高效率高諧波抑制功率放大器的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著無線通信的快速發(fā)展和廣泛普及，無線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)收發(fā)機(jī)的性能要求越來越高。功率放大器作為發(fā)射機(jī)的主要組成部分，其指標(biāo)決定著發(fā)射機(jī)的性能，如效率 決定著整機(jī)功耗，線性度決定著整機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，諧波分量大小又是發(fā)射機(jī)線性度的度量。傳統(tǒng)的功率放大器為了獲得較高效率，功放管通常會(huì)工作于飽和狀態(tài)，這 時(shí)將有大量的諧波分量產(chǎn)生。如果不對(duì)諧波分量加以回收和抑制，這不單會(huì)造成能量的浪費(fèi)，降低了其效率，還會(huì)對(duì)其他信道的信號(hào)造成干擾。

　　通常功率放大器為了獲得較高的效率和較低的諧波分量都使得功率放大器工作于F類，但該結(jié)構(gòu)需要采用λ/4傳輸線，占用空間面大，不利于小型化。采用了 低通輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于E類的功率放大器，在11 dBm輸入時(shí)的2～5階諧波分量分別為：-19 dBc、-30 dBc、-38.5 dBc、-41.7 dBc。但該結(jié)構(gòu)采用E類放大器，它要求功放管具有較高的集電極擊穿電壓，這與集成電路發(fā)展趨勢(shì)相違背。采用GaN工藝設(shè)計(jì)的功率放大器，為了 獲得較好的諧波性能，該設(shè)計(jì)在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中引入了兩根開路傳輸線，但開路傳輸線的使用使得該方法與現(xiàn)代電路向小型化、集成度高方向發(fā)展相違背。

　　本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、利于集成且具有諧波抑制功能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，利用該方法采用InGaP/GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于2 GHz頻率的功率放大器。測(cè)試結(jié)果表明，利用該方法設(shè)計(jì)的功率放大器獲得了較高的效率和很好的諧波性能。

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　一個(gè)典型的功率放大器通常由輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、放大電路、直流偏置電路和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成。然而對(duì)功率放大器性能起決定性作用的還是匹配網(wǎng)絡(luò)。它作為 功率放大器的重要組成部分，任何一個(gè)不合適的匹配網(wǎng)絡(luò)都可能會(huì)引起電路的不穩(wěn)定，導(dǎo)致功率放大器輸出功率小、效率低，惡化其線性度。設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在滿 足基本的阻抗變換的同時(shí)，還要兼顧到其諧波阻抗，插入損耗以及網(wǎng)絡(luò)的帶寬，最后還需要考慮所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)是否易于實(shí)現(xiàn)以及小型化。

　　1.1 具有諧波抑制功能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

　　輸出匹配網(wǎng)絡(luò)作為匹配網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分，決定著功率放大器的功率和效率，以及最終功率放大器的諧波性能。文獻(xiàn)[6-7]詳細(xì)說明了輸出匹配網(wǎng)絡(luò)二次諧 波阻抗對(duì)其效率的影響，但都忽略了高次諧波的影響。本文設(shè)計(jì)的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)在考慮二次諧波阻抗的同時(shí)，還兼顧了高次諧波阻抗，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其中C1起隔直作用，L1、C3和L5、C2構(gòu)成一個(gè)二級(jí)低通網(wǎng)絡(luò)，在基頻時(shí)主要起阻抗變換作用，在高階奇次諧波處呈現(xiàn)出高阻抗，C4和L4構(gòu)成一個(gè)串 聯(lián)LC諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率為2ω0，其中ω0為基頻，使得輸出網(wǎng)絡(luò)在二次諧波處得到一個(gè)短路的負(fù)載。該結(jié)構(gòu)類似于F類功率放大器[8]，對(duì)奇次諧波負(fù)載呈 現(xiàn)高阻抗，對(duì)偶次諧波負(fù)載呈現(xiàn)低阻抗，有利于對(duì)功放管的輸出電壓電流波形進(jìn)行整形，減小兩者之間的重合提高了效率[9]。同時(shí)為了對(duì)高次諧波能量進(jìn)行回收 和抑制，在該兩級(jí)LC低通匹配中加入了兩個(gè)電感L3和L2，它和C3、C2構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率分別為3ω0和5ω0，即分別對(duì)3次諧波和5次 諧波進(jìn)行處理。輸出匹配結(jié)構(gòu)的分析如下：對(duì)于功放管的負(fù)載，它的值大小與輸出功率的關(guān)系為：

　　為了獲得較好的網(wǎng)絡(luò)帶寬，兩級(jí)LC低通匹配網(wǎng)絡(luò)中間級(jí)的阻抗為：