一种双频宽带功率放大器及其匹配枝节设计方法

技术特征：
1.一种双频宽带功率放大器，其特征在于：包括信号输入端口、信号输出端口、输入匹配电路、输出匹配电路和晶体管；所述输入匹配电路用于为晶体管栅极提供偏置电压，并在对来自信号输入端口的信号进行接收和输入匹配后，将信号通过晶体管传输给输出匹配电路；所述输出匹配电路用于为晶体管漏极提供偏置电压，并在对接收到的信号进行输出匹配后，将得到的信号传输给信号输出端口对外输出，所述晶体管的源极接地。2.根据权利要求1所述的一种双频宽带功率放大器，其特征在于：晶体管采用功率放大管cree cgh40010f。3.根据权利要求1所述的一种双频宽带功率放大器，其特征在于：所述输入匹配电路包括输入隔直电容、输入匹配枝节、稳定电路和输入偏置电路；所述输入隔直电容的一端与输入信号端口连接，输入隔直电容的另一端与输入匹配枝节连接，用于滤除直流信号；所述输入匹配枝节输入端与输入隔直电容连接，输出端与稳定电路连接，输入匹配枝节将位于双工作频带范围的输入信号传输至稳定电路处，并对双工作频带范围内的晶体管栅极输入阻抗进行调制；所述双工作频带范围是指双频宽带功率放大器工作的两个频率范围；其中，两个工作频率范围的中心频率分别表示为f1和f2；所述稳定电路，用于将输入匹配枝节输出的信号传输到晶体管的栅极，并稳定功率放大器，防止双频带宽功率放大器产生自激振荡；所述稳定电路包括第一电阻、第二电阻和电容，所述第一电阻的第一端与输入匹配枝节的输出端连接，第一电阻的第二端与晶体管的栅极连接；所述第二电阻的第一端连接在第一电阻与晶体管的栅极之间，第二电阻的第二端通过输入偏置电路接入栅极偏置电压；所述电容并联在第一电阻的两端；所述输入偏置电路采用一段微带线，输入端接入栅极偏置电压，输入偏置电路的输出端通过所述稳定电路中的第二电阻将栅极偏置电压传导至晶体管的栅极。4.根据权利要求1所述的一种双频宽带功率放大器，其特征在于：所述输出匹配电路包括输出匹配枝节、输出偏置电路和输出隔直电容；所述输出匹配枝节一端与晶体管漏极连接，另一端与输出隔直电容连接；输出匹配枝节将晶体管漏极的输出信号传导至输出隔直电容，并对双工作频带范围内的晶体管漏极输出阻抗进行调制；所述输出隔直电容用于将来自输出匹配枝节的信号进行直流滤除后，将得到的信号传输给信号输出端口对外输出；所述输出偏置电路采用一段微带线，输入端接入漏极偏置电压，输出端通过输出匹配枝节将漏极偏置电压传导至晶体管的漏极处。5.根据权利要求4所述的一种双频宽带功率放大器，其特征在于：所述输出匹配枝节包括第一左端匹配枝节、双传输线匹配枝节和第一开/短路匹配枝节；所述第一左端匹配枝节的第一端与晶体管的漏极连接，第一左端匹配枝节的第二端与双传输线匹配枝节的第一端连接，双传输线匹配枝节的第二端与输出隔直电容相连接；所述第一左端匹配枝节为一段传输线；所述第一开/短路匹配枝节包括两段串联的传输线，其中一段传输线末端接地，另一段传输线末端与输出偏置电路相连接；且第一开/短路匹配枝节中，两段串联的传输线串联的公共点连接在第一左端匹配枝节与双传输线匹配
