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1、 1636 F 类功率放大器的高效率研究与设计 倪 春 汪 玲 吴先良 （安徽大学 电子科学与技术学院，安徽 合肥 230039） 摘 要：F类射频功率放大器是一种新型高效率的放大器，理论效率可以达到100%，在移动通信领域有着广 阔的发展前景。通过介绍F类功率放大器的电路结构、工作原理，并对效率进行了分析。最后在S波段对电 路进行了设计和试验，实测结果和仿真结果基本吻合 ,验证了研究结果的一致性。 关键词: F类功率放大器,高效率，S波段 Research and Design of Class F RF Power Amplifier with High Efficiency Perfor
2、mance Ni Chun ，Wang ling， Wu Xian Liang (School of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039, China) Abstract：Class F RF power amplifier is a new high efficiency amplifier,of which the theoretical efficiency can achieve 100%, has broad prospect in the mobile communication fie
3、ld. This paper introduced Class F power amplifiers circuit structure, the principle of work and provided the efficiency analysis.The circuit is designed and tested at the S band，It is confirmed that the experimental results were found to be in good agreement with simulated results。 Keywords: Class F
4、 power amplifier，high efficiency，S- band 1 引言 随着移动通讯服务的快速增长，对低耗，高效， 体积小的要求也迅速增加。 众所周知，RF功放 （PA） 是射频传输和最大的功率损耗中众多设计模块之 一。 在上个世纪70年代GaAs金属半导体场效应管 的良好的RF性能使得X波段的应用成为可能，并 导致了RF/微波领域研究的彻底革命，GaAs单片微 波集成电路带来综合性能使其成为芯片和军用电报 以及高频市场的主流。 金属氧化物半导体器件在80年代出现开始在电 子学领域产生了一个重大的冲击，在过去的10年中 半导体工具达到3um科技节点。如今的CMOS使得 两级
5、技术竞争激烈。 硅测向扩散MOS设计广泛用于 全球移动通信系统和数字交叉互联系统基站中的功 放。90年代开始大量新的固态设计包括高电子牵引 率晶体管HEMTs，pHEMTs， 异质双级晶体管HBTs， 很多新的材料的诞生，如InP，SiC和GaN等。这些 技术使得频率放大到100GHz甚至更高， 同时也增加 了MMIC形态。今天固态PA广泛运用于很多系统， 如通信系统，雷达系统，导航系统，广播，RF加热， 磁共振成像，激光驱动，直流转炉。 本文首先介绍了F类放大器的基本原理。新近 的理论的进展和设计技术的发展。解释说明了F类 放大器设计的方法，并通过设计仿真图和试验测试 数据加以论证， 实现了
6、对F类放大器的最终设计， 实验设计电路的测试效率高达70%以上。 2 理想 F 类放大器的基本原理 如图1所示，给出了功放的基本结构。其中包 含一个驱动装置，直流源，输出匹配网络，输入匹 配网络。驱动受控于驱动器，直流偏置作为直流源。 1637 驱动装置可以是FET或者是BJT，本文以FET为例 来说明。直流漏极电流用补偿电压V d通过RF扼流 圈来补偿。输出网络匹配到50Ohms最佳漏极负载。 输入匹配网络输出匹配网络 50欧 Vd S 图 1 F 类放大器的基本结构 F类PA通过在输出匹配网络用谐波振荡电路行 成漏极波形在负载出现偶次谐波短路和奇次谐波开 路来实现效率和输出功率共同推进。漏
7、极电压由奇 次谐波构成，接近方形波形。而漏极电流波包含基 波和偶次谐波，近似一个半正弦波。因为在漏极电 压和电流之间没有交叠，理想的效率为100%。反F 类电流，电压波形交换，漏极电压波形近似半个正 弦波，漏极电流近似为方波。理想F类放大器的输 出端工作电流与电压波形如图2- 1和图2- 2所示： 图 2- 1 理想 F 类电流波形 图 2- 2 理想 F 类电压波形 器件集电极100%理想集电极效率的阻抗条件是： 为奇数 为偶数 n nZ I V RZ n n S CC ,Z ,0 8 11 = = = 实现F类放大器的工作电压和电流波形信号， 可使用奇次谐波来近似方波，偶次谐波来近似半正
8、弦电流波形，表达式如下： cc1n n 3,5,7,. 01n n 2,4,6,. ( )VV *sinV sinn i( )II sinI cosn = = =+ = 其中，是基波频率 0000 ,2,fft= 电压波形达到最大值和最小值的中间点的位置 分别在 2 =和 3 2 = 。 最小电压时的最大平坦度 要求在3 2 = 偶阶导数为 0。由于cos(n )0 2 = ，n 为奇数时，奇阶导数等于 0 必须定义上式给出的电 压波形的偶阶导数。 3 理论分析和设计方法 理想 F 类功放表现为包含无限的协波，但是在 设计中是不切实际的。例如：漏级源电容 Cd s 将产 生大量的高次谐波在微波
