F類功率放大器漏極電壓研究

摘要 F類功率放大器實(shí)現(xiàn)高效率的基本原理，是利用輸出濾波器控制漏極輸出的電壓或電流波形?；谶@一點(diǎn)，文中首先理論分析了在不同諧波比例下的漏極電壓波形，然后利用電磁仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，僅有三次諧波和基波組合在一起時(shí)，當(dāng)三次諧波和基波電壓比K=0．111時(shí)，漏極電壓波形最平坦；當(dāng)K接近0．4時(shí)，漏極電壓波形趨于方波。最后選擇合適的諧波比例，設(shè)計(jì)了一款功率附加效率最大值達(dá)到88．074％的F類功率放大器。
關(guān)鍵詞 F類；功率放大器；漏極電壓；功率附加效率

    近年來(lái)，無(wú)論在全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)等民用領(lǐng)域，還是在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等軍用領(lǐng)域，射頻功率放大器作為這些系統(tǒng)中的前端器件，對(duì)其低耗、高效、體積小的要求迅速增加。
    眾所周知，功率放大器是射頻電路眾多模塊中功率損耗最大的，作為系統(tǒng)的核心和前端部分，它的效率將直接影響系統(tǒng)效率，因此效率問(wèn)題成為現(xiàn)代功率放大器的研究熱點(diǎn)。在大多數(shù)功率放大器中，功率損耗的主要是晶體管損耗，主要由電壓和電流產(chǎn)生的，從而提出開(kāi)關(guān)類功率放大器，主要有D類，E類和F類。其中F類功率放大器專門設(shè)計(jì)一個(gè)諧波網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)漏極電壓和電流波形控制。理論上，F(xiàn)類功率放大器的漏極效率為100％，被稱為新一代功率放大器。

1 F功率類放大器的工作原理
    傳統(tǒng)功率放大器由于輸出電路上的功率消耗，其工作效率很低。為增加傳統(tǒng)功率放大器的工作效率，理想的F類功率放大器使用輸出濾波器對(duì)晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分進(jìn)行控制，歸整晶體管輸出的電壓和電流波形。從而實(shí)現(xiàn)集電極電流的角度參數(shù)為90°，即保持集電極波形為半個(gè)正弦波，集電極電壓波形為方波，并且兩者的相位差是λ／4，這樣集電極電壓和電流的波形就沒(méi)有交疊區(qū)，從而達(dá)到100％的理想效率。
    100％理想集電極效率的阻抗條件應(yīng)是
   
    滿足上述的阻抗條件實(shí)現(xiàn)的理想F類功率放大器的電壓和電流波形如圖1所示。

    此時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一個(gè)占空比為50％的方波信號(hào)，晶體管可近似作為一個(gè)理想開(kāi)關(guān)，晶體管輸出的電壓波形中包含各奇次諧波成分。流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流中僅包含有基頻頻率成分和各高階偶次諧波成分。這樣由奇次諧波的總和來(lái)近似方波的電壓波形，基波和偶次諧波的總和來(lái)近似半正弦波的電流波形。從而得到電壓和電流表達(dá)式如下
   

2 F類功率放大器的漏極電壓分析
    F類功率放大器設(shè)計(jì)的基本原理是控制晶體管漏極的諧波電壓和電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)漏極電壓為方波信號(hào)，電流為半正弦波信號(hào)，這也是實(shí)現(xiàn)高效率的根本原因。
    然而，在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中難以對(duì)所有諧波都進(jìn)行控制的理想F類模式，增加考慮諧波的次數(shù)會(huì)在較大程度上增加設(shè)計(jì)的難度，并且效率的提高并不明顯。在只考慮2次和3次諧波的情況下，最大效率可達(dá)81．7％。因此在分析中，只考慮3次以內(nèi)的諧波。
    僅有3次諧波和基波組合在一起時(shí)，漏極電壓如式(4)所示