枝节的公共端；所述双传输线匹配枝节包括两段并联的传输线，两段并联的传输线的第一端连接后作为双传输线匹配枝节的第一端，两段并联的传输线的第二端连接后作为双传输线匹配枝节的第二端。6.根据权利要求3所述的一种双频宽带功率放大器，其特征在于：所述输入匹配枝节包括第二左端匹配枝节、第二开/短路匹配枝节和右端匹配枝节；所述第二左端匹配枝节的第一端与输入隔直电容相连接，第二左端匹配枝节的第二端与右端匹配枝节的第一端连接，右端匹配枝节的第二端连接稳定电路；所述第二左端匹配枝节和右端匹配枝节均为一段传输线；所述第二开/短路匹配枝节包括两段串联的传输线，其中一段传输线末端接地，另一段传输线末端保持开路；且第二开/短路匹配枝节中，两段串联的传输线串联的公共点连接在第二左端匹配枝节和右端匹配枝节的公共端。7.一种双频宽带功率放大器的匹配枝节设计方法，其特征在于：包括以下步骤输出匹配枝节设计步骤和输入匹配枝节设计步骤；所述输出匹配枝节设计步骤包括：a1、假设输出匹配枝节直接采用t型输出阻抗匹配枝节，所述t型输出阻抗匹配枝节包括第一t型阻抗匹配枝节、第二t型阻抗匹配枝节和第三t型阻抗匹配枝节，所述第三t型阻抗匹配枝节的一端连接晶体管漏极，第三t型阻抗匹配枝节的另一端通过第一t型阻抗匹配枝节连接到输出隔直电容，所述第二t型阻抗匹配枝节的一端连接在第三t型阻抗匹配枝节和第一t型阻抗匹配枝节之间，第二t型阻抗匹配枝节的另一端连接输出偏置电路；由基波条件出发，计算t型输出阻抗匹配枝节的各枝节参数，即计算第一t型阻抗匹配枝节～第三t型阻抗匹配枝节的特性阻抗和电长度：设第一t型阻抗匹配枝节的特性阻抗为z1，电长度为θ1，第二t型阻抗匹配枝节的特性阻抗为z2，电长度为θ2，第三t型阻抗匹配枝节的特性阻抗为z3，电长度为θ3，则：，则：，则：，则：，则：其中，k＝f2/f1为双频频率比，z0＝50，r1、r2、x1、x2分别是双工作频带范围内的晶体管漏极输出阻抗的实部和虚部，z
in1
＝g1 j*b1为从第二t型阻抗匹配枝节处看向输出隔直电容的输出阻抗，其中g1为z
in1
的实部，b1为z
in1
的虚部；z
in2
＝g2 j*b2为从第三t型阻抗匹配枝节处
看向输出隔直电容的输出阻抗，其中g2为z
in2
的实部，b2为z
in2
的虚部；a2、采用双传输线匹配枝节代替第一t型阻抗匹配枝节，在保持基波条件得到满足的同时，在2f1频段满足谐波条件；a21、对于双传输线匹配枝节中两段并联的传输线，设第一段传输线的特性阻抗为z
11
，电长度为θ
11
，第二段传输线的特性阻抗为z
12
，电长度为θ
12
；a22、令双传输线匹配枝节保持f1频段满足基波条件，基于第一t型阻抗匹配枝节的特性阻抗z1和电长度θ1，建立z
11
、z
12
随θ
11
、θ
12
的变换关系：定义z
in1s
为从第一开/短路匹配枝节处看向输出隔直电容的输出阻抗，并得出z
in1
和z
in1s
的表达式如下：的表达式如下：的表达式如下：的表达式如下：令z
in1
和z
in1s
在频率f1处相等，即当f＝f1时，令z
in1
＝z
in1s
得得a23、令双传输线匹配枝节保持f2频段满足基波条件，在θ
11
、θ
12
的取值范围内对所有θ
11
、θ
12
的取值组合进行扫描，得到所有满足基波条件θ
11
、θ
12
的组合；扫描过程如下：在1
°
～360
°
范围内扫描θ
11
、θ
12
，扫描步进1
°
；令f＝f2，对于每个θ
11
、θ
12
取值组合，按照步骤a22，由θ
11
、θ
12
、z1、θ1计算此时z
11
、z
12
数值；最后分别计算此时z
in1
和z
in1s
数值，判断此时z
in1
和z
in1s
相差是否小于2；并获得所有满足z
in1
和z
in1s
相差＜2的θ
11
、θ
12
取值组合；a24、令双传输线匹配枝节在2*f1频段满足谐波条件，求解θ
11
、θ
12
的取值；a241、令f分别等于2*f1，2*f
1-200mhz和2*f1 200mhz三个频点，此时θ
11
、θ
12
取值范围为满足z
in1
和z
in1s
相差＜2的所有θ
