於建生,桑 磊,孫世滔,王 華

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.安徽華東光電技術(shù)研究所,安徽 蕪湖 241002)

寬帶射頻功放晶體管非線(xiàn)性輸出電容研究

於建生1,桑 磊2,孫世滔2,王 華3

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.安徽華東光電技術(shù)研究所,安徽 蕪湖 241002)

分析了GaN(氮化鎵)HEMT(高電子遷移率晶體管)非線(xiàn)性輸出電容Cout與寬帶功放效率的關(guān)系。通過(guò)建立非線(xiàn)性電路模型分析得出,利用Cout控制漏極端電壓電流波形能減輕對(duì)諧波阻抗的精確要求,使高效率阻抗區(qū)域擴(kuò)大化,從而使寬帶功放匹配變?yōu)榭赡?。選用GaN HEMT器件設(shè)計(jì)2～3 GHz頻段射頻功率放大器,實(shí)測(cè)結(jié)果為該放大器最高漏極效率(DE)為81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率為40.75 dBm。在1 GHz帶寬內(nèi)PAE也可達(dá)65%以上。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了原理分析的可靠性,提出的方法不僅可用于寬帶GaN功率放大器設(shè)計(jì),對(duì)其他類(lèi)型的微波功放設(shè)計(jì)同樣有借鑒作用。

連續(xù)F類(lèi)放大器;高效率;寬帶;非線(xiàn)性電容

隨著近來(lái)4G牌照的發(fā)放,4G建設(shè)對(duì)通信系統(tǒng)的性能要求達(dá)到了一個(gè)新的高度。無(wú)論是移動(dòng)終端還是無(wú)線(xiàn)基站,都需要越來(lái)越高的效率和帶寬以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,提高數(shù)據(jù)傳輸率。這也給射頻功率放大器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),作為無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵性部件,射頻功放的效率和帶寬指標(biāo)直接決定著系統(tǒng)性能。

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)類(lèi)放大器如F逆F類(lèi)[1-2]開(kāi)關(guān)類(lèi)放大器是默認(rèn)輸出端電容為線(xiàn)性,將諧波終端匹配到特定阻抗,如偶次諧波開(kāi)路,奇次諧波短路,從而在晶體管漏極端形成特定電壓電流波形,且波形之間無(wú)重疊,達(dá)到理論上100%的效率。但實(shí)際上,在射頻頻段只有一小部分諧波能被控制,且受到晶體管實(shí)際輸出電容的影響,實(shí)際效率會(huì)大幅降低。且通常諧波特定阻抗是利用1/4波長(zhǎng)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行晶體管外部匹配,結(jié)果網(wǎng)絡(luò)的有載品質(zhì)因數(shù)Q大幅提高,相應(yīng)帶寬變窄,一般在10%左右。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)類(lèi)功放這種固有的窄帶性能使他很難應(yīng)用在寬帶或多帶寬收發(fā)電路中。

所謂連續(xù)F類(lèi)放大器[3]就是超寬帶高效率功放,它是從傳統(tǒng)F類(lèi)放大器的理論延伸而來(lái)。利用非線(xiàn)性輸出電容的特性,它所提供的諧波阻抗具有較強(qiáng)的容差性,在較寬的帶寬范圍內(nèi)都能滿(mǎn)足高效率要求,無(wú)需講諧波阻抗匹配到特定阻抗,這也省去了帶來(lái)窄帶效應(yīng)的四分之一波長(zhǎng)諧波共振電路結(jié)構(gòu)。器件的輸出電容與外部匹配電路一起控制所需頻帶內(nèi)電壓電流波形,從而達(dá)到高效,寬帶的性能。

本文從理論和仿真重點(diǎn)分析了非線(xiàn)性輸出電容Cout在連續(xù)F類(lèi)放大器電路中的重要作用,制作實(shí)物驗(yàn)證了利用Cout設(shè)計(jì)的連續(xù)F類(lèi)放大器在超寬帶,高效率方面的優(yōu)秀性能。

1 非線(xiàn)性輸出電容Cout作用機(jī)理分析

由連續(xù)F類(lèi)放大器的理論[4]可知,要獲得理想連續(xù)F類(lèi)最優(yōu)效率,基波及諧波的阻抗應(yīng)滿(mǎn)足:

(1)

(2)

Z3F=∞

(3)

從晶體管漏極端電壓電流波形開(kāi)始分析。首先利用ADS建立具有非線(xiàn)性電容的大信號(hào)模型,如圖1所示,且可得到計(jì)算Cout的公式[6-7]

