基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器及其设计方法

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1.本发明涉及微波射频通信领域，具体是一个射频功率放大器，尤其涉及一种基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器及其设计方法。

背景技术：

2.随着无线通信技术的迅速发展，射频通信器件被要求具有更优的性能。作为射频通信器件的主要元件之一的功率放大器，在室内小范围无线通信、城市大范围无线通信、雷达通信和卫星通信都有大量的应用。功率放大器是射频通信发射机中最关键的部件，功率放大器的指标直接影响了射频发射机的性能。例如，功率放大器占用了射频发射机能量消耗的80％，一个功率放大器的效率，直接影响了发射机的能量利用率。再比如，功率放大器的带宽决定了射频发射机的工作带宽，而带宽往往决定了信息的传递速率，带宽越宽的发射机信息传播越快。
3.一方面为了满足现代无线通信网络大面积覆盖的要求，网络运营商布置了大量的通信，但大量的通信也意味着巨大的能源消耗。因此，为了满足绿可持续的发展理念，作为通信发射机中最核心部件的射频功率放大器，其具有高效率是至关重要的。另一方面，为了实现对更广频率范围内信号的处理，射频发射机的工作带宽也应尽可能拓宽，因此功率放大器具有较宽带宽也是十分有必要的。
4.参见图1，所示为现有技术功率放大器的结构，现阶段在提高功率放大器效率的研究中，大多在功率放大器芯片输出端添加了谐波控制网络，如f/f-1
类，此类放大器虽然可以明显的提高功率放大器的效率，但引入的谐波控制网络具有较强的散效应，使功率放大器最佳输出阻抗随频率的变化变大，因此只能在一个较窄的频率范围内实现高效率。而在提高功率放大器带宽的研究中，目前大多采用晶体管漏极高次谐波与基波公用一个匹配网络，如连线f/f-1
类，j类，虽然此类功率放大器输出端散现象不严重，但基波与高次谐波共用同一个匹配网络，设计自由度较小，很难兼顾谐波与基波都能完美的匹配，因此效率并不会很高。
5.针对目前的技术问题，有必要设计一种宽带高效率功率放大器，使其输出匹配网络在基波与谐波都能很好的匹配的同时，谐波匹配模块不引入明显的散效应，同时提高效率和带宽。

技术实现要素：

6.为了克服现有技术中的困难，本发明提出了一种基于开口谐振环的高效率宽带功率放大器及其设计方法，采用了开口谐振环作为输出端的二次谐波匹配模块，串联阶跃阻抗微带线结构作为输出基波宽带匹配模块和输入宽带匹配网络。
7.为了解决现有的技术困难，本发明的技术方案如下：
8.基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，至少包括宽带输入匹配网络、晶体管电路及输出匹配网络，其中，所述输出匹配网络至少设置开口谐振环二次谐波匹配网
络和宽带基波匹配网络，所述开口谐振环二次谐波匹配网络由一个二端口矩形双环开口谐振环构成。
9.作为进一步的改进方案，所述开口谐振环二次谐波匹配网络与宽带基波匹配网络相互独立，用于分别完成二次谐波匹配和基波匹配。
10.作为进一步的改进方案，二端口矩形双环开口谐振环中，其外环为单开口，内环为双开口；其中，开口谐振环端口1与功率放大器晶体管漏极和偏置网络连接，开口谐振环端口2与宽带基波匹配网络连接，用于将二次谐波输出阻抗匹配至史密斯圆图高效率区域。
11.作为进一步的改进方案，开口谐振环二次谐波匹配网络等效为六组平行耦合微带线pctl1、pctl2、pctl3、pctl4、pctl5、pctl6,其中pctl1与pctl4分别与端口1和端口2串联，并且pctl1与pctl4之间串联了一根等宽的微带线tl1，pctl2在端口1处与pctl1并联且其另一端串联pctl3，pctl5在端口2处与pctl4并联且其另一端串联pctl6，pctl3与pctl6另一端开路。
12.由于其采用对称结构，可以采用奇偶模分析法来得到开口谐振环的输入阻抗，具体包含以下步骤：
13.已知四端口平行耦合微带线中，当同侧双端口开路时，另一侧端口的输入阻抗z
ine
为：
[0014][0015]
当同侧双端口短路时，另一侧端口输入阻抗z
ino
为：
[0016][0017]
其中z
0e
和z
0o
分别为平行耦合微带线的偶模特征阻抗和奇模特征阻抗，θ’mt
