2.65 GHz雙級高效、高增益F類開關(guān)功率放大器設(shè)計(jì)

周鵬　王建利　鄔海峰

摘要：在F類功率放大器的基本工作原理和設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，采用開路枝節(jié)微帶線匹配的方法實(shí)現(xiàn)了F類功率放大器所需要的諧波阻抗匹配，并采用GaN HEMT晶體管設(shè)計(jì)制作了應(yīng)用于無線通訊領(lǐng)域的雙級高效高增益F類功率放大器。在2.65 GHz工作頻率，該功率放大器具有65.69%功率附加效率（PAE）、20 dB的功率增益和10 W輸出功率。該功率放大器的實(shí)測結(jié)果與電路仿真結(jié)果相吻合，證明了使用該方法設(shè)計(jì)F類功率放大器的有效性。

關(guān)鍵詞： F類功率放大器；雙級；高效率；高增益開關(guān)功放

Abstract： In this paper， we use an open stub microstrip line to realize harmonic impedance matching of a class-F PA. We analyze the fundamental design methods of a class-F PA and design a two-stage high-efficiency， high-gain class-F PA using GaN HEMT. At 2.65 GHz， the PA has 65.69% power-added efficiency， 20 dB gain， and 10 W output. The measured results conform with the circuit simulations， and this proves that our design method is effective.

Key words： class-F power amplifier； two-stage； high efficiency； high gain switching-mode power amplifier

如今的移動(dòng)通信基站對降低能耗的要求越來越高，高效節(jié)能綠色基站已經(jīng)成為無線通信研究的焦點(diǎn)。在移動(dòng)通信基站中，射頻功率放大器（RFPA）耗去了85%以上的功率，因此高效率功率放大器（PA）是實(shí)現(xiàn)綠色基站的關(guān)鍵，開關(guān)類功率放大器（SMPA）正是實(shí)現(xiàn)高效率功率放大器的重要可選方案。SMPA的高效特性可以通過研究功放晶體管端口的電壓和電流波形特性得以實(shí)現(xiàn)，漏極電流和漏極電壓最小的重疊意味著最小的晶體管功耗和最高的效率。F類功率放大器，通過諧波濾波電路改變晶體管漏極電壓和電流波形來實(shí)現(xiàn)高的漏極效率[1]，理想F類PA的漏極電壓與電流沒有交疊，效率為100%。F類PA已成為具有代表性的高效率開關(guān)類放大器。

通信系統(tǒng)的末級功率放大鏈路的典型功率增益在40 dB左右，采用AB類驅(qū)動(dòng)級+末端功率放大級結(jié)構(gòu)。一般來說，末級功率放大器的效率、增益決定了整個(gè)功率放大鏈路的整體效率。單級開關(guān)功率放大器的典型功率增益為10 dB，效率為70%。若采用雙級開關(guān)功率放大器，將末端功率放大器的增益提高到了20 dB，效率維持70%，這樣對整個(gè)功率放大器鏈路的整體效率提升約10%左右，可以大大減小功率損耗。

同時(shí)，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）技術(shù)被證明在高效率、高功率射頻功率放大器的應(yīng)用上具有巨大的潛能，因?yàn)槠渚哂懈唠娮舆w移率、高功率密度、高擊穿電壓等特性。在過去的幾年中很多高效率E類、F類（逆F類）、J類，和逆D類GaN工藝射頻功率放大器已經(jīng)被報(bào)道[2-7]。GaN HEMT技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用于移動(dòng)通信基站的PA的首選方案。

1 F類功率放大器原理

F類PA使用輸出濾波器對晶體管漏端電壓或者電流中的諧波成分進(jìn)行控制，歸整晶體管漏端的電壓波形或者電流波形，使得它們沒有重疊區(qū)，以此減小開關(guān)的損耗，提高功率放大器的效率[1]。

理想F類PA的漏極電壓為方波，漏極電流為半正弦波（如圖1所示），且兩者的相位相差為λ/4，這樣功率放大器晶體管漏極的電壓波形和電流波形沒有交疊，晶體管上的功率損耗為零，漏極效率為100%。理想狀態(tài)下，F(xiàn)類PA晶體管漏極電壓波中只含基波分量和奇次諧波分量，電流波只含基波分量和偶次諧波分量，漏極輸出阻抗需要滿足如下關(guān)系式：

[Z1=8πVccIs Zn=0，n為偶數(shù) Zn=∞，n為奇數(shù)] （1）

實(shí)際電路設(shè)計(jì)中不可能滿足所有高次諧波阻抗的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)考慮到4次諧波阻抗的匹配時(shí)，F(xiàn)類PA的理論效率便能達(dá)到80%[1]。