11
、θ
12
取值组合；a242、对于任一个满足z
in1
和z
in1s
相差＜2的θ
11
、θ
12
取值组合，在计算此时的z
11
、z
12
数值和z
in1s
数值，并判断是否满足2*f1频段处的谐波条件：z
in1s
实部在三个频点全部小于2，z
in1s
虚部在三个频点全部与x
01
相差小于10，其中x
01
为预设的z
in1s
虚部目标参数；
若满足，则将此时的θ
11
、θ
12
取值组合加入预选集m1中；若不满足，则将此时的θ
11
、θ
12
取值组合丢弃；a243、对于每一个满足z
in1
和z
in1s
相差＜2的θ
11
、θ
12
取值组合，重复执行步骤a242后，得到完整的预选集m1；从完整的预选集m1，挑选2*f1频率处z
in1s
虚部与x
01
相差最小的θ
11
、θ
12
取值组合，最终确定其为双传输线结构的电长度组合，根据确定的电长度组合，计算对应的特性阻抗，完成双传输线匹配枝节的设计；a3、采用第一开/短路匹配枝节代替第二t型阻抗匹配枝节，在保持基波条件得到满足的同时，在2f2频段满足谐波条件：a31、对于第一开/短路匹配枝节中两段串联的传输线，设接地的一段传输线特性阻抗为z
22
，电长度为θ
22
，连接输出偏置电路的一段传输线特性阻抗为z
21
，电长度为θ
21
；a32、令第一开/短路匹配枝节保持f1和f2频段同时满足基波条件，基于第二t型阻抗匹配枝节的特性阻抗z2和电长度θ2，建立z
21
、z
22
随θ
21
、θ
22
的变换关系：令z
in2s
为从第一左端匹配枝节处看向输出隔直电容的输出阻抗，得出z
in2
和z
in2s
的表达式如下：式如下：当f分别等于f1和f2时，令z
in2
＝z
in2s
，得出开/短路匹配枝节的特性阻抗与其电长度的关系如下所示：所示：所示：a33、令第一开/短路匹配枝节在2*f2频段满足谐波条件，在θ
21
、θ
22
的取值范围内对所有θ
21
、θ
22
的取值组合进行扫描，得到所有满足基波条件θ
21
、θ
22
的组合：在1
°
～360
°
范围内扫描θ
21
、θ
22
，扫描步进1
°
；令f＝f2，对于每个θ
21
、θ
22
取值组合，按照步骤a32，计算此时z
21
、z
22
数值；最后分别计算此时z
in2
和z
in2s
数值，判断此时z
in2
和z
in2s
相差是否小于2；并获得所有满足z
in2
和z
in2s
相差＜2的θ
21
、θ
22
取值组合；a34、令z
in2s
在2f2频率处满足谐波条件，求解θ
21
、θ
22
的取值；a341、令f分别等于2*f2，2*f
2-200mhz和2*f2 200mhz；a342、对于满足z
in2
和z
in2s
相差＜2的任一个θ
21
、θ
22
取值组合，分别计算此时的z
21
、z
22
数
值和z
in2s
数值；判断是否满足2f2频率处的谐波条件：z
in2s
实部在三个频点全部小于2，z
in2s
虚部在三个频点全部与x
02
相差小于10；其中x
02
为预设的z
in2s
虚部目标参数；若满足，则将此时的θ
21
、θ
22
取值组合加入预选集m2中；若不满足，则将此时的θ
21
、θ
22
取值组合丢弃；a343、对于每一个满足z
in2
和z
in2s
相差＜2的θ
21
、θ
22
取值组合，重复执行步骤s342，得到完整的预选集m2；从完整的预选集m2中，挑选2*f2频率处z
in2s
虚部与x
02
相差最小的θ
21
、θ
22