9、频率短路。同样，漏级输 出的寄生电容和电感使得几乎不可能生成偶次谐波 短路和奇次谐波开路。通常，许多谐波进入输出网 路需要实现在每个谐波频率的阻抗，这将产生一个 很复杂的电路和更多的输出损耗，因此会使效率降 低。由此，在很多设计中只考虑少量的谐波。在只 考虑 2 次和 3 次谐波的情况下，最大效率可以达到 81.7%，如图 3a 所示，在 3f0用并联的谐振器加在漏 极输出，提供 2f0 短路和 3f0 开路，另外一个并联谐 振器与负载阻抗并联， 用来保证在 f0 有最佳的负载， RL是最佳的漏级负载。 RL C3 L3 C0 L0 Vd Input S dc Dlock 图 3a 谐波输出网
10、络 1638 下图 3b 给出了一个等效的微带阻抗- 峰化电路 和他的初始原理值。能提供对于所有的偶次谐波短 路和对 3 次谐波开路。然而，实际的 F 类 PA 的设计 要复杂的多。 6 , ) 3 1 (tan 3 1 , 2 3 00 1 21 = out CZ 图 3b 等效微带电路 4 设计实例 本文在设计 F 类放大器时，仅对输出谐波进行 了调谐，当输入网络在栅极输入提供共轭匹配时输 出网络提供了偶次谐波短路和奇次谐波开路，输出 网络使在漏级输出端获得基波的最佳负载。 ADS 仿真使用 Cree proprietary GaN HEMT CGH40010F， 中心频率为 2.35GH
11、z， 带宽为 100MHz， 输入信号功率 28dBm, 基板材料为 RT6002， Er=2.94， 板厚 0.508mm， 输入网络是同频率 B 类工作模式下设 计的，栅极电压 VGS =- 2.5V，漏极电压 VDS=28V，暂 时不考虑输入端谐波抑制的前提下，可以在谐振回路 最优化之后进行尺寸调整，输入电路如下图 4 所示： Port P2 Num=2 MLIN TL12 L=L7 mm W=W5 mm Subst=MSub1 MTEE_ADS Tee1 W3=W3 mm W2=W2 mm W1=W2 mm Subst=MSub1 MLIN TL2 L=L8 mm W=W3 mm Su
12、bst=MSub1 MTEE_ADS Tee2 W3=W3 mm W2=W3 mm W1=W3 mm Subst=MSub1 MLIN TL16 L=L10 mm W=W3 mm Subst=MSub1 MRSTUB Stub1 Angle=70 L=2.5 mm Wi=W3 mm Subst=MSub1 Port P3 Num=3 MLIN TL3 L=L6 mm W=W2 mm Subst=MSub1 MSTEP Step1 W2=W2 mm W1=W6 mm Subst=MSub1 MLIN TL15 L=L3 mm W=W6 mm Subst=MSub1 MLOC TL13 L=L9
13、mm W=W7 mm Subst=MSub1 sc_atc_100_CDR12BG_F_19960828 C2 PART_NUM=ATC100A101FP150 100pF Port P1 Num=1 MLIN TL10 L=L1 mm W=W1 mm Subst=MSub1 MSTEP Step2 W2=W6 mm W1=W1 mm Subst=MSub1 MLIN TL14 L=L2 mm W=W6 mm Subst=MSub1MTEE_ADS Tee3 W3=W7 mm W2=W6 mm W1=W6 mm Subst=MSub1 图 4 输入电路结构 优化电路结构，加入阻抗变换进行匹配，
14、得到 输出电路最终的结构如图 5 所示。这里因为进入了 隔直电容等非稳定因素，需要其他电路部分来调和 它所带来的影响。此时，谐振器、匹配电路以及偏 置电路已经是个统一的整体，彼此之间都会有影响， 通过调谐工具对电路的参数进行调谐，综合考虑效 率、输出功率、增益平坦度、电压电流波形以及最 终电路的尺寸。 Port P1 Num=1 MLIN TL1 L=L1 mm W=W1 mm Subst=MSub1 MSTEP Step1 W2=W2 mm W1=W1 mm Subst=MSub1 MLIN TL10 L=L2 mm W=W2 mm Subst=MSub1 Port P2 Num=2 sc_
15、atc_100_CDR12BG_F_19960828 C2 PART_NUM=ATC100A101FP150 100pF MRSTUB Stub1 Angle=70 L=2.5 mm Wi=W3 mm Subst=MSub1 MLIN TL9 L=L10 mm W=W6 mm Subst=MSub1 MLIN TL5 L=L5 mm W=W3 mm Subst=MSub1 Port P3 Num=3 MTEE_ADS Tee3 W3=W3 mm W2=W3 mm W1=W3 mm Subst=MSub1 MLIN TL7 L=L7 mm W=W3 mm Subst=MSub1 MSOBND_M
16、DS Bend4 W=W3 mm Subst=MSub1 MLIN TL6 L=L6 mm W=W3 mm Subst=MSub1 MSOBND_MDS Bend3 W=W3 mm Subst=MSub1 MSOBND_MDS Bend2 W=W3 mm Subst=MSub1 MLIN TL4 L=L4 mm W=W3 mm Subst=MSub1 MSOBND_MDS Bend1 W=W3 mm Subst=MSub1 MTEE_ADS Tee2 W3=W4 mm W2=W5 mm W1=W5 mm Subst=MSub1 MSTEP Step3 W2=W6 mm W1=W5 mm Subst=MSub1 MLIN TL8 L=L8 mm W=W5 mm Subst=MSub1 MSTEP Step2 W2=W5 mm W1=W2 mm Subst=MSub1 MTEE_ADS Tee1 W3=W3 mm W2=
