高效率F類射頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)

　　(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。能提供對于所有的偶次諧波短路和對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 相對輸入功率的輸出功率和PAE

　　6 結(jié)束語

　　本文對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。