Cout(Vds)=Cout0+A·[1+tanh(B·Vds+C)]

(4)

其中,Cout0=1.9,A=1 192.4,B=-0.059 471 4,C=-2.946 96。此模型是Cree公司輸出功率為10W的氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)近似大信號(hào)模型CGH40010,以用來(lái)幫助理解連續(xù)F類(lèi)功放的寬帶原理,用此模型可以很方便的測(cè)得內(nèi)部等效電流源端時(shí)域電壓電流波形。

圖1 非線(xiàn)性電容模型

圖2為利用模型仿真得到的漏極端電壓電流波形。圖2(a)和圖2(b)分別為從等效電流源端看到的具備非線(xiàn)性和線(xiàn)性電容的連續(xù)F類(lèi)電壓和電流波形,從圖中可以看出,具備非線(xiàn)性輸出電容的電壓波形幅度比線(xiàn)性電容增大了約20 V,同時(shí)其電流波形也比線(xiàn)性電容產(chǎn)生的波形更接近方波,即非線(xiàn)性輸出電容產(chǎn)生的波形更接近理論中高功率最優(yōu)效率波形。

圖2 漏極端電壓電流波形

接下來(lái)從頻域?qū)ǖ饺沃C波的阻抗進(jìn)行分析,圖3為仿真分析結(jié)果。從圖中可以看出,具備線(xiàn)性電容的三次諧波阻抗是開(kāi)路狀態(tài),這使它在電流波形中產(chǎn)生最小分量。由于二次諧波的阻抗大致對(duì)應(yīng)于式(2),所以具備線(xiàn)性電容的漏極電流波形也接近于理想連續(xù)F類(lèi)電流波形。對(duì)于非線(xiàn)性電容產(chǎn)生的阻抗可以看到,三次諧波無(wú)需滿(mǎn)足開(kāi)路狀態(tài),還可看到各次諧波阻抗是在負(fù)半圓周,這都是由非線(xiàn)性電容產(chǎn)生的諧波成分引起的。這也保證了主要的三次諧波電流成分來(lái)使電流形成方波,這樣就減少了波形間的重疊,減少功率耗散,提高功率。由于二次諧波電流的顯著減小以及二次諧波電壓的增大,與線(xiàn)性輸出電容相比,非線(xiàn)性電容產(chǎn)生的二次諧波阻抗有較大的幅度,這種二次諧波電壓的增大也使得如圖2(a)所示整個(gè)漏極端電壓波形幅度的增大。從圖3還可以看出非線(xiàn)性電容減小了基波電壓電流波形之間的相位差,從而減小器件內(nèi)部功率損耗,提高輸出功率和效率。由此可以得出大致推論:利用晶體管非線(xiàn)性電容與外部合適諧波阻抗結(jié)合,可以在更寬的諧波終端阻抗范圍內(nèi)產(chǎn)生更大的功率和更高的效率。

圖3 基波及諧波阻抗隨功率變化頻域圖

由此,利用ADS的諧波牽引分別對(duì)具備非線(xiàn)性電容和線(xiàn)性Cout的大信號(hào)模型進(jìn)行仿真比較。在2～3 GHz的頻寬范圍內(nèi)取4個(gè)頻點(diǎn)分成3個(gè)頻段,分別對(duì)4個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行諧波牽引,牽引結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 非線(xiàn)性電容頻段諧波牽引效率圖

圖5 線(xiàn)性電容頻段諧波牽引效率圖

上圖是在2 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz、3 GHz時(shí)對(duì)諧波進(jìn)行的負(fù)載牽引效率曲線(xiàn)組合圖。橫線(xiàn)陰影部分為在2～3 GHz頻段內(nèi)都滿(mǎn)足效率>80%的阻抗區(qū)域,很明顯,要得到高效率時(shí),線(xiàn)性電容要求的諧波阻抗比非線(xiàn)性電容精確度高。對(duì)于非線(xiàn)性電容來(lái)說(shuō),約有40%以上的區(qū)域滿(mǎn)足效率>80%,功率>40 dBm的要求,而對(duì)于線(xiàn)性輸出電容來(lái)說(shuō),只有約5%的區(qū)域滿(mǎn)足要求。通過(guò)比較可以看出,非線(xiàn)性輸出電容Cout在漏極端波形控制中的重要作用:可以省去對(duì)漏極端諧波阻抗的精確要求,使設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單可靠。