为平行耦合微带线电长度的一半。
[0018]
当只考虑平行耦合微带线在同一根微带线的两个端口时，根据奇偶模分析法，其中一端口的阻抗矩阵[z]为：
[0019][0020]
则当二端口平行耦合微带线一个端口(端口2)接负载z
l
时，平行耦合微带线s参数为：
[0021][0022]
根据s参数的得出二端口平行耦合线另一端口(端口1)输入阻抗z
in1
为：
[0023][0024]
用奇偶模分析法将开口谐振环沿输入输出端口中线对称分开后，可分成结构相同的两部分，每部分可以看作两组平行耦合微带线pctl1和pctl0并联组成，其中pctl1接特征
阻抗为z
10
的微带线tl0，tl0电长度为θ’g
(tl1电长度的一半)，pctl0为pctl2结合pctl3后的等效电路单元。
[0025]
偶模情况下，tl0终端开路，其输入阻抗z
e0
为：
[0026]ze0
＝-jz
01
cotθ
′gꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]
带入公式(5)得pctl1输入阻抗z
e1
为：
[0028][0029]
其中θ’r1
为pctl1电长度的一半。
[0030]
pctl0输入阻抗z
oc
为：
[0031][0032]
其中θ’r2
pctl0电长度，则开口谐振环偶模输入阻抗z
even
为：
[0033][0034]
奇模情况下，tl0短端开路，其输入阻抗z
o0
为：
[0035]zo0
＝jz
01
tanθ
′gꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0036]
带入公式(5)得pctl1输入阻抗z
o1
为：
[0037][0038]
开口谐振环奇模输入阻抗z
odd
为：
[0039][0040]
类似地，将公式(9)与公式(12)替换公式(5)中z
ine
与z
ino
可以得到有载情况下开口谐振环的输入阻抗z
inr
[0041][0042]
通过matlab软件辅助计算可以证明，以开口谐振环为结构的二次谐波匹配网络散效应并不严重，因此可以用于宽带功率放大器的设计。
[0043]
作为进一步的改进方案，所述宽带基波匹配网络由串联微带线构成。
[0044]
作为进一步的改进方案，所述宽带输入匹配网络由串联微带线构成。
[0045]
作为进一步的改进方案，宽带基波匹配网络采用串联阶跃阻抗微带线，用于在1.2ghz
–
3.1ghz频率范围内将50ω负载阻抗匹配到开口谐振环输出端处的最佳输出阻抗以提高功率放大器效率。
[0046]
作为进一步的改进方案，宽带输入匹配网络采用串联阶跃阻抗微带线，用于为在1.2ghz
–
3.1ghz频率范围内将信号源50ω的阻抗匹配到功率放大器芯片最佳输入阻抗。
[0047]
本发明还公开了基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器的设计方法，至少包括以下步骤：
[0048]
步骤s1：确定功率放大器的工作频率及晶体管类型；
[0049]
步骤s2：对所使用的功率放大器晶体管进行负载牵引，包括基波阻抗牵引和二次谐波阻抗牵引，确定晶体管漏极基波与二次谐波在smith圆图中的最佳功率和最佳效率阻抗区域；
[0050]
步骤s3：设计开口谐振环二次谐波匹配网络，具体过程如下：
[0051]
根据步骤s2得到得二次谐波最佳阻抗区域，确定开口谐振环的输入阻抗z
inr
，并根据下式确定开口谐振环的奇模特征阻抗z
0o
和偶模特征阻抗z
0e
，pctl1电长度θ
r1
、pctl2电长度θ
r2
以及tl1电长度θg；此过程中，开口谐振环负载阻抗z
l
默认为50ω，由于开口谐振环的输入阻抗在二次谐波匹配时实部几乎为0，因此z
l
的值并不会对开口谐振环输入阻抗实部有很大影响，设计公式如下：
[0052][0053]
这里z
even
与z
odd
分别为开口谐振环二次谐波匹配网络的偶模输入阻抗和奇模输入阻抗，z
e1
与z
o1
分别为pctl1在开口谐振环偶模和奇模情况下的输入阻抗，z
oc
为pctl0输入阻抗，θ’r2
＝θ
r1
+θ
r2
，θ’r1
＝θ
r1
/2，θ’g
＝θg/2。
[0054]
步骤s4：设计输出基波匹配模块，具体过程如下：
[0055]
先根据下列公式将基波在晶体管漏极的最佳阻抗转换到开口谐振环二次匹配网络的输出端的阻抗；此时公式中z
