基于諧波調諧技術的功率放大器研究 ①

郭 超，楊 飛，李霄梟，于洪喜，黃微波

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著電子設備的日益小型化，如何在有限空間實現設備的持久使用，是近年來各廠商重點關注的問題。由于目前電池容量上的限制，需將研究方向放到效率提升上。同樣對于功率容量有限的星載設備，提升其散熱性能以及使用壽命的重點，仍然是系統整體效率水平[1,2]。作為主要耗能模塊的功率放大器(Power Amplifier, PA，簡稱功放)，其效率高低，基本上決定了系統整體功耗程度。由于電子產品的不斷更新換代，傳統功放設計愈加難以勝任要求日益嚴格的各項指標，因此諧波調諧技術[3]、包絡跟蹤技術[4]等關于功放性能提升的研究始終經久不衰。

經典類功放根據靜態偏置點不同進行區分，通過對柵極電壓的調整，能夠在增益和效率方面進行折中設計。通常隨著導通角的減小，犧牲部分增益的同時會提高功放效率。如果能夠對電路中的諧波進行利用，調整功放的漏極和柵極處電壓和電流波形，減小二者交疊產生的功率耗散，就能夠較為明顯的提高功放效率；并且還能保證同時提高功放增益，這就是諧波調諧功放的基本原理。其中較為常見的是F類功放[5,6]和逆F類功放[7,8]，通過調節諧波阻抗進而調整輸出波形，將電壓或者電流波形調整為近似方波狀態，減小了能量損耗從而提高了功放效率。

1 諧波調諧理論

諧波調諧能夠對功放指標有著整體上的提高，包括了輸出功率、增益、效率以及線性度等方面。實際上在高頻應用中，有源器件在輸出端口被一個簡化模型等效描述，其可以用一個控制電流源 表示，以及由一個電導 和一個電容 分流，輸入端口由一個電阻 和電容 組成[9]，具體結構如圖1所示。

圖1 用于簡化分析的場效應晶體管等效電路

忽略器件的寄生現象，并假定其為單端單向輸入，由受控源提供的電流僅由輸入驅動信號施加，能夠發現其漏極處的電流波形主要受到Vgs影響，這里對應的諧波分量In為：

(1)

其中φ為電流的導通角，IMax為輸出電流最大值，主要受到輸入端的驅動信號和偏置點的影響。漏極處的電壓波形受負載阻抗的影響較大，因此在考慮提高諧波控制功放效率時，同時考慮柵極電壓、驅動信號以及負載阻抗，在電流較大時調節電壓有較低值，反之亦然。

實際功放設計基本上存在各次諧波的影響，漏極對源極的輸出電壓(vDS)為漏極電源電壓(VDD)與各次諧波電壓(Vn)的差值，為了方便計算，以基頻幅值進行歸一化：

(2)

如果再考慮到高次諧波的衰減和寄生參數的短路效應，只考慮到三次諧波的影響，那么漏極對源極電壓可以寫成：

vDS(t)=VDD-V1·[cos(ωt)+k2·cos(2ωt)+k3·cos(3ωt)]

(3)

諧波功放設計就是調節其中k2和k3的值，以達到符合期望的輸出電壓值，提高傳輸到負載端的實功率。對于各類諧波調諧功放來說，其參考標準為無諧波控制情況。

2 諧波調諧功率放大器

諧波調諧功放根據利用的諧波模式，可分為負載調諧功放、三次諧波調諧功放、二次諧波調諧功放和二三次諧波調諧功放[3,10]。負載調諧功放(Tuned Load Power Amplifier，TLPA)，即無諧波調諧情況，理論上將其輸入和輸出網絡的高次諧波全部短路，消除了諧波對于輸出電壓和電流波形的影響，其基頻阻抗可表示為：

(4)

其中V1,TL為漏極電壓的振幅，Imax為漏極電流的最大值。

由于諧波注入會提高基頻電壓的幅度，這里定義諧波調諧后的基頻電壓增益參數δHT：

(5)

