基于SiC器件的高效E類功率放大器

1 引言

近年來各種通信技術(shù)迅猛發(fā)展，如何提高通信系統(tǒng)的效率成為重要的研究課題。射頻功率放大器是通信系統(tǒng)中消耗功率最多的器件，尤其在無線通信基站和衛(wèi)星通信等應(yīng)用領(lǐng)域中，提高射頻功放的效率可大大降低系統(tǒng)的消耗和節(jié)約能源，因此各種高效率功率放大器成為人們研究的熱點(diǎn)。作為高效率功率放大器的一種，E類功率放大器的基本模型最早由NATHAN O. SOKAL和ALAN D. SOKAL于1975年在文獻(xiàn)中提出。E類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)簡單，工作原理是把晶體管作為一種開關(guān)使用，使得漏極電流和電壓正交，繼而漏極消耗的功率為零，因此理論上的漏極效率可以達(dá)到100%。

早期的E類功放都是由集總參數(shù)元件所構(gòu)成，但在微波頻段，集總參數(shù)元件損耗較大而不再適用，于是發(fā)展出了用微帶線替代集總參數(shù)元件的微帶E類功率放大器，微帶E類功放不但效率高，還能很好的抑制諧波能力，因此在微波頻段中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)E類功率放大器的理論研究不斷深入，許多中分析和設(shè)計(jì)方法被提出，E類功放的電路結(jié)構(gòu)得到不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，E類功放的效率和性能也得到很大提高。此外，隨著新型半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展，尤其是SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，E類功放的效率也得到進(jìn)一步的提升。本文采用SiC MESFET作為有源器件設(shè)計(jì)一個(gè)E類功率放大器，用ADS軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，并對(duì)實(shí)際電路板進(jìn)行了測(cè)量，最后給出了仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析。

2 E類功放原理

E類功率放大器的原理就是讓晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，使得晶體管漏極的電壓和高流不同時(shí)出現(xiàn)，理論上漏極消耗的功率為0，則漏極效率可以達(dá)到100%。圖1是典型的E類功率放大器原理圖，其中RFC為高頻扼流圈，S為等效晶體管開關(guān)，Cshunt是晶體管的寄生輸出電容和附加電容的總電容，L和C組成理想串聯(lián)諧振回路，jX是補(bǔ)償電抗，保證晶體管的漏極電壓和漏極電流正交，R為等效負(fù)載電阻。這是集中參數(shù)元件構(gòu)成的E類放大器，但在射頻頻段，微帶線更適合應(yīng)用于E類功放的設(shè)計(jì)中，本文研究的功放是工作在L頻段，所以其中的高頻扼流圈，串聯(lián)諧振回路，補(bǔ)償電抗，輸入和輸出阻抗匹配均采用微帶線實(shí)現(xiàn)。

圖1 E類功率放大器原理圖

3 晶體管直流工作特性

SIC MESFET具有很高的反向擊穿電壓，結(jié)電容很小，還有很好的熱傳導(dǎo)性。基于以上這些優(yōu)點(diǎn)，近年來，SIC MESFET在各種類型的功率放大器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。由CREE公司生產(chǎn)的SIC 器件CRF24010 和CRF24060是第一批商用化的SIC器件，它們的工作頻率可以達(dá)到2.5GHz的上限。綜合考慮以上各種因素，本文選擇了CREE公司生產(chǎn)的SIC MESFET器件CRF24060作為功放電路的有源器件。

直流偏置電壓不僅能確保功放工作在所需的工作狀態(tài)，還會(huì)對(duì)功放的最佳匹配負(fù)載和效率等參數(shù)產(chǎn)生影響。為了找到最佳直流電壓值，使功放的效率達(dá)到最大，對(duì)晶體管的直流工作特性進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 晶體管直流工作特性

4 輸入輸出匹配電路

輸入阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)使用ADS的Smith Chart插件在Smith圓圖上直接設(shè)計(jì)匹配電路，這種方法操作起來簡單方便，設(shè)計(jì)過程也很直觀。先用ADS仿真軟件導(dǎo)入CRF24060的大信號(hào)仿真模型，用S參數(shù)仿真器得到?jīng)]有輸入匹配阻抗時(shí)的S11參數(shù)，然后利用ADS的單短線匹配工具設(shè)計(jì)電路，生成可以將阻抗值變換會(huì)50歐姆的匹配電路，最后進(jìn)行手工調(diào)節(jié)，得到輸入匹配電路如圖3所示。

