光子帶隙（PBG）結(jié)構(gòu)用于功率放大器的諧波抑制

【摘要】本文采用一種加窗技術(shù)的光子帶隙 （PBG）-photonic bandgap結(jié)構(gòu)的帶阻特性，來抑制功率放大器輸出端的二次諧波分量，減小在二次諧波分量上的能量以提高功率放大器的輸出性能。為了盡量減小PBG結(jié)構(gòu)對功率放大器基頻分量的影響，對加窗函數(shù)的仿真結(jié)果進行了對比。仿真結(jié)果表明加窗后的PBG結(jié)構(gòu)改善了通帶的平坦度，可以在很寬的頻段內(nèi)有效地改善功率放大器的輸出性能，其且實驗結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合。

【關(guān)鍵詞】功率放大器;光子帶隙結(jié)構(gòu);加窗技術(shù);諧波抑制

1.引言

微波晶體管功率放大器是微波中、小功率的主要固態(tài)源，應(yīng)用非常廣泛。但存在非線性失真的特點，當功放工作在大信號狀態(tài)的非線性區(qū)域時，會產(chǎn)生諧波失真，并增大基波功率的損耗，所以提高功率放大器性能的有效方法就是抑制高次諧波[1，2]。由于功放中諧波能量主要集中在二次諧波上，因此只要抑制了二次諧波就能很好地提高功率放大器的性能。用于抑制放大器的二次諧波的典型方法是在輸出端加上一個四分之一基頻波長的短路短截線，或用芯片電容在禁帶處提供零傳輸來抑制高次諧波。這些方法的缺點是頻帶窄，且浪費電路面積。近來人們提出用光子帶隙（PBG）結(jié)構(gòu)代替上述短路調(diào)諧分支，可在很寬的頻率范圍內(nèi)抑制高次諧波，提高整個放大器的性能和輸出功率，同時還能和其它微帶元件結(jié)合以減小電路結(jié)構(gòu)，使設(shè)計和制造更簡單。

PBG結(jié)構(gòu)是一種具有寬阻帶特性的周期微波結(jié)構(gòu)[5]。它能夠抑制一定頻率范圍內(nèi)的電磁波傳播，具有明顯的帶阻特性。目前人們在微帶電路和微波天線上已經(jīng)對PBG結(jié)構(gòu)進行了深入廣泛的研究，且已經(jīng)取得很大的進展。并提出了多種多樣的PBG結(jié)構(gòu)。本文為了更好地通過抑制功率放大器的二次諧波分量來提高功率放大器的輸出特性，采用了漸變尺寸的PBG結(jié)構(gòu)模型，并用窗函數(shù)來加權(quán)處理開孔的尺寸大小，利用其通帶內(nèi)的平坦度好的優(yōu)點[6]來抑制二次諧波，這不僅可以減小對功放的基頻分量的影響，還提高了輸出功率和效率。

圖1

2.普通PBG結(jié)構(gòu)和等效電路分析

目前國內(nèi)外提出的微波頻段的PBG結(jié)構(gòu)多種多樣，但在微帶技術(shù)中應(yīng)用最廣的PBG結(jié)構(gòu)是Yongxi Qian于1998年提出的一種新型的微帶PBG結(jié)構(gòu)，它只需在接地金屬板上沿微帶線方向蝕刻出周期性排列的小孔可以獲得比挖介質(zhì)孔方法更深更寬的阻帶特性，同時還可以和單片電路結(jié)合而減小電路尺寸[7 ]。同時由于傳輸?shù)碾姶挪ㄖ饕窒拊趯Ц浇?，僅用一維電路方式就可以產(chǎn)生明顯的阻帶特性，所以可減小設(shè)計的橫向尺寸。本文采用的PBG結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 接地板開孔式普通PBG結(jié)構(gòu)

圖3 單元尺寸加窗技術(shù)

由于PBG結(jié)構(gòu)理論源于光學領(lǐng)域，所以PBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)光學原理來進行，令其阻帶的中心頻率滿足Bragg條件即可：