l
应为基波在晶体管漏极的最佳阻抗，z
inr
为基波在开口谐振环二次匹配网络的输出端的最佳阻抗，而其他开口谐振环的参数此时已是确定值；之后设计宽大基波匹配模块，将50ω负载匹配到二次匹配网络的输出端的最佳阻抗：
[0056][0057]
步骤s5：对晶体管进行源牵引，并设计宽带输入匹配模块；
[0058]
步骤s6：对功率放大器整体电路进行调谐优化。
[0059]
作为优选的技术方案，所述开口谐振环二次谐波匹配网络，电路模型几个主要部分可以分别等效为六组平行耦合微带线pctl1、pctl2、pctl3、pctl4、pctl5、pctl6,其中pctl1与pctl4分别与端口1和端口2串联，并且pctl1与pctl4之间串联了一根等宽的微带线tl1，pctl2在端口1处与pctl1并联且其另一端串联pctl3，pctl5在端口2处与pctl4并联且
其另一端串联pctl6，pctl3与pctl6另一端开路。
[0060]
与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：
[0061]
1、本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络，其在阻带频率范围内的输入电阻值较低，十分契合高效率功率放大器二次谐波频率范围内低电阻的特性，从而提高漏极效率。并且，本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络相比于传统并联微带线二次谐波匹配模块，能够提供更宽频率范围的低输入电阻，能够在较宽的范围内实现高效率。
[0062]
2、本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络相比于传统并联微带线二次谐波匹配模块，不会引入明显的散效应，使二次匹配模块输出点的最佳输出阻抗变化稳定，能够使基波匹配模块在更宽的频率范围内完成阻抗匹配。相比于输出匹配由一个网络同时完成对基波和谐波控制的传统功率放大器，本发明的功率放大器输出二次谐波与基波匹配分别进行，相互配合，具有更高的效率。
[0063]
3、本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络，只要稍加改动，可以应用于5g通信中的射频功率放大器模块，高效率可以节约通信的能源消耗，减少通信的总体运行成本。
附图说明
[0064]
图1是传统功率放大器的模块框图；
[0065]
图2是本发明的基于开口谐振环的高效率宽带功率放大器的框图；
[0066]
图3是本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络版图与等效原理图；
[0067]
图4是本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络谐振单元；
[0068]
图5是本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络等效原理图的偶模与奇模；
[0069]
图6是本发明的开口谐振环二次谐波匹配网络的s参数；
[0070]
图7是本发明的基于开口谐振环的高效率宽带功率放大器输出匹配网络输入阻抗随频率的变化与负载牵引高效率阻抗区域；
[0071]
图8是本发明基于开口谐振环的高效率宽带功率放大器大信号仿真结果示意图。
具体实施方式
[0072]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0073]
参见图2所示一种基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，包括开口谐振环作为二次谐波匹配网络，宽带基波匹配网络，宽带输入匹配网络。开口谐振环二次谐波匹配网络与基波输出匹配网络相互独立，可以分别完成二次谐波匹配和基波匹配，从而提高功率放大器效率。再配合一个宽带的输入匹配网络，便可实现在一个较宽的频率范围内实现高效率。
[0074]
参见图3，本发明提出的开口谐振环二次谐波模块网络由一个二端口矩形双环开口谐振环构成。其中，开口谐振环外环为单开口，内环为双开口。开口谐振环端口1与功率放大器芯片漏极、偏置网络连接，端口2连接宽带基波匹配网络，其作用在于将二次谐波输出阻抗匹配至史密斯圆图高效率区域。开口谐振环电路模型几个主要部分可以分别等效为六组平行耦合微带线pctl1、pctl2、pctl3、pctl4、pctl5、pctl6,其中pctl1与pctl4分别与端