輸出匹配電路的作用不僅是對(duì)輸出阻抗進(jìn)行匹配，還需對(duì)漏極的電壓和電流進(jìn)行相位調(diào)整，使得漏極電流和漏極電壓不同時(shí)出現(xiàn)，使兩者正交。在本文中先使用理想E類功放的經(jīng)典設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)出一個(gè)初步的匹配網(wǎng)絡(luò)，然后再進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，使電路達(dá)到最佳匹配。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8][9]可知，微帶E類功放在工作頻率處的最佳阻抗為：

(1)

并聯(lián)電容為

(2)

此處f取中心頻率1GHz,，由CREE公司提供的數(shù)據(jù)顯示CRF24060的Cds=5pF，于是Cshunt取5pF。代入公式(3)計(jì)算可得RL=5.8Ω，X=6.7Ω

至此，已經(jīng)算得輸出阻抗匹配電路所需的元件值。接下來利用ADS的單短線匹配工具設(shè)計(jì)出阻抗為5.8+j6.7的負(fù)載，并將之變換到50Ω，最后得到的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 完整的ADS仿真電路圖

5 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用諧波平衡法對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。首先要驗(yàn)證功率放大器是否工作在E類狀態(tài)，這可以從晶體管漏極電流和電壓是否正交來確定。圖4是仿真得到的漏極電壓和電流的曲線，晶體管的漏極電流和電壓的峰值不同時(shí)出現(xiàn)，符合E類功放的工作條件。兩個(gè)波形的正交性并不理想，這主要是因?yàn)檩敵鲎杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)所帶來的偏差。[!--empirenews.page--]

圖4功放漏極電流和漏極電壓的曲線

依據(jù)仿真電路圖，采用介電常數(shù)為2.65高頻板材的制作實(shí)際電路版圖，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中采用了RFHIC公司生產(chǎn)的RFC1G18H4-24芯片作為前極驅(qū)動(dòng)放大器，使待測(cè)功率放大器的輸入功率可以達(dá)到34dBm，測(cè)量中所用的衰減器的大小為32.5dBm。本文使用Maxim公司生產(chǎn)的MAX868芯片，給電路提供所需的負(fù)偏置直流電壓，經(jīng)過仿真分析和調(diào)試優(yōu)化，選擇-9V電壓作為電路的負(fù)偏置電壓。

將功放的工作頻率設(shè)為1GHz，在恒定輸入功率為2.5W的情況下，改變功放的工作電壓，研究功放的輸出功率，漏極效率和附加效率相應(yīng)的變化，得到的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖6，圖7和圖8所示。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上是保持一致的，實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)要稍微低于仿真得出的數(shù)據(jù)，這是由于高頻板材的不理想所造成。

圖5 實(shí)際制作的E類功率放大器

從圖6可看出，功放的輸出功率隨著工作電壓的增大而增大，在35V時(shí)，仿真的輸出功率達(dá)到47W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也達(dá)到了32.5W。圖7顯示，漏極效率的曲線基本是平穩(wěn)的，說明輸出功率受工作電壓的影響不大，仿真結(jié)果在75%左右波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在60%左右波動(dòng)，其中在工作電壓為15V時(shí)，可以達(dá)到最大效率68%。圖8所示的是附加效率曲線，可以看到在10V到35V范圍內(nèi)功放的附加效率呈現(xiàn)出很好的平坦性，這可以給功放的實(shí)際應(yīng)用帶來很大的便利。

圖6 輸出功率隨工作電壓的變化曲線

圖7 漏極效率隨工作電壓的變化曲線

圖8 附加效率隨工作電壓的變化曲線

6 結(jié)論和展望

本文設(shè)計(jì)，仿真并制作了基于SiC MESFET器件的L波段E類功率放大器，輸入輸出阻抗匹配電路均采用微帶線實(shí)現(xiàn)。在工作電壓設(shè)為35V，輸入功率為2.5W的情況下，實(shí)際測(cè)量的輸出功率可以達(dá)到32.5W，在頻率為900MHz附近，漏極效率可以達(dá)到64%，增益可以達(dá)到10dBm。從以上特性可以看出，基于SiC器件的E類功放具有很好的性能，在新一代的無線通信中將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。