另外，晶體管寄生參數(shù)的存在對F類PA的效率會(huì)產(chǎn)生很大的影響，特別是在高頻時(shí)，晶體管漏源電容（Cds）將會(huì)造成高次諧波短路到地，同時(shí)晶體管漏極的寄生電容和電感也會(huì)對PA的輸出諧波分量產(chǎn)生很大的影響，這些影響無疑加大了F類PA的設(shè)計(jì)難度。

2 雙級高效SMPA的設(shè)計(jì)

與仿真

根據(jù)上述的理論分析，我們選取Cree公司的GaN HEMT管CGH40010F設(shè)計(jì)了一款雙級高效PA，其前級為B類，后級為F類。

放大器偏置電路的設(shè)計(jì)要考慮晶體管的工作狀態(tài)、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性、損耗等因素。電路中直流偏置電路要為晶體管提供穩(wěn)定的工作電壓，同時(shí)阻止交流信號通過。該放大器的漏極偏置電路選取了傳統(tǒng)的λ/4微帶線結(jié)構(gòu)，λ/4微帶線在基頻時(shí)實(shí)現(xiàn)交流短路到交流開路的變換，在二次諧波時(shí)實(shí)現(xiàn)λ2/2（λ2為二次諧波的波長）的阻抗變換。與漏極直流偏置電路不同柵極直流偏置電路選取的并非傳統(tǒng)的λ/4微帶線結(jié)構(gòu)，而是選取有耗元件電阻饋電，相比λ/4微帶線結(jié)構(gòu)，其具有更好的穩(wěn)定性。

雙級PA的末級輸出電路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效率的關(guān)鍵，該雙級高效PA的末級輸出匹配電路采用了多級開路枝節(jié)線結(jié)構(gòu)，偏置電路的λ/4微帶線在2次諧波時(shí)轉(zhuǎn)化為λ2/2的短路枝節(jié)線，將2次諧波短路到地，實(shí)現(xiàn)了2次諧波的短路；λ/12的開路枝節(jié)線，在3次諧波時(shí)轉(zhuǎn)換為λ3/4（λ3為3次諧波波長）的短路枝節(jié)線，再經(jīng)過T型枝節(jié)轉(zhuǎn)換為開路，從而實(shí)現(xiàn)了3次諧波的開路；在4次諧波時(shí)，偏置電路的λ/4微帶線在4次諧波時(shí)轉(zhuǎn)化為λ4的短路枝節(jié)線，將4次諧波短路到地，實(shí)現(xiàn)了4次諧波的短路。電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

雙級高效PA的輸入匹配電路、級間匹配電路同樣采用多級開路枝節(jié)線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，同時(shí)輸入匹配電路采用了電阻電容（RC）諧振回路來提高晶體管的穩(wěn)定性。整體電路原理如圖3所示。

電路的電磁仿真結(jié)果如圖4所示，雙級高效PA在2.65 GHz頻率時(shí)的輸出功率能夠達(dá)到41.73 dBm，附加效率能夠達(dá)到73.80%。末級PA的漏極電壓電流波形如圖5所示，從圖中可以看出，該P(yáng)A的漏極電壓近似為方波，漏極電流近似為半正弦波，這與F類PA的漏極電壓電流波形相吻合。

3 雙級高效PA測試結(jié)果

PA的測試方案構(gòu)架如圖6所示，測試所用的儀器有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R&S ZVA40），功率計(jì)（R&S NRP2），頻譜儀（R&S FSV）等。

通過一系列的優(yōu)化調(diào)試，雙級高效功率放大器測試的結(jié)果如圖7所示，在2.65 GHz頻率，PA的附加效率達(dá)到65.69%，輸出功率可以達(dá)到40.5 dBm。2.6～2.7 GHz頻段內(nèi)，PA的最高附加效率為67.53%，輸出功率均大于約40 dBm，功率增益平坦度為±0.3 dB。

4 結(jié)束語

文章簡要介紹了F類PA的工作原理以及F類PA的設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)雙級高效PA，其前級驅(qū)動(dòng)PA為B類，后級PA為F類，整體效率在2.65 GHz時(shí)達(dá)到65%以上，輸出功率40 dBm。

參考文獻(xiàn)

[1] Raab F H. Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1997， 45（11）： 2007-2012. doi ： 10.1109/22.644215.

[2] Sigg A， Heck S， Brackle A， et al. High efficiency GaN current-mode class-D amplifier at 2.6 GHz using pure differential transmission line filters[J]. Electronics Letters， 2013， 49（1）： 47- 49. doi ： 10.1049/el.2012.3984.

