新型缺陷地結(jié)構(gòu)改善射頻功率放大器的性能*

張俊慶，游 彬，門 陽

(杭州電子科技大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州310018)

缺陷地結(jié)構(gòu)是由Chul-Soo Kim， Jun-Seok Park等人在研究PBG結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出來的，它是通過在微帶傳輸線的金屬地面上蝕刻周期性或非周期性的各種圖案電路的性能參數(shù)，減小電路尺寸，它已被廣泛運(yùn)用于濾波器，振蕩器的設(shè)計(jì)中[1-6]。本文利用本文作者提出的一種新型缺陷地結(jié)構(gòu)應(yīng)用在射頻功率放大器中來抑制輸出信號的諧波，相應(yīng)地改善了射頻功率放大器的輸出功率和效率。

1 啞鈴形DGS結(jié)構(gòu)

啞鈴形DGS結(jié)構(gòu)是最為基礎(chǔ)也是最典型的一種DGS結(jié)構(gòu)，它是最早的被成功應(yīng)用于實(shí)際電路中的實(shí)例。如圖1(a)所示的就是啞鈴形DGS的結(jié)構(gòu)圖，圖中DGS結(jié)構(gòu)由兩個(gè)形狀相同的矩形和一個(gè)縫隙組成， DGS的性能和矩形的面積以及縫隙的長度和寬度有關(guān)。 DGS缺陷單元中矩形的作用等效于一個(gè)電感，而縫隙的作用等效于一個(gè)電容，等效電路如圖1(b)所示。

如圖2(a)所示，新型的DGS由兩個(gè)啞鈴頭結(jié)構(gòu)和加長的蝕刻帶組成。啞鈴頭的邊長是a， b，啞鈴頭的槽寬是d，蝕刻帶的長和寬分別是l和c。所取介電常數(shù)是4.3，基板厚度為0.8 mm?？芍?0 Ω微帶線寬度為1.6 mm。圖2(b)為LDGS的等效電路， LDGS等效為并聯(lián)振蕩電路。

理論分析表明，缺陷地的方格可用電感等效，縫隙作用可用電容等效，方格面積增大，等效電感增加，衰減極點(diǎn)降低，如果縫隙加寬，則等效電容減小，衰減極點(diǎn)增加。我們能從Rahman和Ahn的文章中，得到電容Cp和電感Lp[7-8]。

fc是3 dB截止頻率， fp是衰減頻率。

為了和普通DGS做比較，我們選用了一樣的占地面積。

圖3顯示新型啞鈴DGS和普通啞鈴DGS的仿真比較結(jié)果。新型的啞鈴 DGS尺寸：a=b=7.0 mm， l=14.6 mm， c=0.4 mm， d=1 mm，普通啞鈴DGS結(jié)構(gòu)尺寸：a=b=7.0 mm， l=1.6 mm， c=0.4 mm.微帶線特性阻抗是50 Ω。表1是根據(jù)公式(1)和公式(2)，而得到的這兩個(gè)DGS的參數(shù)。從仿真結(jié)果可以看出，這個(gè)新型的啞鈴DGS的振蕩頻率，將近是普通啞鈴DGS的一半。

圖3 新型啞鈴DGS和普通啞鈴DGS的S21比較

表1 新型啞鈴DGS和普通啞鈴DGS的參數(shù)

通過改變參數(shù)a， l和c，分別仿真可得結(jié)論：參數(shù)a， l和c對諧振特性影響較大，增加a可以使諧振頻率降低；減少c可以使諧振頻率降低；增加l可以使諧振頻率降低。一種等效電路模型被用來描述這種DGS。通過仿真比較新型啞鈴DGS和普通啞鈴DGS，我們不增加蝕刻面積，僅用加長的蝕刻帶結(jié)構(gòu)就可以明顯增加等效電容，實(shí)現(xiàn)較低的諧振頻率。新型DGS有更緊湊的尺寸，有許多潛在的應(yīng)用，如諧波抑制，濾波器設(shè)計(jì)和減小尺寸等。

2 新型DGS在射頻功率放大器的應(yīng)用

在射頻功率放大器的設(shè)計(jì)中輸出功率和效率是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)，而這兩個(gè)參數(shù)和射頻功放管，以及偏置電壓，匹配電路等等都密切相關(guān)。射頻功率放大器的諧波會(huì)損耗一部分的輸出功率。我們可以設(shè)想如果抑制射頻功率放大器的輸出諧波，則可以提高射頻功率放大器的輸出功率和效率，本文利用提出的新型缺陷地結(jié)構(gòu)，來抑制射頻功率放大器的輸出信號的諧波，以此來提高功放電路的效率以及輸出功率。

