[发明专利]一种基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器及其设计方法

权利要求书

1.一种基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、栅极偏置电路、晶体管、漏极偏置电路、谐波控制网络和基波匹配电路，其中，

所述输入匹配网络的输入端作为功率输入端，其输出端接所述晶体管栅极；

所述栅极偏置电路并联在输入匹配网络中，末端通过去耦电容C_gate并联到地；

所述晶体管漏极与谐波控制网络的输入端相连接，谐波控制网络与基波匹配电路连接，基波匹配电路的输出端作为功率输出端，漏极偏置电路并联于谐波控制网络中，末端通过去耦电容C_drain并联到地；

所述输入匹配网络包括微带线T0、T1、T2、T3、T4和隔直电容C₁；微带线T0的一端与输入端连接，微带线T0的另一端与隔直电容C₁的一端相接；隔直电容C₁的另一端与微带线T1的一端相接，微带线T1、T2和T3依次串联；微带线T3另一端与微带线T4和栅极偏置T5相连接，其中T5并联在输入匹配电路中；微带线T4与晶体管的栅极端相接；

所述栅极偏置电路包括微带线T5和去耦电容C_gate，其中微带线T5的一端与微带线T3和T4的连接处并联连接，微带线T5的另一端与去耦电容C_gate的一端连接，去耦电容C_gate的另一端接地；

所述谐波控制网络包括微带线T6、T7、T8、T9和T10；微带线T6与晶体管的漏极相连接，另一端与漏极偏置电路T7和微带线T8相连；漏极偏置微带线T7并联在微带线T6与T8之间，微带线T8的另一端与微带线T9、T10、T11相连；微带线T9与T10分别并联在T8与T11之间的两端，它们的另一端均开路；

所述漏极偏置电路包括微带线T7和去耦电容C_drain，其中微带线T7的一端与所述谐波控制网络中的微带线T6和T8连接，并联于谐波控制网络中，微带线T7的另一端与去耦电容C_drain连接；

所述基波匹配电路包括微带线T11和微带线T12，它们依次串联；且微带线T11与T12电长度相同；微带线T12与隔直电容C₂相连，之后隔直电容C₂与微带线T13相连，最后整体连接到输出端。

2.根据权利要求1所述的基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器，其特征在于，所述栅极偏置电路的偏压为-2.7V。

3.根据权利要求1所述的基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器，其特征在于，所述漏极偏置电路的偏压为28V。

4.一种基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器的设计方法，采用权利要求1-3之一所述的基于精确谐波控制的高效率双频功率放大器，其特征在于，包括以下步骤：

S1，首先进行输入匹配电路的设计，在ADS即先进设计系统中，对晶体管在低频段f₁与高频段f₂处进行源牵引，选取最大效率点作为需匹配的源阻抗值Z_S1和Z_S2；

S2，输入匹配电路的设计仅需考虑基波阻抗值的匹配，利用三段式匹配结构完成输入匹配网络的设计；其中，

第一段用于将栅极端面的两频率下的复阻抗匹配至一组共轭阻抗，其具体参数由下式计算得到：

第二段则用于将上述得到的共轭阻抗匹配至同一实阻抗，然后利用第三段实现双频模式下的实阻抗匹配到输入端的50欧姆；

S3，将漏极偏置微带线T7的电长度设置为f₂频率下的四分之一波长，用于实现2f₂频率下的短路，微带线T6用于寄生补偿以及实现2f₂频率下短路到开路变换；确定漏极偏置电路之后，再对其进行负载牵引，得到两频段下的最佳负载阻抗值Z_D1和Z_D2可以更加准确进行后续双频匹配电路的设计；

S4，根据步骤S3得到的阻抗值Z_D1和Z_D2，通过微带线T8变换至相同的实部相同的复阻抗值，并通过计算下式可以得到T8的电性参数；

Re(Z_in1)@f₁＝Re(Z_in1)@f₂

之后利用微带线T9与T10消除经T8变换后的复阻抗值的虚部，同时对2f₁和3f₂进行开路到短路变换以实现谐波控制；通过将T9，T10产生的虚部与上述经T8变换后得到的虚部互为相反数可以计算得到Z₉，Z₁₀的值；同时需要注意的是，T9，T10有四个未知参数，仅需确定Z₉与Z₁₀便可实现虚部的消除，θ₉与θ₁₀可以自由设置，将其分别设置为2f₁和3f₂频率下的四分之一波长，便可将其进行开路到短路变换；

S5，确定谐波控制网络之后，利用微带线T11、T12将得到的纯阻抗值变换至50欧姆；

S6，对整体电路进行仿真和微调。