摘 要： 根據(jù)F類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出用LC匹配電路設(shè)計(jì)輸出端的三階諧波抑制網(wǎng)絡(luò)的方法，設(shè)計(jì)了一款工作頻率為3.5 GHz的F類功率放大器。仿真結(jié)果輸出功率為37dBm，功率附加效率為68%，諧波失真得到很好抑制，效率得到提高。
關(guān)鍵詞： F類功率放大器；諧波抑制；功率附加效率
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現(xiàn)代無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基站系統(tǒng)在傳送信號(hào)到移動(dòng)終端時(shí)需消耗大量能量，系統(tǒng)的效率越來越受到重視。特別是作為基站系統(tǒng)末端的功率放大器，開關(guān)模式功率放大器相對(duì)于傳統(tǒng)的線性模式功率放大器能夠提供更高的效率。一個(gè)具有理想開路和短路終端的F類放大器中，漏端電壓和電流波形沒有重疊，在沒有功率耗散的前提下能夠達(dá)到100%的效率。
實(shí)際電路中，F(xiàn)類功率放大器的效率性能退化取決于功率管的寄生元件[1]（寄生電容，寄生電阻）、非零轉(zhuǎn)換時(shí)間、非零Knee電壓和有限的匹配網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)等影響。輸出端的諧波失真使電壓和電流波形產(chǎn)生變形和重疊，嚴(yán)重影響了F 類功率放大器的效率。為此，采用串聯(lián)LC匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)功率放大器輸出三次諧波抑制，利用并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)將偶次諧波短路到地，有效地提高了F類放大器的輸出效率。
1 工作原理
F類功率放大器使用諧波抑制電路對(duì)功放管漏端電壓或電流中的諧波成分進(jìn)行控制，調(diào)整功放管漏端的電壓波形或電流波形，使得它們沒有重疊區(qū)，減少開關(guān)損耗，提高了功率放大器的效率。如圖1所示[2]，在漏端的輸出匹配電路中，加入諧波抑制網(wǎng)絡(luò)，濾除漏端的諧波波形干擾。
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對(duì)漏端諧波失真的有效控制取決于幾個(gè)方面：
· 功放管輸出端寄生電容Cds的影響；
· 非線性實(shí)際器件模型在諧波頻率的實(shí)用性；
· 開關(guān)類功率放大電路的結(jié)構(gòu)等[3，4]。
晶體管漏端基頻阻抗為：
由式(1)可知，在基頻處，晶體管漏端看到的基頻阻抗為純電阻性阻抗Zopt；在高階偶次諧波頻率(階次n=2，4，6…）處，由于輸出端的偶次諧波抑制電路，使從晶體管漏端看到的偶次諧波阻抗為0，實(shí)現(xiàn)了偶次諧波信號(hào)短路到地的功能；在高階奇次諧波頻率(階次n=3，5，7…)處，由于輸出端的偶次諧波阻抗為無窮大，因此晶體管漏端看到的奇次諧波實(shí)現(xiàn)開路的功能。
圖2所示為F類功率放大器的一種典型結(jié)構(gòu)，在功放管漏端看到的各高階奇次諧波阻抗為無窮大，而各高階偶次諧波阻抗為0，流過開關(guān)的電流中僅包含基頻頻率成分和各高階偶次諧波成分。在F類電路實(shí)現(xiàn)上，只考慮三階諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高于三階的諧波被認(rèn)為在輸出漏端電容處短路，且高于三階的諧波并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)增加了無源元件的損耗，對(duì)性能提高并不明顯[2]。
2 仿真與設(shè)計(jì)
本文采用0.25 μm的GaAs工藝模型MSFG35010，GaAs功率放大器最大的優(yōu)點(diǎn)是具有更高的載波移動(dòng)性，因而可獲得比硅更高的特征頻率ft和截止頻率fmax，并允許在任何特定頻率上使用具有更高擊穿電壓、外形更大的器件。這進(jìn)而又允許在任何給定的輸出功率下使用更高的偏置電壓及相應(yīng)更低的電流。低電流可減少源極和漏極寄生電容，這類寄生電容限定了高工作頻率，也給開關(guān)模式放大器帶來了很大問題。
先對(duì)功率管做直流仿真，根據(jù)MRFG35010管的datasheet參數(shù)及直流仿真圖(圖3)，取管子在AB類的偏置點(diǎn)，漏端直流供給電壓Vds取12 V，柵源電壓Vgs取-0.9 V，該晶體管的特征頻率為6～7 GHz。仿真結(jié)果如圖3。
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文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]闡述了關(guān)于F類功放三階諧波抑制網(wǎng)絡(luò)的理論設(shè)計(jì)，本文采用LC并聯(lián)諧振匹配網(wǎng)絡(luò)抑制三階諧波，用LC構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)將其他高階偶次諧波成分短路到地。
圖4為電路輸入輸出匹配完成后，帶有三階諧波抑制的F類功率放大器的完整電路結(jié)構(gòu)圖。圖5為電路的散射參量S11。
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由圖6可知，三階諧波信號(hào)被很好地抑制，但是由于電路中沒有五階諧波抑制，所以在表1中可以看到五階諧波的影響仍然很大。
??? 電路的諧波仿真得到輸入功率與輸出功率的關(guān)系圖。由圖7可知，在射頻源功率為28 dBm時(shí)的輸出功率為37 dBm。
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F類功率放大器測(cè)試中，漏極效率是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，但是漏極效率只考慮了輸出功率與電源功率的關(guān)系，而功率附加效率同時(shí)考慮了輸入功率，是一個(gè)更為合理的技術(shù)指標(biāo)，圖8為功率附加效率隨輸出功率的變化曲線。
表2為本文性能參數(shù)與文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]電路性能參數(shù)的對(duì)比。結(jié)果顯示本文設(shè)計(jì)的電路功率附加效率較高，功率放大器的性能較好。
本文采用GaAs模型器件設(shè)計(jì)一款3.5? GHz帶有諧波抑制的F類功率放大器。結(jié)果表明，輸入功率為28 dBm時(shí)，輸出功率為37 dBm，功率附加效率為68%。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)上，片上無源器件的容差也必須給予充分考慮。在設(shè)計(jì)中與晶體管漏極并聯(lián)的電容還要包含晶體管本身的電容，并聯(lián)電感和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中的電感可以用鍵合線電感實(shí)現(xiàn)，以提高品質(zhì)因數(shù)和降低芯片的面積。
參考文獻(xiàn)
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