射頻功率放大器的偏置線的設(shè)計(jì)非常重要， ，高頻偏置線的長度是四分之一波長，為了起到通直流遏制交流的效果，偏置線的阻抗通常要求比較高，這樣的話相應(yīng)的偏置線就比較細(xì)，如圖4(a)所示的直流偏置線非常細(xì)。如果漏極偏置線太細(xì)就會(huì)不利于直流電的傳輸，利用DGS的慢波特性不僅可以改善這一缺點(diǎn)還可以抑制三次諧波。如圖4(b)所示的四分之一的波長線要比4(a)中的寬得多。當(dāng)頻率為2.14 GHz時(shí)，如果介質(zhì)的介電常數(shù)為2.2，板子的厚度為31 mil時(shí)，圖4(a)中120歐姆的偏置線的長和寬分別為：23.8 mm， 1.23 mm.圖4(b)中的為：25.1 mm， 0.41 mm.DGS的此類應(yīng)用不但能有利于偏置線的直流傳輸，還能改善功放輸出信號的諧波抑制問題。

圖4 兩種高阻抗偏置線

由于DGS結(jié)構(gòu)的LC諧振特性，級聯(lián)的DGS結(jié)構(gòu)更是能達(dá)到寬頻帶的濾波范圍，我們可以利用提出的新型缺陷地結(jié)構(gòu)級聯(lián)起來組成低插損，寬頻帶的濾波器在不影響基頻信號的情況下，對射頻功率放大器的諧波起到較好的抑制作用。

圖5 設(shè)計(jì)的濾波器結(jié)構(gòu)

3 新型缺陷地結(jié)構(gòu)功率放大器與普通功率放大器的測試結(jié)果比較

下面圖6、圖7所示的是加缺陷地結(jié)構(gòu)的射頻功放實(shí)物圖。

圖6 缺陷地射頻功率放大器的實(shí)物圖

圖7 普通射頻功率放大器的實(shí)物圖

所用的測試儀器包括信號源Agilent E8267D、頻譜分析儀Agilent E4440A等。分別對普通射頻功率放大器和加入新型DGS結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器進(jìn)行測試比較。信號源的輸入信號頻率是2.14 GHz、功率是20 dBm的載波信號，頻譜儀的接入端加了一個(gè)30 dBm的衰減器。

因?yàn)檫B接線有一定的功率損耗，所以先要對連接線的損耗大小進(jìn)行測試。輸入功率是20 dBm的信號，直接把接下來測試PA模塊要用的測試線連接起來，經(jīng)計(jì)算損耗是2.8 dBm。接下來，我們分別對普通射頻功率放大器和加入新型缺陷地結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的輸出基頻、二次諧波、三次諧波信號進(jìn)行測試比較。

如圖8、9所示的是普通射頻功率放大器和加入新型缺陷地結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的基頻輸出功率，可以看出在2.14 GHz的頻點(diǎn)上的輸出功率分別為-0.45 dBm、-0.5 dBm。由于頻譜分析儀的輸入端接了30 dBm的衰減器，計(jì)入2.8 dBm的測試線的損耗，則實(shí)際輸出分別為32.35 dBm、32.30 dBm。加入新型缺陷地結(jié)構(gòu)后，本來是起到抑制諧波的作用，信號就可以進(jìn)行二次或者多次放大，從理論上來講，應(yīng)該相對地增加輸出基頻功率，可是測試結(jié)果是輸出基頻功率稍微降低了，經(jīng)過分析和測試驗(yàn)證，是輸出匹配電路后面的缺陷地結(jié)構(gòu)引入的插入損耗造成的，經(jīng)測試引入的插損大約0.17dB，這主要和PCB的制作精度有關(guān)，但是并不影響理論的正確性。

圖8 普通射頻功率放大器的基頻輸出功率

圖9 加入DGS結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的基頻輸出功率

如圖10、11所示的為普通射頻功率放大器和加入新型DGS結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的二次諧波輸出功率，由圖可看出射頻功率放大器中添加的DGS結(jié)構(gòu)成功的抑制了11 dB左右的諧波功率，這是由輸出匹配電路后面的DGS結(jié)構(gòu)起到的抑制效果。

圖10 普通射頻功率放大器的二次諧波功率

圖11 加入DGS結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的二次諧波功率

如圖12、13所示，射頻功率放大器的三次諧波被抑制了17 dB左右，偏置線下面和輸出匹配電路后面的DGS結(jié)構(gòu)都抑制了三次諧波，從測試結(jié)果來看DGS結(jié)構(gòu)成功地完成了對諧波的抑制，但也發(fā)現(xiàn)抑制效果和仿真結(jié)果還有一定的距離，經(jīng)過分析認(rèn)為， DGS結(jié)構(gòu)較小，對蝕刻槽的精度要求較高，電路板的實(shí)際制作中存在一定的誤差，影響了測試結(jié)果。但并不影響證明理論的正確性。

圖12 普通功放的三次諧波功率

圖13 加入DGS結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器的三次諧波功率

4 結(jié)語

本文通過對DGS進(jìn)行理論分析和仿真，提出了一種新型的DGS結(jié)構(gòu)，并把這種新型的DGS結(jié)構(gòu)應(yīng)用在實(shí)際的射頻功率放大器設(shè)計(jì)中，通過在射頻功率放大器漏極偏置線下面和輸出匹配電路后面添加這種新型的DGS結(jié)構(gòu)，成功地抑制了射頻功率放大器的二次和三次諧波，而抑制的射頻信號又可以進(jìn)行重新放大，所以適量地增加了射頻功率放大器的輸出功率和效率。

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