取值组合，最终确定其为第一开/短路匹配枝节的电长度组合，根据确定的电长度组合，计算对应的特性阻抗，完成第一开/短路匹配枝节的设计；所述输入匹配枝节设计步骤包括：b1、首先假设输入匹配枝节直接采用t型输入阻抗匹配枝节，所述t型输入阻抗匹配枝节包括第四t型阻抗匹配枝节、第五t型阻抗匹配枝节和第六t型阻抗匹配枝节，所述第四t型阻抗匹配枝节的一端连接输入隔直电容，另一端通过第六t型阻抗匹配枝节连接稳定电路；所述第五t型阻抗匹配枝节的一端连接在第四t型阻抗匹配枝节和第六t型阻抗匹配枝节之间，另一端接地；由基波条件出发，计算t型阻抗匹配枝节的各枝节参数，即计算第四t型阻抗匹配枝节～第六t型阻抗匹配枝节的特性阻抗和电长度，设第四t型阻抗匹配枝节的特性阻抗为z4，电长度为θ4，第五t型阻抗匹配枝节的特性阻抗为z5，电长度为θ5，第六t型阻抗匹配枝节的特性阻抗为z6，电长度为θ6，则：，则：，则：，则：，则：其中，k＝f2/f1为双频频率比，z0＝50，r3、r4、x3、x4分别是双工作频带范围内的晶体管栅极输入阻抗的实部和虚部，z
in3
＝g3 j*b3为从第五t型阻抗匹配枝节处看向输入隔直电容的输入阻抗，其中g3为z
in3
的实部，b3为z
in3
的虚部；z
in4
＝g4 j*b4为从第六t型阻抗匹配枝节处看向输入隔直电容的输入阻抗，其中g4为z
in4
的实部，b4为z
in4
的虚部；b2、采用第二开/短路匹配枝节代替第五t型阻抗匹配枝节，并确定第五t型阻抗匹配枝节的设计参数：b2、采用第二开/短路匹配枝节代替第五t型阻抗匹配枝节，对于第二开/短路匹配枝节中两段串联的传输线，设接地的一段传输线特性阻抗为z
52
，电长度为θ
52
，开路的一段传输线特性阻抗为z
51
，电长度为θ
51
；
b3、确定z
51
、θ
51
、z
52
、θ
52
之间的关系：令z
in3s
为从第二开/短路匹配枝节处看向输入隔直电容的输出阻抗，z
in4s
为从右端匹配枝节处看向输入隔直电容的输出阻抗，则有如下表达式：枝节处看向输入隔直电容的输出阻抗，则有如下表达式：枝节处看向输入隔直电容的输出阻抗，则有如下表达式：当f分别等于f1和f2时，令z
in4
＝z
in4s
，得出第二开/短路匹配枝节的特性阻抗与其电长度的关系如下所示度的关系如下所示度的关系如下所示b4、扫描θ
51
、θ
52
取值范围，设置初始取值范围为1
°
～360
°
，扫描步进1
°
；对于每一个的θ
51
、θ
52
取值组合，计算z
51
和z
52
的数值，当其满足条件50＜z
51
＜100和50＜z
52
＜100时，终止扫描，读取此时的θ
51
、θ
52
取值为最终结果，并计算出最终θ
51
、θ
52
对应的z
51
、z
52
，完成第二开短路匹配枝节的设计。

技术总结
本发明公开了一种双频宽带功率放大器及其匹配枝节设计方法，包括信号输入端口、信号输出端口、输入匹配电路、输出匹配电路和晶体管；所述输入匹配电路用于为晶体管栅极提供偏置电压，并在对来自信号输入端口的信号进行接收和输入匹配后，将信号通过晶体管传输给输出匹配电路；所述输出匹配电路用于为晶体管漏极提供偏置电压，并在对接收到的信号进行输出匹配后，将得到的信号传输给信号输出端口对外输出，所述晶体管的源极接地。本发明能够在较宽的谐波频段实现射频零点，增加了双频功率放大器的工作带宽。器的工作带宽。器的工作带宽。


技术研发人员：陈爱新 关勐 付学东 孙铭宇 秦葭湄
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.10.30
技术公布日：2023/2/3