一种点频大功率高效率内匹配功率放大器及方法

本发明属于微波集成电路，尤其涉及一种点频大功率高效率内匹配功率放大器及方法。

背景技术：

1、微波能量传输是以电磁波为载波将电能从一个装置传递到另外一个装置的无线能量传输方式。它摆脱了传统电能传输中电缆的路径限制，同时也突破了电磁耦合式无线能量传输方式的距离限制，可以满足多个领域的应用需求。微波能量传输系统的工作频率一般选择10ghz以下的ism频段，并且整体传输效率是微波能量传输至关重要的技术指标，功率放大器作为发射机的重要组成部分，其性能决定着整个发射机的性能。比如，作为各类射频单元中最大的耗能器件，功放的输出功率和转换效率是评判整个发射机性能好坏的关键指标。传统的功放为了提高转换效率，一般使其工作在饱和状态，而处于该状态下的功放会产生大量的谐波成分，因此大功率功放很难实现高效率，如果不对这些谐波成分进行抑制或回收，不仅会引起功放效率的降低，造成能量的浪费，还会对其他信道的信号产生干扰。

2、2011年日本三菱电机公司的shinichi miwa等人采用集成了片上谐波调谐单元的gan hemt来提高内匹配功放的功率附加效率，并在此基础上设计了一款用于c波段空间应用的大功率gan内匹配功放。该gan hemt管芯在每个管胞单元中都加入了二次谐波调谐电路，实现了对二次谐波输入阻抗的高精度控制。此外，采用外部输出匹配电路对二次谐波和三次谐波输出阻抗进行优化，最后经过四路功率合成在3.7ghz连续波工作条件下实现了超过100w的输出功率，以及67％的功率附加效率，72.4％的漏极效率。参见[s.miwa et al.,"a 67％pae,100w gan power amplifier with on-chip harmonic tuning circuits forc-band space applications,"2011ieee mtt-s international microwave symposium,baltimore,md,usa,2011,pp.1-4,doi:10.1109/mwsym.2011.5972673.]。

3、2016年日本三菱电机公司的takaaki yoshioka等人研制了一种宽带s波段高效率内匹配240w gan高功率放大器。为了获得更宽的工作带宽和更高的功率附加效率，采用了由并联电感和传输线连接的二次谐波反射支节组成的输出匹配网络。为了验证该方法，设计并制作了一个s波段内匹配功率放大器，输出功率为240w，在2.6ghz至3.4ghz范围内的功率附加效率为54.4％。参见[takaaki yoshioka,naoki kosaka,masatake hangai andkoji yamanaka,"an s-band 240w output/54％pae gan power amplifier withbroadband output matching network for both fundamental and 2nd harmonicfrequencies,"2016ieee mtt-s international microwave symposium(ims),sanfrancisco,ca,usa,2016,pp.1-4,doi:10.1109/mwsym.2016.7540300.]。

4、2022年中国南京电子器件研究所的liming gu等人采用片上二次谐波调谐单元和gan hemt管芯来提高内匹配功放的功率附加效率，具体实现形式是将片上输入二次谐波调谐单元集成到gan管芯的每个单元中。利用该片上调谐gan hemt管芯，所设计的内匹配放大器在x波段连续波工作条件下实现了最高60％的功率附加效率，输出功率超过70w。这是目前在x波段同种功率水平下内匹配功放所达到的最高功率附加效率。参见[l.gu,w.feng,b.yang and w.che,"a high efficiency x-band internally-matched gan poweramplifier using on-chip harmonic tuning technology,"2022ieee mtt-sinternational microwave workshop series on advanced materials and processesfor rf and thz applications(imws-amp),guangzhou,china,2022,pp.1-3,doi:10.1109/imws-amp54652.2022.10106866.]。

5、2023年中国空间技术研究院西安分院的王颖等人通过功率放大器内部的功率流向统计，分析了反馈电容通道对高频功率放大器效率损失的影响，进而提出在栅极－漏极之间引入反馈谐振网络，提高晶体管内部漏极到栅极反馈支路的阻抗，减少产生的功率流向内部漏极到栅极支路，降低晶体管内部通道的功率损耗，从而保证在产生的总功率保持不变的前提下，增加了流向负载上功率，实现微波功率放大器输出功率的增加和功率附加效率的提高。验证电路仿真结果表明，功率放大器在5.78ghz-5.82ghz频率范围内功率附加效率均高于70％，漏极效率优于80.5％，输出功率高于10.5w。参见[王颖,董士伟,董亚洲,等.微波无线能量传输功率放大器效率提升的设计方法研究[j].空间电子技术,2023,20(03):24-28.]。