[3] Lee Y S， Jeong Y H. A high-efficiency class-E GaN HEMT power amplifier for WCDMA applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2007， 17（8）： 622-624. doi： 10.1109/LMWC.2007.901803.

[4] Ramadan A， Reveyrand T， Martin A， et al. Two-stage GaN HEMT amplifier with gate-source voltage shaping for efficiency versus bandwidth enhancements[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 2011， 59（3）： 699-706. doi： 10.1109/TMTT.2010.2095033.

[5] Schmelzer D， Long S I. A GaN HEMT class F amplifier at 2 GHz with> 80% PAE[J]. Solid-state circuits， IEEE journal of， 2007， 42（10）： 2130-2136. doi： 10.1109/JSSC.2007.904317.

[6] Aflaki P， Negra R， Ghannouchi F M. Design and implementation of an inverse Class-F power amplifier with 79% efficiency by using a switch-based active device model[C]//Radio and Wireless Symposium， 2008 IEEE. IEEE， 2008： 423-426. doi： 10.1109/RWS.2008.4463519.

[7] Wright P， Lees J， Tasker P J， et al. An efficient， linear， broadband class-J-mode PA realised using RF waveform engineering[C]//Microwave Symposium Digest， 2009. MTT'09. IEEE MTT-S International. IEEE， 2009： 653-656. doi： 10.1109/MWSYM.2009.5165781.

雙級高效PA的輸入匹配電路、級間匹配電路同樣采用多級開路枝節(jié)線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，同時(shí)輸入匹配電路采用了電阻電容（RC）諧振回路來提高晶體管的穩(wěn)定性。整體電路原理如圖3所示。

電路的電磁仿真結(jié)果如圖4所示，雙級高效PA在2.65 GHz頻率時(shí)的輸出功率能夠達(dá)到41.73 dBm，附加效率能夠達(dá)到73.80%。末級PA的漏極電壓電流波形如圖5所示，從圖中可以看出，該P(yáng)A的漏極電壓近似為方波，漏極電流近似為半正弦波，這與F類PA的漏極電壓電流波形相吻合。

3 雙級高效PA測試結(jié)果

PA的測試方案構(gòu)架如圖6所示，測試所用的儀器有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R&S ZVA40），功率計(jì)（R&S NRP2），頻譜儀（R&S FSV）等。

通過一系列的優(yōu)化調(diào)試，雙級高效功率放大器測試的結(jié)果如圖7所示，在2.65 GHz頻率，PA的附加效率達(dá)到65.69%，輸出功率可以達(dá)到40.5 dBm。2.6～2.7 GHz頻段內(nèi)，PA的最高附加效率為67.53%，輸出功率均大于約40 dBm，功率增益平坦度為±0.3 dB。

4 結(jié)束語

文章簡要介紹了F類PA的工作原理以及F類PA的設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)雙級高效PA，其前級驅(qū)動(dòng)PA為B類，后級PA為F類，整體效率在2.65 GHz時(shí)達(dá)到65%以上，輸出功率40 dBm。

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雙級高效PA的輸入匹配電路、級間匹配電路同樣采用多級開路枝節(jié)線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，同時(shí)輸入匹配電路采用了電阻電容（RC）諧振回路來提高晶體管的穩(wěn)定性。整體電路原理如圖3所示。

電路的電磁仿真結(jié)果如圖4所示，雙級高效PA在2.65 GHz頻率時(shí)的輸出功率能夠達(dá)到41.73 dBm，附加效率能夠達(dá)到73.80%。末級PA的漏極電壓電流波形如圖5所示，從圖中可以看出，該P(yáng)A的漏極電壓近似為方波，漏極電流近似為半正弦波，這與F類PA的漏極電壓電流波形相吻合。

3 雙級高效PA測試結(jié)果

PA的測試方案構(gòu)架如圖6所示，測試所用的儀器有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（R&S ZVA40），功率計(jì)（R&S NRP2），頻譜儀（R&S FSV）等。

通過一系列的優(yōu)化調(diào)試，雙級高效功率放大器測試的結(jié)果如圖7所示，在2.65 GHz頻率，PA的附加效率達(dá)到65.69%，輸出功率可以達(dá)到40.5 dBm。2.6～2.7 GHz頻段內(nèi)，PA的最高附加效率為67.53%，輸出功率均大于約40 dBm，功率增益平坦度為±0.3 dB。

4 結(jié)束語

文章簡要介紹了F類PA的工作原理以及F類PA的設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)雙級高效PA，其前級驅(qū)動(dòng)PA為B類，后級PA為F類，整體效率在2.65 GHz時(shí)達(dá)到65%以上，輸出功率40 dBm。

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