基于GaN HEMT實(shí)現(xiàn)高效率F類功率放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

1 引言

射頻功率放大器廣泛應(yīng)用于各種無線通信發(fā)射設(shè)備中，隨著移動(dòng)通訊服務(wù)的快速增長，對(duì)低耗、高效、體積小的要求也迅速增加。眾所周知，RF功放（PA）是射頻傳輸中功率損耗最大的眾多設(shè)計(jì)模塊之一。當(dāng)前發(fā)展的第三代通信推動(dòng)了對(duì)功放的更新，PA作為通信基站的核心部分，它的效率直接影響了整個(gè)基站的效率，因此研究解決功率放大器的效率問題成為當(dāng)前研究的的熱點(diǎn)。F類放大器理論效率可以達(dá)到100%，所以F類功率放大器具有很好的研究前景。

2 理想F類放大器原理研究

圖1給出了功率放大器的基本結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)晶體管，直流源，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。直流偏置作為直流源，晶體管可以是FET或者是BJT，本文以FET為例來說明。晶體管漏極通過RF扼流圈接直流偏置電壓Vd，通過輸出網(wǎng)絡(luò)匹配到50 Ohms最佳負(fù)載。

圖1 功率放大器基本結(jié)構(gòu)

F類放大器通過在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)用諧波振蕩電路，從而在漏極負(fù)載出現(xiàn)對(duì)偶次諧波短路和奇次諧波開路來實(shí)現(xiàn)效率和輸出功率的共同推進(jìn)。漏極電壓由奇次諧波構(gòu)成，接近方形波形。而漏極電流包含基波和偶次諧波，近似一個(gè)半正弦波。因?yàn)樵诼O電壓和電流之間沒有交疊，理想效率可以達(dá)到100%。

器件漏極100%理想漏極效率的阻抗條件是：

實(shí)現(xiàn)F類放大器的工作電壓和電流波形信號(hào)，可使用奇次諧波來近似方波，偶次諧波來近似半正弦電流波形，表達(dá)式如下：

其中，

電壓波形達(dá)到最大值和最小值的中間點(diǎn)的位置分別在

和

。最小電壓時(shí)的最大平坦度要求在

偶階導(dǎo)數(shù)為0。由于

，

為奇數(shù)時(shí)，奇階導(dǎo)數(shù)等于0必須定義上式給出的電壓波形的偶階導(dǎo)數(shù)。

3 理論分析和設(shè)計(jì)方法

理想F類功放表現(xiàn)為包含無限的協(xié)波，但是在設(shè)計(jì)中是不切實(shí)際的。例如：漏級(jí)源電容Cds 將產(chǎn)生大量的高次諧波在微波頻率短路。同樣，漏級(jí)輸出的寄生電容和電感使得幾乎不可能生成偶次諧波短路和奇次諧波開路。通常，許多諧波進(jìn)入輸出網(wǎng)路需要實(shí)現(xiàn)在每個(gè)諧波頻率的阻抗，這將產(chǎn)生一個(gè)很復(fù)雜的電路和更多的輸出損耗，因此會(huì)使效率降低。由此，在很多設(shè)計(jì)中只考慮少量的諧波，如2，3次諧波。他們對(duì)輸出能量和效率有很大的作用。

Raab 研究了輸出功率性能和效率在有限諧波情況下的效果。這有助于設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮輸出網(wǎng)路的復(fù)雜程度和效率。表1 給出了不同諧波的最大效率，如我們看到的那樣，A類功放的最大效率為50%，當(dāng)只有基波頻率時(shí)電流和電壓m、n均為1，最大效率從50%向上增加到70.7，81.7，86.6，90.5依次為 2，3，4，5次諧波。mn 表示漏極電流和電壓的最大諧波次數(shù)。

表1. F類功率放大器的最大效率

在只考慮2次和3次諧波的情況下，（3次諧波峰化），最大效率可以達(dá)到81.7%，包含3次諧波峰化輸出網(wǎng)絡(luò)電路如圖2a所示，在3f0用并聯(lián)的諧振器加在漏極輸出，提供2f0 短路和3f0開路，另外一個(gè)并聯(lián)諧振器與負(fù)載阻抗并聯(lián)，用來保證在f0 有最佳的負(fù)載，RL是最佳的漏級(jí)負(fù)載。

（2a） 3次諧波輸出網(wǎng)絡(luò)

（2b）

圖2 諧波輸出網(wǎng)絡(luò)

圖2b中給出了另外兩個(gè)可能的并聯(lián)諧振器電路和連接諧振器電路構(gòu)造元件的初始值。另外還給了一個(gè)等效的微帶阻抗-峰化電路和他的初始原理值。能提供對(duì)于所有的偶次諧波短路和對(duì)3次諧波開路。然而，實(shí)際的F類PA的設(shè)計(jì)要復(fù)雜的多，因?yàn)橛屑纳娍?，非線性漏級(jí)電流Ids和非線性的Cgs，Cds圖3 中給的方程可以提供一個(gè)很好的F類放大器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文在設(shè)計(jì)F類放大器時(shí)，對(duì)輸出諧波調(diào)諧，當(dāng)輸入網(wǎng)絡(luò)在柵極輸入提供共軛匹配時(shí)輸出網(wǎng)絡(luò)提供了偶次諧波短路和奇次諧波開路，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)使在漏級(jí)輸出端獲得基波的最佳負(fù)載。圖2b中的等效的微帶阻抗—峰化電路，三段電長度中只有第二段需要根據(jù)晶體管的寄生參數(shù)來額外修正，其余都可根據(jù)基板參數(shù)和頻率計(jì)算出實(shí)際微帶線的尺寸。

設(shè)計(jì)采用Cree公司的GaN HEMT，基頻1.25GHz，帶寬為100MHz，輸入功率28dBm， 基板材料Er=3.38，板厚0.4mm，輸入網(wǎng)絡(luò)是同頻率B類工作模式下設(shè)計(jì)的，柵極電壓VGS =-2.5V，漏極電壓VDS=28V。ADS仿真結(jié)果最大PAE為84%，實(shí)現(xiàn)電路及測試架如圖3所示。

圖3 測試電路實(shí)物及測試架圖

初步試驗(yàn)測量結(jié)果最大功率附加效率65.5%，通過進(jìn)一步調(diào)節(jié)電路以及輸入輸出端電容得到PAE為70.32%。略低于仿真結(jié)果，但已經(jīng)獲得了較高的效率，效率偏低的原因有很多種，測量器件的改進(jìn)以及對(duì)電路的再次調(diào)整可能會(huì)進(jìn)一步有效的提高電路的效率。

本設(shè)計(jì)最終在中心頻率1.25GHz實(shí)際測量所得結(jié)果如圖4所示。與目前國內(nèi)外高效率放大器相比，在保證輸出功率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了較高的效率，在F類放大器實(shí)現(xiàn)電路上取得了較好的成功。

圖4 相對(duì)輸入功率的輸出功率和PAE

6 結(jié)束語

本文對(duì)F類功率放大器的理論進(jìn)行了研究，分析了其電路工作原理和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。并通過一種新型F類放大器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)證實(shí)了實(shí)現(xiàn)高效率，高功率工作的可能。實(shí)際測試中在沒有進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下已經(jīng)達(dá)到65.5%的功率附加效率，由于在調(diào)節(jié)的過程中影響效率的因素沒有準(zhǔn)確的依據(jù)，故而調(diào)節(jié)過程難度較大，最終實(shí)現(xiàn)了PAE大于70%，輸出功率達(dá)到10W。

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