鄧正森 陳 羽

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

高效率逆F類功率放大器設(shè)計(jì)

鄧正森 陳 羽

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

高功率放大器效率一直以來是功放設(shè)計(jì)力求突破的方向之一。文章采用逆F類設(shè)計(jì)方法，深入分析了逆F類工作原理及設(shè)計(jì)重難點(diǎn)，給出了設(shè)計(jì)實(shí)物及測試結(jié)果。在平均功率輸出30W情況下，效率較AB類功放提高8%。

功率放大器；逆F類； 高效率；線性度

（一）逆F類功率放大器原理

F類功率放大器就是基波和諧波負(fù)載阻抗用短路端阻抗和開路峰值來控制器件集電極（或漏極）電壓和電流波形，以得到最大的效率。通過使用具有無耗傳輸線與具有無限品質(zhì)因數(shù)的諧振回路相串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)集電極方波電壓和半正弦波電流波形。工作于理想F類的放大器具有100%的集電極效率。

逆F類功率放大器具有與F類功率放大器相反的電壓電流波形——方波電流與半正弦波電壓，如圖 1所示。在這種情況下，最大輸出電流波形幅度較小，減小了由于寄生電阻引起的兩端電壓以及集總參數(shù)電感上的損耗。

圖1 逆F類的理想電流和電壓波形

逆F類功率放大器基波電流和電壓分量分別由下式確定：

基波功率如下：

在這種情況下，理想的逆F類集電極效率可達(dá)100%，因?yàn)殡娏骱碗妷褐g無交疊部分。100%理想集電極效率下的器件集電極阻抗條件必須是

理想逆 F類功率放大器不能僅用一段傳輸線提供電壓三階和高階奇次諧波短路終端，這一點(diǎn)與傳統(tǒng) F類功率放大器僅用一段傳輸線實(shí)現(xiàn)偶次諧波短路終端不同。圖2為逆F類等效輸出阻抗峰化電路。

圖2 等效傳輸線匹配電路

逆F類基頻分量下傳輸線的電長度，如下式所示：

公式（1）給出了理想F類工作的電壓與電流波形。由傅里葉分析可知奇次諧波的總和構(gòu)成了方波電壓，基波和偶次諧波的總和近似為半個(gè)正弦電流形狀。時(shí)域上沒有交疊的電壓、電流波形決定了100%集電極效率。隨著工作頻率的提高，實(shí)際F類和逆F類功率放大器輸入輸出匹配電路設(shè)計(jì)時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)對超過三次的諧波進(jìn)行合理的短路或峰化設(shè)計(jì)。

（二）逆F類功率放大器的仿真設(shè)計(jì)

1.輸入匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)FREESCALE公司MRF7S27130的技術(shù)資料，在ADS仿真軟件中進(jìn)行 SOURCE-PULL 仿真獲得最佳源阻抗ZS=4.2+j*0.8 。輸入匹配仿真電路設(shè)計(jì)及S參數(shù)仿真如圖3、圖4所示：

圖3 逆F功率放大器輸入匹配電路

圖4 輸入匹配電路S參數(shù)仿真

2.輸出匹配電路設(shè)計(jì)

根據(jù)逆 F類功率放大器的原理，輸出匹配電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。根據(jù)MRF7S27130的技術(shù)資料及LOAD-PULL技術(shù)確定最佳負(fù)載阻抗ZL=2.76+j*4.084。同時(shí)要通過短支截線實(shí)現(xiàn)偶次諧波開路及奇次諧波短路，以達(dá)到晶體管漏極輸出電壓半正弦波及漏極輸出電流方波的目的。由于晶體管的工作于2.6GHZ頻段，各次諧波均有較的頻率，力爭做到對其二次諧波及三次諧波的控制。仿真過程中要通過 SMITH-CHART準(zhǔn)確控制二次諧波點(diǎn)開路，三次諧波短路。圖5、圖6和圖7是仿真電路圖及仿真結(jié)果：

圖5 逆F類功率放大器輸出匹配電路

圖6 輸出電路S參數(shù)結(jié)果

圖7 輸出電路S參數(shù)Smith Chart 結(jié)果

（三）逆F類功率放大器制作與實(shí)測結(jié)果

選Freescale公司MRF7S27130 LDMOS 管，基板選材羅杰斯-4350，介電常數(shù) 3.48，板厚道 0.508mm，銅厚 0.05mm。為了增強(qiáng)功率放大器的散熱及良好的接地性能設(shè)計(jì)純銅底座一個(gè)。

輸出匹配電路及柵極偏置將是逆 F類功率放大器調(diào)試的重難點(diǎn)所在，為此設(shè)計(jì)者務(wù)必反復(fù)實(shí)驗(yàn)以獲得逆 F類放大器的最佳性能參數(shù)。以下圖表是逆 F類放大器的實(shí)物圖及測試結(jié)果。

圖7 逆F類放大器實(shí)物

圖8 AB類與逆F類漏極效率比較圖

圖9 AB類與逆F類二次三次諧波抑制比較圖

（四）結(jié)論

通過仿真及實(shí)物驗(yàn)證，在大功率輸出情況下逆 F類功率放大器獲得了比AB類功率放大器高的效率。但大功率開關(guān)模式放大器都帶來線性度較差的問題，這需要設(shè)計(jì)都在線性度與效率之間做出權(quán)衡。

[1]Doherty W H..A new high efficiency amplifier for modulated waves.Proc. IRE, vol.24, Sept. 1936,pp.1163-1182.

[2]張玉興.射頻微波功率放大器[M].電子工業(yè)出版社,2006.

[3]2.A.Maekawa,T.Yamamoto,E.Mitani and S.Sano.A 500 W Push Pull AlGaN/GaN HEMT Amplifier for L-band High Power Application.2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest,pp.722-725.

TN722.7+5

A

1008-1151(2011)04-0018-02

無線通信技術(shù)的發(fā)展對大功率射頻發(fā)射前端需求的提高，加劇了通信系統(tǒng)線性度與效率之間的矛盾。雖然當(dāng)前新的技術(shù)和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，GaN HEMT 以及HBT晶體管開始在應(yīng)用于無線通信系統(tǒng) ，但因其昂貴的價(jià)格、穩(wěn)定性、偏置電壓等諸多因素的制約，還未成為主流設(shè)計(jì)產(chǎn)品。LDMOS 晶體管作為當(dāng)前主流功率放大晶體管，功率等級也不斷提高。隨著輸出功率的提高，要求設(shè)計(jì)者采用合適的放大結(jié)構(gòu)在功率回退的基礎(chǔ)之上維持線性度與效率之間平衡，諸如：DOHERTY 結(jié)構(gòu)等。

本文采用LDMOS晶體管，設(shè)計(jì)逆F類功率放大器，在維持一定線性度的情況下提高效率達(dá)8%。

2011-02-06

鄧正森（1981－），男，湖北武漢人，電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院在讀碩士，研究方向射頻微波電路與系統(tǒng)。