    式(4)即為在只考慮3次諧波時(shí)，通過(guò)1，3次諧波的電壓波形合成方波，若令K=V3／V1，下面分析不同K值下，如何由各次諧波信號(hào)合成方波。
   

    將V1歸一化，利用Matlab做出上述理論分析3種情況下的曲線圖，如圖2所示。

    由圖2可以看出，在只考慮3次諧波的情況下，當(dāng)K=0．111時(shí)，波形最平坦，與文獻(xiàn)中所述3次諧波峰化時(shí)的最平坦波形理論一致。當(dāng)K在(0，0．4)之間，小于但接近V1。當(dāng)K接近0．4時(shí)，Vpk接近V1，趨向于方波。這就意味著即使不改變直流輸入功率，不需要改變所有的漏極電壓，只改變K值也可以改變電路輸出，從而影響整體的性能。這樣就可以通過(guò)改變K值，改變電壓和電流曲線，提高整個(gè)電路的輸出功率和效率，這也是F類結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。
    為了更好地驗(yàn)證上述理論，使用電磁仿真軟件，調(diào)整不同的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)K值分別為0．111、0．196和0．328的漏極電壓波形，結(jié)果如圖3所示。

    圖3是將一次諧波輸出電壓V1歸一化后得到的仿真結(jié)果，圖中標(biāo)示的m1、m2、m3分別是歸一化后的漏極輸出各次諧波電壓峰值。從圖中可以看到，在3次諧波輸出電壓V3分別為0．111、0．196和0．328時(shí)，由漏極輸出1次和3次諧波合成的電壓Vd都<V1。
    其中，當(dāng)K=0．111時(shí)，Vd的峰值是0．889，和理論上的K=0．111時(shí)Vpk=0．889V1一致，而且波形最平坦；當(dāng)K=0．328接近理論分析中的0．4時(shí)，Vd=0．987接近V1，波形同樣趨向于方波。可以看出，所有的仿真結(jié)果和理論基本一致。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例
    采用Cree公司10 W的GaN HEMT CGH40010，Rogers公司的RT5870基板，基板材料Er=2．33，基板厚度為0．79 mm，基頻1 GHz，工作偏置點(diǎn)選為Vds=28V，Vgs=-2．5V。
    在此次設(shè)計(jì)中，改變傳統(tǒng)的F類功率放大器只考慮輸出諧波的控制，同時(shí)考慮輸入諧波控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
輸入和輸出2、3次諧波控制網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

    設(shè)計(jì)重點(diǎn)在諧波電路的優(yōu)化方面，調(diào)整不同的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)K值在(0，0．4)之間。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，還要考慮其他次諧波的影響，最終兼顧輸出效率和輸出功率等，優(yōu)化后選定K=0．24，并得到優(yōu)化的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

    從圖5可以看出，輸出電壓和電流波形分別趨向于方波和半正弦波。如圖6所示，最大的PAE達(dá)到88．074％，此時(shí)輸出為39．209 dBm，實(shí)現(xiàn)了高效率的F類功率放大器。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中對(duì)F類功率放大器進(jìn)行了一系列理論研究，重點(diǎn)對(duì)漏極電壓方波的形成進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。在只考慮3次諧波時(shí)，K在(0，0．4)之間時(shí)，漏極電壓的波形接近于方波。其中當(dāng)K=0．111時(shí)，漏極電壓波形最平坦；當(dāng)K接近0．4時(shí)，漏極電壓波形趨向于方波。最后選擇合適的K值，在2次和3次諧波控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了F類功率放大器的設(shè)計(jì)。
    最終優(yōu)化設(shè)計(jì)的F類功率放大器，K=0．24，在輸入25 dBm時(shí)，PAE達(dá)到最大值88．074％，此時(shí)輸出39．209 dBm。此次設(shè)計(jì)的F類放大器實(shí)現(xiàn)了高效率、高增益、高輸出功率、低損耗等要求。