6、可见，目前的小型化点频大功率内匹配功放效率较低，采用片上谐波调谐支节仅控制了输入二次谐波，缺乏对三次谐波的控制，同时丧失了谐波控制支节的可调性。需要同时考虑输入及输出的二、三次谐波控制从而提高内匹配功放的功率附加效率。

7、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

8、目前的小型化点频大功率内匹配功放效率较低，采用片上谐波调谐支节仅控制了输入二次谐波，缺乏对三次谐波的控制，同时丧失了谐波控制支节的可调性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种点频大功率高效率内匹配功率放大器。

2、本发明是这样实现的，一种点频大功率高效率内匹配功率放大器包括：

3、微带线milnn(n＝1，2，3，4，5，6)，功率管q1，串联隔直电容c1和c7，栅极供电串联稳定电阻r1，栅极供电微带线miln1，栅极串联隔交电感l1，漏极供电微带线miln6，并联去耦电容c2和c7；

4、内匹配管壳内电路主要包含4部分：输入基波匹配网络、输入谐波匹配网络、输出匹配网络、功率管芯；

5、外围夹具主要包含4部分：栅极供电电路、漏极供电电路、输入隔直电容、输出隔直电容。

6、进一步，所述输入基波匹配网络包含两部分：

7、第一部分采用由串联电感l2、并联电容c3、串联电感l3组成的t型匹配网络实现；

8、第二部分采用串联微带线miln2和miln3实现；输出基波匹配网络同样包含两部分；

9、第一部分采用由串联电感l6、并联电容c6、串联电感l7组成的t型匹配网络实现；

10、第二部分采用串联微带线miln4和miln5实现；

11、输入二次谐波调谐支节由并联电感l4和与之串联的电容c4实现，输入三次谐波调谐支节由并联电感l5和与之串联的电容c5实现。

12、进一步，所述输入串联隔直电容c1一端连接port1端口，另一端引出两路；

13、一路接串联电感l1、电阻r1和微带线miln1至直流电源vgs，并且在这一支路中并联去耦电容c2到地；

14、另一路连接到微带线miln2、miln3并在之后串接由串联电感l2、并联电容c3、串联电感l3组成的t型匹配网络，然后串联接入功率管芯q1。

15、进一步，所述功率管芯的漏极输出串联由串联电感l6、并联电容c6、串联电感l7组成的t型匹配网络，与晶体管输入部分相同，再经微带线miln4、miln5后分成两路，一路串接隔直电容c7到输出端口port2，另一路接串联微带线miln6至直流电源vds，并且在这一支路中并联去耦电容c8到地。

16、本发明还提供了一种点频大功率高效率内匹配功率放大器的调试方法，包括以下步骤：

17、s1：配置输入基波匹配网络，将微带线miln1通过串联隔直电容c1连接到port1端口，串联电感l1、电阻r1和微带线miln1连接到直流电源vgs，并并联去耦电容c2到地；将微带线miln2、miln3通过串联电感l2、并联电容c3、串联电感l3组成的t型匹配网络连接到功率管芯q1；

18、s2：配置输出基波匹配网络，将功率管芯q1的漏极输出通过串联电感l6、并联电容c6、串联电感l7组成的t型匹配网络连接到微带线miln4、miln5；将微带线miln4、miln5一端连接到输出端口port2并串联隔直电容c7，另一端连接到微带线miln6和直流电源vds，并并联去耦电容c8到地；

19、s3：配置输入谐波调谐支节，将输入二次谐波调谐支节由并联电感l4和串联电容c4连接，实现二次谐波调谐；将输入三次谐波调谐支节由并联电感l5和串联电容c5连接，实现三次谐波调谐；

