宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

王俊 南京恒电电子有限公司

宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

王俊 南京恒电电子有限公司

本文结合氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）非线性输出电容Cout和宽带功放效率之间的关系，研究非线性电路模型。结果表明：通过Cout对漏极端电压电流进行控制，对谐波阻抗的精度要求较低，拓宽了高效率阻抗区，有利于宽带功放的匹配。采用GaN HEMT设计射频功率放大器，通过实测验证了该设计的可行性。

射频功率放大器 宽带 非线性输出电容

自进入4G时代以来，人们对通信系统的效率和带宽提出了越来越高的要求。射频功率放大器作为无线通信系统的关键，其性能直接影响着系统整体性能，因此，研究设计高效率的射频功率放大器具有重要意义。连续F类放大器作为传统F类放大器的发展和延伸，其具有高效率、带宽宽的特性[1]。本文进行了连续F类放大器电路中非线性输出电容Cout的应用分析，并通过试验验证了基于Cout设计的连续F类放大器具备带宽宽、效率高的特性。

1 电容Cout的作用原理

基于连续F类放大器理论，为了使连续F类效率最优，谐波和基波阻抗需符合下式要求[2]。

上式中：τ—经验系数，且-1＜τ＜1，Ropt—B类偏置下基波的最优阻抗。

通过ADS构件非线性电容大型号模型，模型图见图1。则Cout的计算公式为：

图1 非线性电容模型电路

将 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连续F类功率放大器的宽带机理， 也可以用此模型测定电压电流的波形。从等效电流源测定具备非线性和线性电容的连续F类电压电流的波形，非线性输出电容的电压波形幅度大于线性电容。另外，相比之下非线性输出电容电流波形更类似于方形波，说明其在理论上更接近于功率较高的最优效率波形。

图2显示了从频域对基波至三次谐波阻抗分析结果。由图可知，由于线性电容三次谐波阻抗处于开路，因此其电流波形产生的分量最小。公式（2）表示了二次谐波阻抗，所以具有线性电容漏极电流波形与理想的连续F类电流波形较为相似。依据非线性电容阻抗可知，三次谐波不需要满足开路的状态，而且由于非线性电容所产生的谐波使得各次的谐波阻抗均分布在圆周的负半部分。因此而降低了不同波间的重叠，功耗降低，功率提高。图2还显示了由于非线性电容的存在，降低了基波电压电流波形间的相位差，因此功率损耗减低，输出效率提升。由上述可得，将外部合适谐波阻抗与非线性电容相组合，可以拓宽谐波终端的阻抗范围，并在该范围中找到更大的功率和效率。

图2 基波和谐波阻抗随功率变化频域图

基于ADS的谐波牵引，通过对具有线性Cout以及非线性电容的大信号模型仿真对比，得到同样高效率条件下，非线性电容对于精度的要求更低。另外，非线性输出电容Cout对于漏极端波形的控制非常关键，因此，可以忽略漏极端谐波阻抗的精确性，简化整体设计。

利用非线性输出电容构件连续F类放大器模型，使得模型在谐波阻抗变化中更稳定。参照这一结论，有利于高效率宽带功率放大器的设计。

2 连续F类功率放大器的设计

设计一种连续F类功放，用于验证原理，并仿真分析。其工作频宽为2—3GHz，配置Rogers基板，介电常数为3．65，板厚度为30mil，所用的晶体管为GaN HEMT CGH40010F。仿真的主要目的是为了找到二三次谐波阻抗对应最优效率时的范围。实测得到4—9GHz频宽范围中，阻抗点均分布在高效率范围内。图3显示了功放的效率和功率以及其增益曲线的实测值，当输入功率为28dBm，Vgs为-3．4V，Vds为28V时，频宽为2—3GHz范围内，40%带宽的功率大于40dBm，效率高于65%，增益范围保持在10—12dB，实现了高效率和高功率同步输出。2．1GHz处PAE达到最大值78．5%，输出功率为41．00dBm。

图3 功率放大器实测效率曲线

3 结语

以建立模型的方式进行了非线性和线性输出电容控制波形比较，验证了非线性输出电容对于连续F类功率放大器设计的重要性。在2—3GHz频宽范围内，证明了功放设计的可靠性。期望为4G时代数据的高效率、低功耗传输发展研究提供参考。

[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，汉，南京，大专，助理工程师，目前从事微波射频电路方面的研究。