一种F类宽禁带高效功率放大器的设计

安士全，曹 锐

(中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230031)

0 引言

在雷达、通讯系统的功耗中发射机占了绝大部分，而其末级的功率放大器又是发射机中功耗最大的部件，据统计对于不同类型的发射机，末级功率放大器占整个系统功耗的60%～90%。因此，设计一种高效率功放，对于雷达、通讯等电子设备提高效率，降低电源损耗，减小体积重量，降低维护成本具有重要的意义［1，2］。

F类放大器采用开关放大模式，即晶体管工作在“导通”和“截止”两种不连续的状态，其理想效率可达100%。因此，F类放大器受到了越来越多的关注，并在很多场合得到了应用。下面对开关模式F类功率放大器的原理进行了分析，并设计了一款F类射频功率放大器，其效率达到75%。

1 F类放大器的工作原理及特点

理想F类放大器的输出端工作电流与电压波形，如图 1 所示［3］。

F类放大器的效率与漏极的谐波终端密切相关，在理想情况下，为了形成方波电压和半正弦电流波形，在偶次谐波上最佳负载呈现为短路状态高阻抗，而在所有高于基波的奇次谐波处传输线都相当于开路状况。这样奇次谐波的总和构成了方波电

图1 理想F类放大器电流、电压波形

压，基次和偶次谐波的总和近似为半个正弦电流形式，表达式为

式中，θ=ω0t，ω0为基波的角频率;Vn与In分别为n次谐波的电压和电流。

理想情况下漏极效率为100%，对应的阻抗条件为

以上理想的F类功率放大器的工作条件可以使用具有无耗的λ/4传输线和具有无限品质因数的谐振回路相串联来实现。显然理想的无限品质因数的谐振回路是不存在的，不可能实现理想的谐波阻抗条件，但用若干个电流和电压分量峰化，就可以达到功率放大器的高效率的目的。理论上，由高阶谐波分量构成并提供的电压波形愈平坦，由输出电流引起的功率耗散越小［4～6］。

2 F类宽禁带放大器的设计

根据前面对F类功率放大器的分析，选取GaN功率管CGH40010F在S波段设计一个F类功率放大器。介质基板选用Rogers公司的RT6002，介电常数 2.94，基板厚度 0.508 mm，敷铜厚度 35 μm。微带线形式的F类功率放大器原理图，如图2所示。

图2 微带线F类功率放大器原理图

输出端提供的基波频率传输线的电长度分别为

式中，Z0是微带线的特性阻抗;Cout是有源器件的输出电容。

按照上面的公式进行微带线设置，在输出端构成一个有谐波控制功能的谐振器网络，实现二次谐波短路，三次谐波开路的最平坦波形的近似，从而实现放大器的高效输出。实际电路设计时，由于晶体管内在的和外在的两方面的寄生参数的存在对效率产生很大的影响，特别是微波频段，输出引线电感的影响应该考虑。在经过整体仿真和微调后具体的输入输出匹配及偏置电路如图3，4所示。

图3 功率放大器输入匹配电路

图4 功率放大器输出匹配电路

对以上的输入输出匹配电路进行整体仿真，附加效率和输出功率的仿真结果如图5，6所示，在100 MHz带宽内，输出功率的附加效率PAE最高达到80%以上，输出功率Pout大于10 W。

根据F类放大器对各次谐波控制的要求，理想状态下功率管输出端电压和电流分别为半周期的方波和正弦波，实际的电压、电流波形如图7，8所示。

可以看到图中的电压和电流波形已经近似为方波和正弦波，要想得到更为理想的F类功率放大器，需要增加谐波抑制的次数，但随之带来的问题可能是随着谐波抑制增加微带线长度增加，损耗增加，导致功率放大器的效率增加并不明显，因此F类功率放大器的谐波抑制并不是越大越好，在一般工程应用中三次谐波抑制通常可以满足要求。F类功率放大器实物图，如图9所示。

图9 F类功率放大器实物图

3 测试结果分析

对功率模块进行测试，在各频率点的输出功率随输入功率的曲线，如图10所示;经计算各频点的漏极效率曲线，如图11所示。由测试结果可以看出，设计的F类放大器在0.5 GHz带宽内输出功率都在39 dBm以上，效率大于58%，效率最高为75%，随着效率升高，输出功率降低。与仿真结果相比，效率有所下降，但带宽更宽，总体测试结果比较满意，说明仿真设计的有效性。

4 结语

对F类功率放大器的工作原理进行了数学分析，并据此成功设计了S波段10 W高效功率放大器，效率达到75%，增益12 dB，F类功率放大器是实现功放小型化、高效率和高功率的重要途径。应用在雷达、通讯和电子对抗等领域。

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