【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(lái)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(duì)功率放大器基頻分量的影響，對(duì)加窗函數(shù)的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)性失真的特點(diǎn)，當(dāng)功放工作在大信號(hào)狀態(tài)的非線(xiàn)性區(qū)域時(shí)，會(huì)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(gè)四分之一基頻波長(zhǎng)的短路短截線(xiàn)，或用芯片電容在禁帶處提供零傳輸來(lái)抑制高次諧波。這些方法的缺點(diǎn)是頻帶窄，且浪費(fèi)電路面積。近來(lái)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(gè)放大器的性能和輸出功率，同時(shí)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(jì)和制造更簡(jiǎn)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?cè)谖щ娐泛臀⒉ㄌ炀€(xiàn)上已經(jīng)對(duì)PBG結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入廣泛的研究，且已經(jīng)取得很大的進(jìn)展。并提出了多種多樣的PBG結(jié)構(gòu)。本文為了更好地通過(guò)抑制功率放大器的二次諧波分量來(lái)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(lái)加權(quán)處理開(kāi)孔的尺寸大小，利用其通帶內(nèi)的平坦度好的優(yōu)點(diǎn)[6]來(lái)抑制二次諧波，這不僅可以減小對(duì)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(guó)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(xiàn)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(shí)還可以和單片電路結(jié)合而減小電路尺寸[7 ]。同時(shí)由于傳輸?shù)碾姶挪ㄖ饕窒拊趯?dǎo)帶附近，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(jì)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(kāi)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(xué)領(lǐng)域，所以PBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)光學(xué)原理來(lái)進(jìn)行，令其阻帶的中心頻率滿(mǎn)足Bragg條件即可：

2K=KBragg=2π/a " " " " " " " " "（1）

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

λg=2a " " " " " " " " " " " " （2）

即PBG結(jié)構(gòu)的周期a近似為導(dǎo)行波波長(zhǎng)λg的二分之一。其實(shí)PBG結(jié)構(gòu)微帶線(xiàn)上的導(dǎo)波波長(zhǎng)需用全波法來(lái)計(jì)算，但很繁雜。有研究表明：對(duì)于PBG結(jié)構(gòu)單元對(duì)于周期單元較小的情況下，可以用普通的微帶線(xiàn)的導(dǎo)波波長(zhǎng)近似代替應(yīng)用PBG結(jié)構(gòu)以后的導(dǎo)波波長(zhǎng)。同時(shí)對(duì)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L(zhǎng)C諧振回路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jì)

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(xiàn)阻帶的中心頻率f0點(diǎn)處的導(dǎo)波波長(zhǎng)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(lái)設(shè)計(jì)PBG結(jié)構(gòu)，以獲得實(shí)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(lái)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(lái)加權(quán)處理開(kāi)孔的尺寸大小，便可減少通帶內(nèi)的波紋，同時(shí)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(hào)處理中的作用，引入了窗函數(shù)加權(quán)處理開(kāi)孔的尺寸使蝕刻的圓孔尺寸逐漸變化。通過(guò)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(xiàn)的寬度對(duì)應(yīng)于一般電路使用的50Ω阻抗線(xiàn)，其線(xiàn)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(xiàn)的長(zhǎng)度

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)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(lái)加權(quán)處理開(kāi)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(duì)其基頻分量的影響，使整個(gè)功放的帶內(nèi)特性大大改善。

通過(guò)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(shí)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(shí)測(cè)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(lái)抑制一個(gè)C波段功率放大器的二次諧波，來(lái)提高功率放大器的輸出特性。

參考文獻(xiàn)

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[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(jiǎn)介：張艷陽(yáng)（1975—），女，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士，副教授，現(xiàn)供職于長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。