系列目标阻抗。
[0051]
3.确认多通道带宽的划分。根据实际的带宽和阻抗变换跨度，选择适宜的阻抗变换比与通道带宽划分。通常来说，从超宽带来设计考虑，低频段的khz到mhz必须划分一段，从mhz到ghz必须划分一段，从ghz到6ghz左右划分一段。
[0052]
4.设计多通道匹配电路。针对各个通道的对应频率和阻抗分别设计匹配电路，应用传统的匹配电路设计的方法，低频段采用传输线变压器形式，ghz采用微带线和加载电容的形式，完成电路的设计。在整个设计和仿真中，需特别注意高、低频的性能验证。
[0053]
5.判断各通道是否满足匹配的要求。如果满足则进入下一步；如不满足，则返回调整多通道的划分和匹配电路。每种电路形式有其极限，因此通道划分的合理性、物理可行性、寄生参数等均会影响到设计结果，可以从上述多个角度进行调整和验证。
[0054]
6.设计异频功分/合成电路。电路的设计方法类似于双工器，不同之处在于没有频率间隔。先采用无隔离的t形节进行连接，再根据设计目标调整连接电路的参数，最终得到的电路类似于一个低通滤波器和高通滤波器的叠加。
[0055]
7.整体优化。根据全局的阻抗目标，对多通道匹配电路和异频功分/合成电路进行整体优化。
[0056]
8.判断是否全频带满足阻抗要求。如果满足，进入下一步；如果不满足，重新设计异频功分/合成电路并进行优化。
[0057]
9.带入功放模型仿真验证。对最终获得的超宽带匹配电路加入馈电、偏置、稳定性网络等附加电路，对最终的完整电路进行仿真，从输出功率、增益、带内波动、效率、稳定性等多个方面进行分析。
[0058]
10.判断功率效率等指标是否满足要求。满足则完成设计，若不满足，回到第6步。
[0059]
11.完成设计。各项指标均满足设计要求，则设计结束。
[0060]
以前述方法设计的9k～1ghz功率放大器增益仿真结果如图8所示。在9khz～1ghz范围内平坦度在3db以内，满足实际应用要求。
[0061]
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0062]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。