口1和端口2串联，并且pctl1与pctl4之间串联了一根等宽的微带线tl1，pctl2在端口1处与pctl1并联且其另一端串联pctl3，pctl5在端口2处与pctl4并联且其另一端串联pctl6，pctl3与pctl6另一端开路。由于是对称结构，可以采用奇偶模分析法来得到开口谐振环的输入阻抗。
[0075]
本发明的开口谐振环的谐振单元为平行耦合微带线，先对图4中的谐振单元进行奇偶模分析。偶模情况下谐振单元输入输出端口对称面为开路，奇模情况下输入输出端口对称面为短路，对于同侧双端口开路时，另一侧端口的输入阻抗z
ine
为：
[0076][0077]
当同侧双端口短路时，另一侧端口输入阻抗z
odd
为：
[0078][0079]
其中z
0e
和z
0o
分别为平行耦合微带线的偶模特征阻抗和奇模特征阻抗，θ’mt
为平行耦合微带线电长度的一半。
[0080]
根据奇偶模分析法，其中一端口的阻抗矩阵[z]为：
[0081][0082]
谐振单元输出端口(端口2)接负载z
l
时，其s参数为：
[0083][0084]
根据s参数的得出谐振单元输入端口(端口1)输入阻抗z
in1
为：
[0085][0086]
参照图5所示，用奇偶模分析法将开口谐振环沿输入输出端口中位线对称分开后，可分成结构相同的两部分，每部分可以看作两组平行耦合微带线pctl1与pctl0并联组成，其中pctl1接特征阻抗为z
01
的微带线tl0，tl0电长度为θ’g
(tl1电长度的一半)，pctl0为图3中的pctl2结合pctl3后的等效电路单元。
[0087]
偶模情况下，tl0终端开路，其输入阻抗z
e0
为：
[0088]ze0
＝-jz
01
cotθ
′gꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0089]
带入公式(5)pctl1输入阻抗z
e1
为：
[0090][0091]
其中θ’r1
为pctl1电长度的一半。
[0092]
pctl0终端开路其输入阻抗z
oc
为：
[0093]
[0094]
其中θ’r2
为pctl0电长度，则开口谐振环偶模输入阻抗z
even
为：
[0095][0096]
奇模情况下，tl0短端开路，其输入阻抗z
o0
为：
[0097]zo0
＝jz
01 tanθ
′gꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0098]
带入公式(5)pctl1输入阻抗z
o1
为：
[0099][0100]
开口谐振环奇模输入阻抗z
odd
为：
[0101][0102]
类似地，将公式(9)与公式(12)替换公式(5)中z
ine
与z
ino
可以得到有载情况下开口谐振环的输入阻抗z
inr
:
[0103][0104]
通过matlab软件辅助计算可以证明，以开口谐振环为结构的二次谐波匹配网络散效应并不严重，因此可以用于宽带功率放大器的设计。
[0105]
本发明还公开了一种基于开口谐振环高效率宽带功率放大器的设计方法，具体包括以下步骤：
[0106]
步骤s1：确定功率放大器的工作频率，晶体管类型等指标；
[0107]
步骤s2：对所使用的功率放大器晶体管进行负载牵引，包括基波阻抗牵引和二次谐波阻抗牵引，确定晶体管漏极基波与二次谐波在smith圆图中的最佳功率和最佳效率阻抗区域；
[0108]
步骤s3：设计开口谐振环二次谐波匹配网络，具体过程如下：
[0109]
根据步骤s2得到得二次谐波最佳阻抗区域，确定开口谐振环的输入阻抗z
inr
，并根据下式确定开口谐振环的奇模特征阻抗z
0o
和偶模特征阻抗z
0e
，pctl1电长度θ
r1
、pctl2电长度θ
r2
以及tl1电长度θg；此过程中，开口谐振环负载阻抗z
l
默认为50ω，由于开口谐振环的输入阻抗在二次谐波匹配时实部几乎为0，因此z
l
的值并不会对开口谐振环输入阻抗实部有很大影响。
[0110][0111]
这里z
even
与z
odd
分别为开口谐振环二次谐波匹配网络的偶模输入阻抗和奇模输入阻抗，z
e1
与z
o1
分别为pctl1在开口谐振环偶模和奇模情况下的输入阻抗，z
oc
为pctl0输入阻抗，θ’r2
＝θ