三次諧波調諧功放(3rd Harmonic Tuned PA, 3HTPA)，即F類功放[5,11]，理論上將其輸入和輸出網絡的二次諧波全部短路。此時對于3HTPA可以簡化成如下形式：

VDS,N=cos(ωt)-k3·cos(3ωt)

(6)

F類功放漏極處的電流和電壓波形情況，電壓波形近似為方波，減少了與電流波形的交疊，提高了傳輸到輸出端的實功率，同時提高了功放的漏極效率。

二次諧波調諧功放(2nd Harmonic Tuned PA, 2HTPA)，過激2HTPA也被稱為逆F類功放[7,12]；其原理是利用二次諧波對電壓波形賦形，三次項諧波短路，對漏極電壓歸一化處理：

VDS,N=cos(ωt)-k2·cos(2ωt)

(7)

對于2HTPA而言，在的波形調整方面，3HTPA依靠電路中的三次諧波與基頻電壓合成近似方波，而2HTPA則是在輸入端的大信號驅動下，由漏極電流過飽和而產生的近似方波狀態，因此逆F類功放有著更為明顯的效率上的提升。

二次和三次諧波調諧功放(2nd&3rd Harmonic Tuned PA, 23HTPA)，同時利用二次和三次諧波調節漏極電壓波形[3]，此時二次和三次諧波的諧波阻抗都沒有短路，其對應的歸一化漏極電壓為：

VDS,N=cos(ωt)-k2·cos(2ωt)-k3·cos(3ωt)

(8)

四種諧波調諧功放的性質總結如表1所示。其中k2和k3是最優諧波電壓比率，δ是對應的電壓增益，β是電壓非對稱性評估參量，η是漏極效率提升的最大理論值。

表1 諧波調諧功放性質歸納

3 諧波調諧功放仿真對照

仿真采用CREE公司的CGH40010F晶體管模型，柵極電壓VGS=-2.1V，漏極電壓VDS=28V，工作頻率f=1.5GHz，膝點電壓Vknee=6V。四種諧波調諧功放的負載線及其漏極電壓情況如圖2、圖3所示。

圖2 四種諧波調諧功放的負載線對照

圖3 四種諧波調諧功放漏極處電壓對照

由圖可知，隨著調諧模式的優化，負載線擺度逐漸增大，在理論上有著更高的輸出功率；漏極處電壓幅度也隨著調諧模式的改變，呈現出逐漸提高的狀態，這從某種程度上驗證了諧波調諧功放提高輸出功率的原理，且由于電壓和電流波形交疊較小，保證了功放效率不會因此而降低。

按照不同的諧波功放種類，分別進行牽引和匹配設計。這里以二次諧波功放為例，其對應的版圖設計如圖4所示：

圖4 二次諧波功放版圖設計

選擇掃頻參數輸入功率Pin于10dBm到28dBm之間進行諧波仿真，觀測四種類別功放整體的工作情況，得到各諧波功放的輸出功率、PAE仿真結果如圖5所示：

(a) 輸出功率對照 (b) PAE對照

通過圖5中仿真結果的比較，能夠發現相對于負載調諧功放，其余三種諧波調諧功放在效率和輸出功率上都有著一定程度上的提高，仿真在整體上符合表1給出的理論效率提升推導，即隨著調制諧波的幅度和數量提高，優化效果隨之提升，驗證了理論的可行性。

4 結論

本文對諧波調諧功率放大器的基本原理進行了簡單介紹，以無諧波調諧功放為參照，在仿真中對比了幾種諧波功放的輸出性能，能夠看到按著3HTPA、2HTPA和23HTPA的順序，在輸出功率、PAE以及增益方面都有著較為明顯提升。選擇合適的工作偏置點，引入諧波和基頻阻抗匹配，能夠對功放的性能有較為明顯的改善，符合諧波調諧功放設計相關理論。功放設計經常需要在效率、增益、輸出功率和線性度等指標間進行折中，諧波調諧技術能夠同時實現對功放效率和輸出功率的提升，對于帶寬較窄的單級功放設計是一種較為理想的設計方式，擁有良好的發展前景。