大神教你高效率F類射頻功率放大器的研究與設計

1、引言

射頻功率放大器廣泛應用于各種無線通信發射設備中，隨著移動通訊服務的快速增長，對低耗、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計模塊之一。當前發展的第三代通信推動了對功放的更新，PA作為通信基站的核心部分，它的效率直接影響了整個基站的效率，因此研究解決功率放大器的效率問題成為當前研究的的熱點。F類放大器理論效率可以達到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構，包含一個晶體管，直流源，輸出匹配網絡，輸入匹配網絡。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，通過輸出網絡匹配到50 Ohms最佳負載。

圖1、功率放大器基本結構

F類放大器通過在輸出匹配網絡用諧波振蕩電路，從而在漏極負載出現對偶次諧波短路和奇次諧波開路來實現效率和輸出功率的共同推進。漏極電壓由奇次諧波構成，接近方形波形。而漏極電流包含基波和偶次諧波，近似一個半正弦波。因為在漏極電壓和電流之間沒有交疊，理想效率可以達到100%。

器件漏極100%理想漏極效率的阻抗條件是：

實現F類放大器的工作電壓和電流波形信號，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，表達式如下：

其中，

電壓波形達到最大值和最小值的中間點的位置分別在和。最小電壓時的最大平坦度要求在

偶階導數為0。由于，n為奇數時，奇階導數等于0必須定義上式給出的電壓波形的偶階導數。

3、理論分析和設計方法

理想F類功放表現為包含無限的協波，但是在設計中是不切實際的。例如：漏級源電容Cds 將產生大量的高次諧波在微波頻率短路。同樣，漏級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，許多諧波進入輸出網路需要實現在每個諧波頻率的阻抗，這將產生一個很復雜的電路和更多的輸出損耗，因此會使效率降低。由此，在很多設計中只考慮少量的諧波，如2，3次諧波。他們對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。這有助于設計師在設計時綜合考慮輸出網路的復雜程度和效率。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%，當只有基波頻率時電流和電壓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。

表1、F類功率放大器的最大效率

n =1n =3n =5n =∞

M=150%57.7%60.3%63.7%

M=270.7%81.7%85.3%90.0%

M=475%86.6%90.5%95.5%

m=∞78.5%90.7%94.8%100%

在只考慮2次和3次諧波的情況下，（3次諧波峰化），最大效率可以達到81.7%，包含3次諧波峰化輸出網絡電路如圖2a所示，在3f0用并聯的諧振器加在漏極輸出，提供2f0 短路和3f0開路，另外一個并聯諧振器與負載阻抗并聯，用來保證在f0 有最佳的負載，RL是最佳的漏級負載。

（2a） 3次諧波輸出網絡

（2b）

圖2、諧波輸出網絡

圖2b中給出了另外兩個可能的并聯諧振器電路和連接諧振器電路構造元件的初始值。另外還給了一個等效的微帶阻抗-峰化電路和他的初始原理值。能提供對于所有的偶次諧波短路和對3次諧波開路。然而，實際的F類PA的設計要復雜的多，因為有寄生電抗，非線性漏級電流Ids和非線性的Cgs，Cds圖3 中給的方程可以提供一個很好的F類放大器設計的出發點。

4、設計實例

本文在設計F類放大器時，對輸出諧波調諧，當輸入網絡在柵極輸入提供共軛匹配時輸出網絡提供了偶次諧波短路和奇次諧波開路，輸出匹配網絡使在漏級輸出端獲得基波的最佳負載。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晶體管的寄生參數來額外修正，其余都可根據基板參數和頻率計算出實際微帶線的尺寸。

設計采用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，輸入網絡是同頻率B類工作模式下設計的，柵極電壓VGS =-2.5V，漏極電壓VDS=28V。ADS仿真結果最大PAE為84%，實現電路及測試架如圖3所示。

圖3、測試電路實物及測試架圖

初步試驗測量結果最大功率附加效率65.5%，通過進一步調節電路以及輸入輸出端電容得到PAE為70.32%。略低于仿真結果，但已經獲得了較高的效率，效率偏低的原因有很多種，測量器件的改進以及對電路的再次調整可能會進一步有效的提高電路的效率。

本設計最終在中心頻率1.25GHz實際測量所得結果如圖4所示。與目前國內外高效率放大器相比，在保證輸出功率的基礎上實現了較高的效率，在F類放大器實現電路上取得了較好的成功。

圖4、相對輸入功率的輸出功率和PAE

5、結束語

本文對F類功率放大器的理論進行了研究，分析了其電路工作原理和試驗設計方法。并通過一種新型F類放大器的設計和試驗證實了實現高效率，高功率工作的可能。實際測試中在沒有進行調節的情況下已經達到65.5%的功率附加效率，由于在調節的過程中影響效率的因素沒有準確的依據，故而調節過程難度較大，最終實現了PAE大于70%，輸出功率達到10W。