2K=KBragg=2π/a " " " " " " " " "（1）

式（1）中K為波導模的波數(shù)，a為PBG結(jié)構(gòu)的周期，所以由（1）式可以推導出：

λg=2a " " " " " " " " " " " " （2）

即PBG結(jié)構(gòu)的周期a近似為導行波波長λg的二分之一。其實PBG結(jié)構(gòu)微帶線上的導波波長需用全波法來計算，但很繁雜。有研究表明：對于PBG結(jié)構(gòu)單元對于周期單元較小的情況下，可以用普通的微帶線的導波波長近似代替應(yīng)用PBG結(jié)構(gòu)以后的導波波長。同時對于PBG結(jié)構(gòu)的電磁特性分析可依據(jù)集總參數(shù)的等效電路模型，將其等效為LC諧振回路網(wǎng)絡(luò)進行估算。結(jié)構(gòu)中的金屬連接帶等效為電感L，空隙等效為電容C，其諧振頻率f0可以由以下公式近似求得：

f0=1/（2π（LC）1/2） " " " " " " "（3）

所以選擇合適的結(jié)構(gòu)尺寸就可以將PBG的阻帶中心頻率f0設(shè)置在要抑制的功率放大器的二次諧波的頻率上。

3.加窗PBG結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

普通的PBG結(jié)構(gòu)（如圖3所示）是一種周期性結(jié)構(gòu)。由（2）知微帶線阻帶的中心頻率f0點處的導波波長是PBG結(jié)構(gòu)周期a的兩倍，所以可以選擇PBG結(jié)構(gòu)參數(shù)a來設(shè)計PBG結(jié)構(gòu)，以獲得實際應(yīng)用中所需要的阻帶特性。由于普通的PBG結(jié)構(gòu)其電磁波經(jīng)介質(zhì)周期性的散射后，將造成其通帶內(nèi)有很多波紋起伏。為了更好地抑制功率放大器的諧波分量來提高功率放大器的輸出特性，采用了一種漸變尺寸的PBG結(jié)構(gòu)，該方法用窗函數(shù)來加權(quán)處理開孔的尺寸大小，便可減少通帶內(nèi)的波紋，同時也可獲得較寬的頻帶寬度和較深的阻帶抑制深度。

本文借助窗函數(shù)在數(shù)字信號處理中的作用，引入了窗函數(shù)加權(quán)處理開孔的尺寸使蝕刻的圓孔尺寸逐漸變化。通過選擇合適的加窗函數(shù)就可以有效地降低通帶內(nèi)波紋，本文分別采用了高斯加窗和海明加窗兩種PBG結(jié)構(gòu)（圖3）。根據(jù)需抑制的功率放大器的二次諧波頻率并參照公式（2），選擇微帶結(jié)構(gòu)的參數(shù)：結(jié)構(gòu)周期a為12mm，微帶基片的介電常數(shù)為2.94的ROGERS公司的RT/Duroid6002基板，厚度為0.762mm，微帶線的寬度對應(yīng)于一般電路使用的50Ω阻抗線，其線寬為1.9mm。

高斯窗R（x）=Rmaxexp（-2（2x/L）2） " "（4）

海明窗R（x）=Rmax（0.54+0.46cos（2πx/L））

（5）

（4）、（5）式中Rmax=4mm，x為各圓孔圓心離中心圓圓心間的距離，L為微帶線的長度

4.結(jié)論

本文通過對普通PBG結(jié)構(gòu)和加窗PBG結(jié)構(gòu)電磁特性和等效電路的分析，得出了用窗函數(shù)來加權(quán)處理開孔的尺寸大小，可以改善通帶的平坦度，抑制功率放大器的二次諧波，以減小對其基頻分量的影響，使整個功放的帶內(nèi)特性大大改善。

通過選擇合適的加窗函數(shù)可以有效地降低通帶內(nèi)波紋，同時可獲得較寬的頻帶寬度和較大的阻帶抑制幅度。文中仿真結(jié)果表明：高斯加窗的PBG結(jié)構(gòu)的頻帶特性明顯優(yōu)于海明窗的，由實測的結(jié)果可看出PBG結(jié)構(gòu)的阻帶的中心頻率在9GHz左右，與仿真的結(jié)果吻合。該方法也可以直接用來抑制一個C波段功率放大器的二次諧波，來提高功率放大器的輸出特性。

參考文獻

[1]Walker J L B.High-power GaAs FET amplifiers[M].Norwell，MA：Aretch " " " house，1993：210-212.

[2]Cripps S C.RF power amplifiers for wireless communications[M].Norwell，MA：Aretch house，1999：88-90.

[3]Radisic V，Qian，Itoh T. Broad-band power amplifier using dielectric photonic band-gap structure[J]. IEEE Microwave and Guided Wave Lett，1998，8（1）：13-14.

作者簡介：張艷陽（1975—），女，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士，副教授，現(xiàn)供職于長沙民政職業(yè)技術(shù)學院，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。