r1
+θ
r2
，θ’r1
＝θ
r1
/2，θ’g
＝θg/2。
[0112]
步骤s4：设计输出基波匹配模块，具体过程如下：
[0113]
先根据下列公式将基波在晶体管漏极的最佳阻抗转换到开口谐振环二次匹配网络的输出端的阻抗；此时公式中z
l
应为基波在晶体管漏极的最佳阻抗，z
inr
为基波在开口谐振环二次匹配网络的输出端的最佳阻抗，而其他开口谐振环的参数此时已是确定值；之后设计宽大基波匹配模块，将50ω负载匹配到二次匹配网络的输出端的最佳阻抗；
[0114][0115]
步骤s5：对晶体管进行源牵引，并设计宽带输入匹配模块；
[0116]
步骤s6：对功率放大器整体电路进行调谐优化。参照图6所示，本发明的开口谐振环具有带阻效应，十分契合功率放大器最佳二次谐波输出阻抗低电阻的特性，同时在基波频率范围内有很好的导通特性。
[0117]
参照图7所示，可以看出功率放大器晶体管漏极处的基波与二次谐波阻抗与负载牵引得到的高效率阻抗区域能有大部分重合，表明本发明方案中的开口谐振环二次谐波匹配网络与串联阶跃阻抗基波匹配网络，能够在一个较宽的频率范围内进行很好的阻抗匹配。
[0118]
参照图8所示，为本发明基于开口谐振环的高效率宽带功率放大器大信号仿真结果示意图，一方面由于二次谐波匹配与基波匹配的分开进行，使得功率放大器具有较高的漏极效率，另一方面以本发明的开口谐振环为结构的二次谐波匹配网络并没有明显的散效应，所以能够实现一个较宽的工作频率范围。在1.2ghz
–
3.1ghz频率区间内功率放大器饱和漏极效率都在60％以上，平均饱和漏极效率约为70％，且在2.4ghz处能达到80％以上，真正实现了宽带与高效率。此外在工作频带范围内饱和增益在9db
–
12db范围内，大部分频点在10db以上，饱和输出功率在39dbm
–
42dbm之间，大部分在41dbm以上。
[0119]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，至少包括宽带输入匹配网络、晶体管电路及输出匹配网络，其中，所述输出匹配网络至少设置开口谐振环二次谐波匹配网络和宽带基波匹配网络，所述开口谐振环二次谐波匹配网络由一个二端口矩形双环开口谐振环构成。2.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，所述开口谐振环二次谐波匹配网络与宽带基波匹配网络相互独立，用于分别完成二次谐波匹配和基波匹配。3.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，二端口矩形双环开口谐振环中，其外环为单开口，内环为双开口；其中，开口谐振环端口1与功率放大器晶体管漏极和偏置网络连接，开口谐振环端口2与宽带基波匹配网络连接，用于将二次谐波输出阻抗匹配至史密斯圆图高效率区域。4.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，开口谐振环二次谐波匹配网络等效为六组平行耦合微带线pctl1、pctl2、pctl3、pctl4、pctl5、pctl6,其中pctl1与pctl4分别与端口1和端口2串联，并且pctl1与pctl4之间串联了一根等宽的微带线tl1，pctl2在端口1处与pctl1并联且其另一端串联pctl3，pctl5在端口2处与pctl4并联且其另一端串联pctl6，pctl3与pctl6另一端开路。5.根据权利要求4所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，用奇偶模分析法得到开口谐振环的输入阻抗，其中：四端口平行耦合微带线中，当同侧双端口开路时，另一侧端口的输入阻抗z
ine
为：当同侧双端口短路时，另一侧端口输入阻抗z
ino
为：其中，z
0e
和z
0o
分别为平行耦合微带线的偶模特征阻抗和奇模特征阻抗，θ’mt
为平行耦合微带线电长度的一半；当只考虑平行耦合微带线在同一根微带线的两个端口时，根据奇偶模分析法，其中一端口的阻抗矩阵[z]为：则当二端口平行耦合微带线端口2接负载z
l
时，平行耦合微带线s参数为：根据s参数的得出二端口平行耦合线另一端口，即端口1输入阻抗z
in1
为：
用奇偶模分析法将开口谐振环沿输入输出端口中线对称分开后，可分成结构相同的两部分，每部分可以看作两组平行耦合微带线pctl1和pctl0并联组成，其中，pctl1接特征阻抗为z