由于非線(xiàn)性輸出電容在漏極端高功率高效率波形控制上起到了較大的作用,可以利用這個(gè)內(nèi)在固有的非線(xiàn)性電容來(lái)建立一個(gè)近似的連續(xù)F類(lèi)放大器模型,這個(gè)模型對(duì)諧波阻抗變化的敏感度很低。這一規(guī)律對(duì)設(shè)計(jì)高效率寬帶功放很有提示作用。通過(guò)將諧波阻抗帶限制在高效率區(qū)域內(nèi),設(shè)計(jì)的復(fù)雜度就被縮減為對(duì)基波阻抗的匹配。

2 連續(xù)F類(lèi)功放設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證原理與仿真分析,設(shè)計(jì)一款工作在2～3 GHz的連續(xù)F類(lèi)功率放大器?；宀捎肦ogers 4350,介電常數(shù)3.66,板厚30 mil(1 mil=0.025 4 mm),晶體管采用Cree公司GaN HEMT CGH40010F。仿真的重點(diǎn)是對(duì)晶體管大信號(hào)模型進(jìn)行全頻段的諧波牽引,確定最優(yōu)效率時(shí)二三次諧波阻抗范圍,設(shè)計(jì)外部匹配電路使諧波阻抗保持在高效率區(qū)域的中心,這樣就可以盡可能減小仿真精確度和實(shí)物制造誤差帶來(lái)的阻抗偏移對(duì)輸出結(jié)果的影響。圖6為放大器整體結(jié)構(gòu)按比例縮放圖,因?yàn)樾枰趯拵?nèi)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行抑制,采用扇形微帶代替接地電容。圖7為仿真測(cè)得的功放輸出匹配二、三次諧波阻抗點(diǎn),可以看到在4～9 GHz頻寬范圍內(nèi),阻抗點(diǎn)都處于高效率區(qū)域內(nèi)。圖8為原理圖仿真輸出功率效率曲線(xiàn),除了少量高頻外,效率可以保持在75%以上,功率在40.8 dBm以上,平坦度±0.7 dB。

圖6 整體放大器結(jié)構(gòu)比例圖

圖7 功放仿真輸出二、三次諧波阻抗圓

圖8 原理圖仿真效率功率曲線(xiàn)

圖9為功放實(shí)物圖,圖10為實(shí)際測(cè)得的功率、效率和增益曲線(xiàn)。在Vgs=-3.3 V,Vds=28 V情況下,輸入功率為28 dBm時(shí),在2～3 GHz整個(gè)40%帶寬內(nèi)功率保持在40 dBm以上,效率保持在65%以上,增益在10～12 dB,在高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率輸出。最大PAE出現(xiàn)在2.1 GHz處,為78.3%,此時(shí)輸出功率為40.75 dBm。

圖9 連續(xù)F類(lèi)功放實(shí)物圖

圖10 實(shí)測(cè)功放功率效率曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立模型比較了非線(xiàn)性與線(xiàn)性晶體管輸出電容在波形控制上的主要區(qū)別,并重點(diǎn)分析強(qiáng)調(diào)了非線(xiàn)性輸出電容在設(shè)計(jì)高功率高效率連續(xù)F類(lèi)放大器中的重要作用:可免去對(duì)諧波終端阻抗的精確要求。設(shè)計(jì)的一款2～3 GHz寬帶功放驗(yàn)證了原理分析的可靠性。為放大器在滿(mǎn)足4G時(shí)代高數(shù)據(jù)傳輸,低功率消耗方面提供了參考。

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Study of Nonlinear Output Capacitance of the Wide-band Power Amplifier

YU Jiansheng1,SANG Lei2,SUN Shitao2,WANG Hua3

(1.Military Representative Office of Navy in Hefei,Hefei 230009,China;2.School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;3.Hua Dong Academy of Opto-electronic Technology,Wuhu 241002,China)

The relationship between nonlinear output capacitanceCout of GaN HEMT and the efficiency of the wide-band power amplifier is studied.Through the analysis of an established nonlinear circuit model,it is shown that the accuracy requirement on harmonic impedance can be reduced by usingCout controlling the waveform of the drain,which can enlarge the high efficiency zone.A highly efficient amplifier based on the principle is designed by using a Cree GaN HEMT device at 2～3 GHz band.It provides a drain efficiency of 81.7% and a power-added efficiency of 78.3% at a saturated power of 40.75 dBm.The method established in this paper can not only be used in wide-band microwave GaN PA,but it is also useful to other PA designs.

continuous class F power amplifier;high efficiency;wide-band;nonlinear output capacitance

2014- 08- 18

桑磊(1983—),男,博士,副研究員。研究方向:微波電路與天線(xiàn)。E-mail:sunlixuxinyu@126.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.028

TN722

A

1007-7820(2015)04-102-04