一种宽禁带器件的高效E类功率放大器设计

安士全,曹 锐

(中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088)

0 引 言

功率放大器是雷达、通信和电子对抗等系统的关键器件之一[1,2]。现代军事电子装备不断向小型化和集成化方向发展，对功率放大器的效率提出了新的要求，以减少直流功耗，改善系统可靠性。E类功率放大器采用了开关工作模式，理论效率可达100%，在高效功率放大器中的应用得到了广泛的关注[3～5]。宽禁带功率器件作为第三代半导体器件，因其高电子迁移率、高电压值和高电流密度等特点成为研究的热点[6～8]，并成为提高功放效率的重要器件。将E类功率放大器与第三代宽禁带功率器件相结合，可以更加有效的提高功率放大器的性能。研究结果表明，采用宽禁带器件的E类功率放大器的功率附加效率可以达到70%以上[9,10]。

结合E类开关模式和宽禁带功率器件的特点，基于级联系统功率放大器的应用环境，分析了谐振电路的特点，并利用微波仿真软件advanced design systems (ADS)进行了电路优化设计和实际电路测试，有效提高了功率放大器的性能。

1 原理与方法

1.1 E类放大器的工作原理

并联电容型E类功率放大器,简化的等效电路如图1所示，输出负载回路是由并联短接电容、剩余电感及基频谐振回路组成，在电路分析中可以将晶体管寄生输出电容Cd看作输出网络的并联电容的一部分而有利于分析。这种特殊负载网络使晶体管上电压和电流不同时出现而使其功耗为零,因而理想的E类功率放大器效率为100%。

图1 并联电容型E类功率放大器

并联电容型E类功率放大器的设计公式为

(1)

式中，VDS为漏极电压；BVDSV是管子的击穿电压；SF为安全因子。

(2)

在负载RL的计算公式(2)中，Pout是输出功率；QL是串联谐振回路的品质因数。

并联短接电容则由式(3)得出

(3)

式中，f0是中心频率；L1是漏极射频扼流圈的电感；特别注意的是Cshunt是包含管子的输出电容的，实际中应该减去由管子寄生参数引起的漏-源极电容和漏-栅极电容的值。

在理想情况下，E类放大器的漏极电压和漏极电流的波形，如图2所示。

图2 理想情况下E类放大器漏极电压和电流输出波形

1.2 电路设计

E类功率放大器电路的输出负载拓扑结构结合F类功率放大器工作模式,实现电压逼近方波,电流近似为半正弦波的条件,效率会更高。对于方波电压,其傅里叶级数是奇次谐波的总和,而基波与偶次谐波的总和近似为半正弦波。根据F类放大器的原理,在电路中对二次和三次谐波的负载阻抗进行控制,就可额外提高漏极效率。因此,这样一种谐波控制网络可由λ/4微带线构成,实现在偶次谐波短路和三次谐波峰化的条件。电容的具体微带线转换用两截开路线来实现，分别对前4个谐波进行抑制,开路线的电长度分别被选择为在频率2f0、3f0、4f0、5f0的1/4波长,如图3所示，这表明这4个短截线在这些谐波点呈现为低阻抗,而在电路终端很好地抑制了这些谐波点。

图3 谐波抑制电路

通过前面对E类功率放大器原理的初步分析，设计一款L波段的E类功率放大器。选择CREE公司的宽禁带功率管CGH40010F。偏置电压VDS=28 V，VGS=-2 V，输入激励Pin=28 dBm，中心频率1.25 GHz，介质基板选择Alon公司25N，介电常数3.38，基板厚度0.2 mm，敷铜厚度35 μm。

其最终的输入、输出匹配网络,分别如图4、图5所示。

图4 输入匹配网络

对输入输出匹配进行整体电路仿真，其功率附加效率和输出功率在各频点的曲线分别如图6、图7所示，带宽100 MHz内功率附加效率>70%，输出功率大于13 Watts。查看漏极电流及电压波形如图7所示，由图可以看出电流和电压的波形已经表现出明显的开关特性，电流和电压达到最大的时间是错开的。

图6 功率放大器PAE-Pin仿真曲线

图7 功率放大器漏极电流及电压波形

如上所述的匹配网络称之为谐波抑制短截线匹配拓扑网络,这样的拓扑网络优点很明显,既实现了阻抗转换,又抑制了谐波成分,同时,也保证了E类放大器的最佳工作模式。

2 测试结果

根据上述设计，加工的E类功率放大器电路实物图如图8所示。对功率放大器进行了测试，在设计的频率范围内输出功率随输入功率的曲线如图9所示，在1.2～1.4 GHz频段范围内输出功率都在40 dBm以上，增益大于15 dB。各频点的漏极效率曲线,如图10所示，由图10可以看出，尽管没有仿真结果理想，但在设计的100 MHz带宽内效率达到了70%，在200 MHz频带范围，输出功率和漏极效率有所降低，效率也在65%以上，与传统的功率放大器相比效率有很大提高。

图8 功率放大器实物图

图9 输入输出功率曲线

图10 漏极效率与频率的曲线

3 结 语

针对目前微波功率放大器效率比较低的问题，提出将开关模式E类功率放大器与先进的宽禁带功率放大器相结合，研制了一种基于宽禁带功率器件的高效E类功率放大器，有效提高功率放大器的输出功率、功率效率等性能。分析了E类功率放大器的工作原理，利用ADS 仿真软件进行功率放大器实际设计，并进行了仿真分析和实物测试。结果表明，E类宽禁带功率放大器在设计频段内的输出功率和效率都比较理想，实际测试的漏极效率最大值为74.8%，证实了设计方法的有效性。将新型的高效E类功率放大器设计与第三代宽禁带器件相结合，对于推动宽禁带功率放大器的应用具有重要意义，进而可以在雷达、通讯系统等领域的小型化、高效率和高功率等方面的发展具有积极的推进作用。

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