王俊 南京恒電電子有限公司

寬帶射頻功放晶體管非線性輸出電容研究

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本文結(jié)合氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）非線性輸出電容Cout和寬帶功放效率之間的關(guān)系，研究非線性電路模型。結(jié)果表明：通過Cout對(duì)漏極端電壓電流進(jìn)行控制，對(duì)諧波阻抗的精度要求較低，拓寬了高效率阻抗區(qū)，有利于寬帶功放的匹配。采用GaN HEMT設(shè)計(jì)射頻功率放大器，通過實(shí)測(cè)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。

射頻功率放大器 寬帶 非線性輸出電容

自進(jìn)入4G時(shí)代以來(lái)，人們對(duì)通信系統(tǒng)的效率和帶寬提出了越來(lái)越高的要求。射頻功率放大器作為無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，其性能直接影響著系統(tǒng)整體性能，因此，研究設(shè)計(jì)高效率的射頻功率放大器具有重要意義。連續(xù)F類放大器作為傳統(tǒng)F類放大器的發(fā)展和延伸，其具有高效率、帶寬寬的特性[1]。本文進(jìn)行了連續(xù)F類放大器電路中非線性輸出電容Cout的應(yīng)用分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了基于Cout設(shè)計(jì)的連續(xù)F類放大器具備帶寬寬、效率高的特性。

1 電容Cout的作用原理

基于連續(xù)F類放大器理論，為了使連續(xù)F類效率最優(yōu)，諧波和基波阻抗需符合下式要求[2]。

上式中：τ—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，且-1＜τ＜1，Ropt—B類偏置下基波的最優(yōu)阻抗。

通過ADS構(gòu)件非線性電容大型號(hào)模型，模型圖見圖1。則Cout的計(jì)算公式為：

圖1 非線性電容模型電路

將 A=1192．4，B=-0．059，C=-2．947 代入得到 Cout0=1．9。

此模型可以便于理解連續(xù)F類功率放大器的寬帶機(jī)理， 也可以用此模型測(cè)定電壓電流的波形。從等效電流源測(cè)定具備非線性和線性電容的連續(xù)F類電壓電流的波形，非線性輸出電容的電壓波形幅度大于線性電容。另外，相比之下非線性輸出電容電流波形更類似于方形波，說明其在理論上更接近于功率較高的最優(yōu)效率波形。

圖2顯示了從頻域?qū)ㄖ寥沃C波阻抗分析結(jié)果。由圖可知，由于線性電容三次諧波阻抗處于開路，因此其電流波形產(chǎn)生的分量最小。公式（2）表示了二次諧波阻抗，所以具有線性電容漏極電流波形與理想的連續(xù)F類電流波形較為相似。依據(jù)非線性電容阻抗可知，三次諧波不需要滿足開路的狀態(tài)，而且由于非線性電容所產(chǎn)生的諧波使得各次的諧波阻抗均分布在圓周的負(fù)半部分。因此而降低了不同波間的重疊，功耗降低，功率提高。圖2還顯示了由于非線性電容的存在，降低了基波電壓電流波形間的相位差，因此功率損耗減低，輸出效率提升。由上述可得，將外部合適諧波阻抗與非線性電容相組合，可以拓寬諧波終端的阻抗范圍，并在該范圍中找到更大的功率和效率。

圖2 基波和諧波阻抗隨功率變化頻域圖

基于ADS的諧波牽引，通過對(duì)具有線性Cout以及非線性電容的大信號(hào)模型仿真對(duì)比，得到同樣高效率條件下，非線性電容對(duì)于精度的要求更低。另外，非線性輸出電容Cout對(duì)于漏極端波形的控制非常關(guān)鍵，因此，可以忽略漏極端諧波阻抗的精確性，簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)。

利用非線性輸出電容構(gòu)件連續(xù)F類放大器模型，使得模型在諧波阻抗變化中更穩(wěn)定。參照這一結(jié)論，有利于高效率寬帶功率放大器的設(shè)計(jì)。

2 連續(xù)F類功率放大器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種連續(xù)F類功放，用于驗(yàn)證原理，并仿真分析。其工作頻寬為2—3GHz，配置Rogers基板，介電常數(shù)為3．65，板厚度為30mil，所用的晶體管為GaN HEMT CGH40010F。仿真的主要目的是為了找到二三次諧波阻抗對(duì)應(yīng)最優(yōu)效率時(shí)的范圍。實(shí)測(cè)得到4—9GHz頻寬范圍中，阻抗點(diǎn)均分布在高效率范圍內(nèi)。圖3顯示了功放的效率和功率以及其增益曲線的實(shí)測(cè)值，當(dāng)輸入功率為28dBm，Vgs為-3．4V，Vds為28V時(shí)，頻寬為2—3GHz范圍內(nèi)，40%帶寬的功率大于40dBm，效率高于65%，增益范圍保持在10—12dB，實(shí)現(xiàn)了高效率和高功率同步輸出。2．1GHz處PAE達(dá)到最大值78．5%，輸出功率為41．00dBm。

圖3 功率放大器實(shí)測(cè)效率曲線

3 結(jié)語(yǔ)

以建立模型的方式進(jìn)行了非線性和線性輸出電容控制波形比較，驗(yàn)證了非線性輸出電容對(duì)于連續(xù)F類功率放大器設(shè)計(jì)的重要性。在2—3GHz頻寬范圍內(nèi)，證明了功放設(shè)計(jì)的可靠性。期望為4G時(shí)代數(shù)據(jù)的高效率、低功耗傳輸發(fā)展研究提供參考。

[1]Tuffy N, Guan L, Zhu A, et al. A Simplified Broadband Design Methodology for Linearized High-Efficiency Continuous Class-F Power Amplifiers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2012, 60(6):1952-1963.

[2]Tasker P J, Benedikt J. Waveform Inspired Models and the Harmonic Balance Emulator[J]. Microwave Magazine IEEE,2011, 12(2):38-54.

王俊，1978.11，男，漢，南京，大專，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。