01
的微带线tl0，tl0电长度为θ
′
g
，为tl1电长度的一半，pctl0为pctl2结合pctl3后的等效电路单元；偶模情况下，tl0终端开路，其输入阻抗z
e0
为：z
e0
＝-jz
01
cotθ
′
g
ꢀꢀ
(6)带入公式(5)pctl1输入阻抗z
e1
为：其中θ
′
r1
为pctl1电长度的一半；pctl0终端开路其输入阻抗z
oc
为：其中，θ’r2
为pctl0电长度，则开口谐振环偶模输入阻抗z
even
为：奇模情况下，tl0终端短路，其输入阻抗z
o0
为：z
o0
＝jz
01
tanθ
′
g
ꢀꢀ
(10)带入公式(5)得pctl1的输入阻抗z
o1
为：开口谐振环奇模输入阻抗z
odd
为：将公式(9)与公式(12)替换公式(5)中z
ine
与z
ino
可以得到有载情况下开口谐振环的输入阻抗z
inr
：6.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，所述宽带基波匹配网络由串联微带线构成。7.根据权利要求1所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，所述宽带输入匹配网络由串联微带线构成。8.根据权利要求6所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，宽带基波匹配网络采用串联阶跃阻抗微带线，用于在1.2ghz
–
3.1ghz频率范围内将50ω负载阻抗匹配到开口谐振环输出端处的最佳输出阻抗以提高功率放大器效率。9.根据权利要求7所述的基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器，其特征在于，宽带输入匹配网络采用串联阶跃阻抗微带线，用于为在1.2ghz
–
3.1ghz频率范围内将信号
源50ω的阻抗匹配到功率放大器芯片最佳输入阻抗。10.基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器的设计方法，其特征在于，至少包括以下步骤：步骤s1：确定功率放大器的工作频率及晶体管类型；步骤s2：对所使用的功率放大器晶体管进行负载牵引，包括基波阻抗牵引和二次谐波阻抗牵引，确定晶体管漏极基波与二次谐波在smith圆图中的最佳功率和最佳效率阻抗区域；步骤s3：设计开口谐振环二次谐波匹配网络，具体过程如下：根据步骤s2得到得二次谐波最佳阻抗区域，确定开口谐振环的输入阻抗z
inr
，并根据下式确定开口谐振环的奇模特征阻抗z
0o
和偶模特征阻抗z
0e
，pctl1电长度θ
r1
、pctl2电长度θ
r2
以及tl1电长度θ
g
；此过程中，开口谐振环负载阻抗z
l
默认为50ω，由于开口谐振环的输入阻抗在二次谐波匹配时实部几乎为0，因此z
l
的值并不会对开口谐振环输入阻抗实部有很大影响，设计公式如下：其中，z
even
与z
odd
分别为开口谐振环二次谐波匹配网络的偶模输入阻抗和奇模输入阻抗，z
e1
与z
o1
分别为pctl1在开口谐振环偶模和奇模情况下的输入阻抗，z
oc
为pctl0输入阻抗，θ
′
r2
＝θ
r1
+θ
r2
，θ
′
r1
＝θ
r1
/2，θ
′
g
＝θ
g
/2；步骤s4：设计输出基波匹配模块，具体过程如下：先根据下列公式将基波在晶体管漏极的最佳阻抗转换到开口谐振环二次匹配网络的输出端的阻抗；此时公式中z
l
应为基波在晶体管漏极的最佳阻抗，z
inr
为基波在开口谐振环二次匹配网络的输出端的最佳阻抗，而其他开口谐振环的参数此时已是确定值；之后设计宽大基波匹配模块，将50ω负载匹配到二次匹配网络的输出端的最佳阻抗：步骤s5：对晶体管进行源牵引，并设计宽带输入匹配模块；步骤s6：对功率放大器整体电路进行调谐优化。

技术总结

本发明公开了基于开口谐振环的高效率宽带射频功率放大器及其设计方法，至少包括宽带输入匹配网络、晶体管电路及输出匹配网络，其中，所述输出匹配网络至少设置开口谐振环二次谐波匹配网络和宽带基波匹配网络，所述开口谐振环二次谐波匹配网络由一个二端口矩形双环开口谐振环构成。采用本发明技术方案，利用开口谐振环在其阻带的低电阻的特性来进行对输出端二次谐波的匹配，并且二次谐波匹配与基波匹配分开进行，可以同时满足二次谐波与基波都能很好的匹配到最佳输出阻抗，从而提高漏极效率与工作带宽。率与工作带宽。率与工作带宽。