高效率F類(lèi)射頻功率放大器的研究與設計

　　(2b)

　　圖2 諧波輸出網(wǎng)絡(luò )

　　圖2b中給出了另外兩個(gè)可能的并聯(lián)諧振器電路和連接諧振器電路構造元件的初始值。另外還給了一個(gè)等效的微帶阻抗-峰化電路和他的初始原理值。能提供對于所有的偶次諧波短路和對3次諧波開(kāi)路。然而，實(shí)際的F類(lèi)PA的設計要復雜的多，因為有寄生電抗，非線(xiàn)性漏級電流Ids和非線(xiàn)性的Cgs，Cds圖3 中給的方程可以提供一個(gè)很好的F類(lèi)放大器設計的出發(fā)點(diǎn)。

　　4 設計實(shí)例

　　本文在設計F類(lèi)放大器時(shí)，對輸出諧波調諧，當輸入網(wǎng)絡(luò )在柵極輸入提供共軛匹配時(shí)輸出網(wǎng)絡(luò )提供了偶次諧波短路和奇次諧波開(kāi)路，輸出匹配網(wǎng)絡(luò )使在漏級輸出端獲得基波的最佳負載。圖2b中的等效的微帶阻抗—峰化電路，三段電長(cháng)度中只有第二段需要根據晶體管的寄生參數來(lái)額外修正，其余都可根據基板參數和頻率計算出實(shí)際微帶線(xiàn)的尺寸。

　　設計采用Cree公司的GaN HEMT，基頻1.25GHz，帶寬為100MHz，輸入功率28dBm, 基板材料Er=3.38，板厚0.4mm，輸入網(wǎng)絡(luò )是同頻率B類(lèi)工作模式下設計的，柵極電壓VGS =-2.5V，漏極電壓VDS=28V。ADS仿真結果最大PAE為84%，實(shí)現電路及測試架如圖3所示。

　　圖3 測試電路實(shí)物及測試架圖

　　初步試驗測量結果最大功率附加效率65.5%，通過(guò)進(jìn)一步調節電路以及輸入輸出端電容得到PAE為70.32%。略低于仿真結果，但已經(jīng)獲得了較高的效率，效率偏低的原因有很多種，測量器件的改進(jìn)以及對電路的再次調整可能會(huì )進(jìn)一步有效的提高電路的效率。

　　本設計最終在中心頻率1.25GHz實(shí)際測量所得結果如圖4所示。與目前國內外高效率放大器相比，在保證輸出功率的基礎上實(shí)現了較高的效率，在F類(lèi)放大器實(shí)現電路上取得了較好的成功。

　　圖4 相對輸入功率的輸出功率和PAE

　　6 結束語(yǔ)

　　本文對F類(lèi)功率放大器的理論進(jìn)行了研究，分析了其電路工作原理和試驗設計方法。并通過(guò)一種新型F類(lèi)放大器的設計和試驗證實(shí)了實(shí)現高效率，高功率工作的可能。實(shí)際測試中在沒(méi)有進(jìn)行調節的情況下已經(jīng)達到65.5%的功率附加效率，由于在調節的過(guò)程中影響效率的因素沒(méi)有準確的依據，故而調節過(guò)程難度較大，最終實(shí)現了PAE大于70%，輸出功率達到10W。