一種寬禁帶器件的高效E類功率放大器設計

安士全,曹 銳

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088)

0 引 言

功率放大器是雷達、通信和電子對抗等系統的關鍵器件之一[1,2]?，F代軍事電子裝備不斷向小型化和集成化方向發展，對功率放大器的效率提出了新的要求，以減少直流功耗，改善系統可靠性。E類功率放大器采用了開關工作模式，理論效率可達100%，在高效功率放大器中的應用得到了廣泛的關注[3～5]。寬禁帶功率器件作為第三代半導體器件，因其高電子遷移率、高電壓值和高電流密度等特點成為研究的熱點[6～8]，并成為提高功放效率的重要器件。將E類功率放大器與第三代寬禁帶功率器件相結合，可以更加有效的提高功率放大器的性能。研究結果表明，采用寬禁帶器件的E類功率放大器的功率附加效率可以達到70%以上[9,10]。

結合E類開關模式和寬禁帶功率器件的特點，基于級聯系統功率放大器的應用環境，分析了諧振電路的特點，并利用微波仿真軟件advanced design systems (ADS)進行了電路優化設計和實際電路測試，有效提高了功率放大器的性能。

1 原理與方法

1.1 E類放大器的工作原理

并聯電容型E類功率放大器,簡化的等效電路如圖1所示，輸出負載回路是由并聯短接電容、剩余電感及基頻諧振回路組成，在電路分析中可以將晶體管寄生輸出電容Cd看作輸出網絡的并聯電容的一部分而有利于分析。這種特殊負載網絡使晶體管上電壓和電流不同時出現而使其功耗為零,因而理想的E類功率放大器效率為100%。

圖1 并聯電容型E類功率放大器

并聯電容型E類功率放大器的設計公式為

(1)

式中，VDS為漏極電壓；BVDSV是管子的擊穿電壓；SF為安全因子。

(2)

在負載RL的計算公式(2)中，Pout是輸出功率；QL是串聯諧振回路的品質因數。

并聯短接電容則由式(3)得出

(3)

式中，f0是中心頻率；L1是漏極射頻扼流圈的電感；特別注意的是Cshunt是包含管子的輸出電容的，實際中應該減去由管子寄生參數引起的漏-源極電容和漏-柵極電容的值。

在理想情況下，E類放大器的漏極電壓和漏極電流的波形，如圖2所示。

圖2 理想情況下E類放大器漏極電壓和電流輸出波形

1.2 電路設計

E類功率放大器電路的輸出負載拓撲結構結合F類功率放大器工作模式,實現電壓逼近方波,電流近似為半正弦波的條件,效率會更高。對于方波電壓,其傅里葉級數是奇次諧波的總和,而基波與偶次諧波的總和近似為半正弦波。根據F類放大器的原理,在電路中對二次和三次諧波的負載阻抗進行控制,就可額外提高漏極效率。因此,這樣一種諧波控制網絡可由λ/4微帶線構成,實現在偶次諧波短路和三次諧波峰化的條件。電容的具體微帶線轉換用兩截開路線來實現，分別對前4個諧波進行抑制,開路線的電長度分別被選擇為在頻率2f0、3f0、4f0、5f0的1/4波長,如圖3所示，這表明這4個短截線在這些諧波點呈現為低阻抗,而在電路終端很好地抑制了這些諧波點。

圖3 諧波抑制電路

通過前面對E類功率放大器原理的初步分析，設計一款L波段的E類功率放大器。選擇CREE公司的寬禁帶功率管CGH40010F。偏置電壓VDS=28 V，VGS=-2 V，輸入激勵Pin=28 dBm，中心頻率1.25 GHz，介質基板選擇Alon公司25N，介電常數3.38，基板厚度0.2 mm，敷銅厚度35 μm。

其最終的輸入、輸出匹配網絡,分別如圖4、圖5所示。

圖4 輸入匹配網絡

對輸入輸出匹配進行整體電路仿真，其功率附加效率和輸出功率在各頻點的曲線分別如圖6、圖7所示，帶寬100 MHz內功率附加效率>70%，輸出功率大于13 Watts。查看漏極電流及電壓波形如圖7所示，由圖可以看出電流和電壓的波形已經表現出明顯的開關特性，電流和電壓達到最大的時間是錯開的。

圖6 功率放大器PAE-Pin仿真曲線

圖7 功率放大器漏極電流及電壓波形

如上所述的匹配網絡稱之為諧波抑制短截線匹配拓撲網絡,這樣的拓撲網絡優點很明顯,既實現了阻抗轉換,又抑制了諧波成分,同時,也保證了E類放大器的最佳工作模式。

2 測試結果

根據上述設計，加工的E類功率放大器電路實物圖如圖8所示。對功率放大器進行了測試，在設計的頻率范圍內輸出功率隨輸入功率的曲線如圖9所示，在1.2～1.4 GHz頻段范圍內輸出功率都在40 dBm以上，增益大于15 dB。各頻點的漏極效率曲線,如圖10所示，由圖10可以看出，盡管沒有仿真結果理想，但在設計的100 MHz帶寬內效率達到了70%，在200 MHz頻帶范圍，輸出功率和漏極效率有所降低，效率也在65%以上，與傳統的功率放大器相比效率有很大提高。

圖8 功率放大器實物圖

圖9 輸入輸出功率曲線

圖10 漏極效率與頻率的曲線

3 結 語

針對目前微波功率放大器效率比較低的問題，提出將開關模式E類功率放大器與先進的寬禁帶功率放大器相結合，研制了一種基于寬禁帶功率器件的高效E類功率放大器，有效提高功率放大器的輸出功率、功率效率等性能。分析了E類功率放大器的工作原理，利用ADS 仿真軟件進行功率放大器實際設計，并進行了仿真分析和實物測試。結果表明，E類寬禁帶功率放大器在設計頻段內的輸出功率和效率都比較理想，實際測試的漏極效率最大值為74.8%，證實了設計方法的有效性。將新型的高效E類功率放大器設計與第三代寬禁帶器件相結合，對于推動寬禁帶功率放大器的應用具有重要意義，進而可以在雷達、通訊系統等領域的小型化、高效率和高功率等方面的發展具有積極的推進作用。

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