20、s4：测试和优化，将放大器连接到信号源和负载，输入信号，调节匹配网络和调谐支节的参数，优化放大器性能，确保其在目标频率下达到高效率和大功率输出。

21、进一步，步骤s1具体包括：

22、在配置输入基波匹配网络时，通过调整串联电感l2、并联电容c3和串联电感l3的值，实现输入端口到功率管芯q1的最佳基波匹配。

23、进一步，步骤s2具体包括：

24、在配置输出基波匹配网络时，通过调整串联电感l6、并联电容c6和串联电感l7的值，实现功率管芯q1到输出端口的最佳基波匹配，确保大功率输出的传输效率。

25、进一步，步骤s4具体包括：

26、在测试和优化阶段，通过输入不同频率的信号，测量放大器的输出功率和效率，调整输入和输出匹配网络以及谐波调谐支节的参数，达到最佳性能指标。

27、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

28、第一、本发明提出一种点频大功率高效率内匹配功放，包括输入二次谐波调谐支节、输入三次谐波调谐支节和输出基波与二三次谐波联合匹配网络。在输入匹配方面，输入二次与三次谐波调谐支节包括晶体管栅极之前的串联可调lc网络，实现对输入二次谐波和三次谐波的良好控制，同时由于谐波调谐支节在基波频率时呈开路状态，所以对基波匹配的影响非常小，实现了输入基波匹配和输入谐波匹配的分离。在输出匹配方面，研究了功率管芯的输出基波阻抗和输出二、三次谐波阻抗之间的关系，以此为基础设计了兼顾基波匹配和二、三次谐波匹配的紧凑匹配网络，在获得高输出功率的基础上保持了较高的效率。通过对输入输出谐波精确控制，解决了大功率内匹配功放难以实现高效率的问题。

29、第二，本发明解决了现有技术中点频大功率高效率内匹配功率放大器存在的匹配难度大、效率低、功率输出不稳定等问题。在传统的功率放大器设计中，输入和输出匹配网络的设计复杂，难以在高频率下实现良好的匹配和稳定的功率输出。本发明通过优化微带线、电容、电感等元件的布局，构建了高效的输入基波匹配网络、谐波匹配网络和输出匹配网络，大幅提高了功率放大器的工作效率和输出稳定性。

30、本发明中的输入基波匹配网络采用了t型匹配网络和微带线的结合设计，确保了在基波频率下的最佳匹配，减少了信号反射和损耗，显著提升了输入信号的传输效率。同时，谐波调谐支节通过精确的电感和电容配置，有效抑制了高次谐波的干扰，保证了功率管在工作频段内的线性度，改善了信号的频谱纯度。

31、通过在输出匹配网络中采用类似的t型匹配网络和微带线结构设计，本发明实现了功率放大器的高效输出匹配，确保了大功率信号的稳定传输。去耦电容的应用进一步滤除了电源中的高频噪声，增强了放大器的工作稳定性和信号纯净度。此外，合理的栅极和漏极供电电路设计，提供了稳定的工作电压和电流，防止了功率管过载损坏，延长了放大器的使用寿命。

32、本发明通过创新的匹配网络和调谐支节设计，解决了现有技术中的多项关键问题，显著提升了功率放大器的效率、稳定性和输出功率。在高频通信和射频应用领域，本发明展示了广泛的应用前景和显著的技术进步，能够满足更高功率、更高效率的需求，为相关技术的发展提供了强有力的支持。

33、第三，本发明的技术方案克服了技术偏见：

34、内匹配技术通常理解中由于使用了高介电常数的介质，虽然大大减小了电路尺寸可以将匹配电路封装在管壳内，但是也增加了电路中的损耗，因此传统观念上使用内匹配技术的功率放大器的效率是不如板级功放的。但是本发明所提出的内匹配功放结构，在保持内匹配功放的小型化优势的同时，提供了接近甚至超过板级功放的效率。

35、第四，现有的点频大功率功率放大器在匹配网络设计上存在不足，尤其是在高频段，其输入输出匹配网络往往难以实现理想的匹配效果，导致功率放大器的增益降低、效率不高，并且容易产生谐波失真。本发明通过引入微带线milnn(n＝1，2，3，4，5，6)作为匹配网络的一部分，有效优化了高频段的匹配性能，解决了现有技术中匹配效果不佳的问题。

36、传统功率放大器在高频大功率输出时，容易因热效应导致性能下降，尤其是在长时间连续工作时。本发明通过精心设计的内匹配管壳内电路，包括输入基波匹配网络、输入谐波匹配网络、输出匹配网络和功率管芯，有效提高了功率放大器的热稳定性和散热性能，从而实现了大功率输出下的高效率工作。

37、在功率放大器的供电电路中，传统的栅极供电和漏极供电方式往往存在电压波动和噪声干扰的问题，影响功率放大器的性能。本发明通过采用栅极供电串联稳定电阻r1和栅极串联隔交电感l1，以及漏极供电微带线miln6等设计，有效抑制了电压波动和噪声干扰，提高了功率放大器的供电稳定性。

38、综上所述，本发明实施例提供的点频大功率高效率内匹配功率放大器，通过优化匹配网络设计、提高热稳定性和散热性能、增强供电稳定性等多方面的技术改进，显著提升了功率放大器的性能。与传统技术相比，本发明在保持大功率输出的同时，实现了更高的效率和更低的谐波失真，为无线通信、雷达等领域的应用提供了更为优秀的解决方案。