[发明专利]一种射频推挽功率放大器

说明书

技术领域

本发明属于射频电路技术领域，特别涉及射频推挽功率放大器的设计。

背景技术

射频推挽功率放大器广泛用于通讯、广播、雷达、工业加工、医疗仪器和科学研究等领域。射频高功率放大器普遍采用推挽形式。射频推挽功率放大器由推挽功率晶体管、与推挽功率晶体管相连的输入匹配网络、输出匹配网络和供电偏置电路四部分组成，如图1所示，其中，推挽功率晶体管直接安装在金属散热器表面，输入匹配网络、输出匹配网络和供电偏置电路制作在印刷电路板上，供电偏置电路与外部直流电源相连，这些印刷电路板安装在与推挽功率晶体管同一个金属散热器表面。输入匹配网络用于将高阻不平衡的射频输入信号转换成低阻平衡信号并尽可能无反射地、高效地和宽带均衡地输送到推挽功率晶体管的输入端；推挽功率晶体管用于将输入匹配网络输入的射频信号进行放大并送到输出匹配网络；输出匹配网络用于将推挽功率晶体管放大后的低阻平衡射频信号转换成高阻不平衡信号并尽可能高效地和宽带均衡地输送到射频推挽功率放大器的输出端；供电偏置电路分别通过输入匹配网络为推挽功率晶体管的栅极供电，通过输出匹配网络为为推挽功率晶体管的漏极供电。

输入匹配网络和输出匹配网络均包括巴伦阻抗变换器(Balance to UnbalanceTransformer，简称Balun Transformer)及一些相互连接的微带线、电容、电阻(如有必要)和电感等匹配元件构成的匹配电路。输入匹配网络中的巴伦阻抗变换器将高阻的不平衡信号转换为低阻的平衡(或称差分)信号，并送到射频功率晶体管的输入端。输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器将射频功率晶体管输出的低阻平衡(或称差分)信号转换为高阻的不平衡信号，并送到射频推挽功率放大器的输出端。输入输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器根据不同的射频推挽功率放大器需要可以设计成不同的阻抗变换比，如4∶1、9∶1、16∶1等。输入、输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器可以采用相同的结构，也可以采用不同的结构。与输入匹配网络中的巴伦阻抗变换器相比，输出匹配网络中的巴伦阻抗变换器要求能够承受更高的功率，一般采用同轴电缆来实现，而输入匹配网络中的巴伦阻抗变换器要求承受的功率较小，可以采用较细的同轴电缆或其它结构来实现。

射频推挽功率放大器的主要电气性能如输出功率、效率和谐波抑制以及结构指标(如大小和重量)在很大程度上取决于所用巴伦阻抗变换器以及匹配电路和供电偏置电路的设计，包括巴伦阻抗变换器和匹配元件类型的选择，网络拓扑结构的安排和元件参数的优化，特别是，巴伦阻抗变换器以及匹配电路的结构对称性对推挽功率放大器的推挽工作状态影响很大。

已有的一种射频推挽功率放大器采用的巴伦阻抗变换器的原理结构如图2所示，它分为巴伦(Balance to Unbalance)和阻抗变换器独立的两部分，由一根同轴电缆21构成巴伦实现不平衡到平衡的转换，由两根相同长度的同轴电缆22、23构成阻抗变换器实现平衡高阻到平衡低阻的变换。同轴电缆21输入端211的内导体为不平衡端口，外导体接地；同轴电缆21输出端212的内导体和外导体分别接同轴电缆22、23的输入端221、231的两个内导体，同轴电缆12、13的输入端121、131的两个外导体直接相连。同轴电缆12输出端222的内导体与同轴电缆23输出端232的外导体相连，作为一个低阻平衡端口；同轴电缆13输出端132的内导体与同轴电缆12输出端122的外导体相连，作为另一个低阻平衡端口。这种巴伦阻抗变换器的同轴电缆21和同轴电缆22、23的长度一般比较长(通常为1/4波长)，每一根同轴电缆均制成螺旋线圈立在印制电路板上。这种巴伦阻抗变换器的性能与同轴电缆螺旋线圈的形状和空间位置紧密相关，复制性差，且占用空间大，结构不紧凑；同轴电缆用得多，成本高。

已有的射频推挽功率放大器采用的另一种巴伦阻抗变换器的原理结构如图3所示，它由一根水平安装在印制电路板上的密绕成两圈的同轴电缆31构成，下层同轴电缆圈与线路板相接。该同轴电缆的两端在同一方向，其中一端311的内导体为高阻不平衡端口，另一端312的内导体接地；在该同轴电缆两端相反方向层叠的两圈剥去相同长度的外导体，只留下介质层315和内导体(图中的虚线所示)。两圈同轴电缆外导体的接触部位焊接连在一起。剥去部分外导体后出现的两个外导体端头313、314为两个低阻平衡端口。不平衡端口方向上的一段U形同轴电缆的中点316接直流电源并通过电容射频接地。