安士全，曹 銳

(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230031)

0 引言

在雷達(dá)、通訊系統(tǒng)的功耗中發(fā)射機(jī)占了絕大部分，而其末級(jí)的功率放大器又是發(fā)射機(jī)中功耗最大的部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)于不同類型的發(fā)射機(jī)，末級(jí)功率放大器占整個(gè)系統(tǒng)功耗的60%～90%。因此，設(shè)計(jì)一種高效率功放，對(duì)于雷達(dá)、通訊等電子設(shè)備提高效率，降低電源損耗，減小體積重量，降低維護(hù)成本具有重要的意義［1，2］。

F類放大器采用開關(guān)放大模式，即晶體管工作在“導(dǎo)通”和“截止”兩種不連續(xù)的狀態(tài)，其理想效率可達(dá)100%。因此，F(xiàn)類放大器受到了越來越多的關(guān)注，并在很多場(chǎng)合得到了應(yīng)用。下面對(duì)開關(guān)模式F類功率放大器的原理進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了一款F類射頻功率放大器，其效率達(dá)到75%。

1 F類放大器的工作原理及特點(diǎn)

理想F類放大器的輸出端工作電流與電壓波形，如圖 1 所示［3］。

F類放大器的效率與漏極的諧波終端密切相關(guān)，在理想情況下，為了形成方波電壓和半正弦電流波形，在偶次諧波上最佳負(fù)載呈現(xiàn)為短路狀態(tài)高阻抗，而在所有高于基波的奇次諧波處傳輸線都相當(dāng)于開路狀況。這樣奇次諧波的總和構(gòu)成了方波電

圖1 理想F類放大器電流、電壓波形

壓，基次和偶次諧波的總和近似為半個(gè)正弦電流形式，表達(dá)式為

式中，θ=ω0t，ω0為基波的角頻率;Vn與In分別為n次諧波的電壓和電流。

理想情況下漏極效率為100%，對(duì)應(yīng)的阻抗條件為

以上理想的F類功率放大器的工作條件可以使用具有無耗的λ/4傳輸線和具有無限品質(zhì)因數(shù)的諧振回路相串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。顯然理想的無限品質(zhì)因數(shù)的諧振回路是不存在的，不可能實(shí)現(xiàn)理想的諧波阻抗條件，但用若干個(gè)電流和電壓分量峰化，就可以達(dá)到功率放大器的高效率的目的。理論上，由高階諧波分量構(gòu)成并提供的電壓波形愈平坦，由輸出電流引起的功率耗散越?。?～6］。

2 F類寬禁帶放大器的設(shè)計(jì)

根據(jù)前面對(duì)F類功率放大器的分析，選取GaN功率管CGH40010F在S波段設(shè)計(jì)一個(gè)F類功率放大器。介質(zhì)基板選用Rogers公司的RT6002，介電常數(shù) 2.94，基板厚度 0.508 mm，敷銅厚度 35 μm。微帶線形式的F類功率放大器原理圖，如圖2所示。

圖2 微帶線F類功率放大器原理圖

輸出端提供的基波頻率傳輸線的電長(zhǎng)度分別為

式中，Z0是微帶線的特性阻抗;Cout是有源器件的輸出電容。

按照上面的公式進(jìn)行微帶線設(shè)置，在輸出端構(gòu)成一個(gè)有諧波控制功能的諧振器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)二次諧波短路，三次諧波開路的最平坦波形的近似，從而實(shí)現(xiàn)放大器的高效輸出。實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于晶體管內(nèi)在的和外在的兩方面的寄生參數(shù)的存在對(duì)效率產(chǎn)生很大的影響，特別是微波頻段，輸出引線電感的影響應(yīng)該考慮。在經(jīng)過整體仿真和微調(diào)后具體的輸入輸出匹配及偏置電路如圖3，4所示。

圖3 功率放大器輸入匹配電路

圖4 功率放大器輸出匹配電路

對(duì)以上的輸入輸出匹配電路進(jìn)行整體仿真，附加效率和輸出功率的仿真結(jié)果如圖5，6所示，在100 MHz帶寬內(nèi)，輸出功率的附加效率PAE最高達(dá)到80%以上，輸出功率Pout大于10 W。

根據(jù)F類放大器對(duì)各次諧波控制的要求，理想狀態(tài)下功率管輸出端電壓和電流分別為半周期的方波和正弦波，實(shí)際的電壓、電流波形如圖7，8所示。

可以看到圖中的電壓和電流波形已經(jīng)近似為方波和正弦波，要想得到更為理想的F類功率放大器，需要增加諧波抑制的次數(shù)，但隨之帶來的問題可能是隨著諧波抑制增加微帶線長(zhǎng)度增加，損耗增加，導(dǎo)致功率放大器的效率增加并不明顯，因此F類功率放大器的諧波抑制并不是越大越好，在一般工程應(yīng)用中三次諧波抑制通?？梢詽M足要求。F類功率放大器實(shí)物圖，如圖9所示。

圖9 F類功率放大器實(shí)物圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)功率模塊進(jìn)行測(cè)試，在各頻率點(diǎn)的輸出功率隨輸入功率的曲線，如圖10所示;經(jīng)計(jì)算各頻點(diǎn)的漏極效率曲線，如圖11所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的F類放大器在0.5 GHz帶寬內(nèi)輸出功率都在39 dBm以上，效率大于58%，效率最高為75%，隨著效率升高，輸出功率降低。與仿真結(jié)果相比，效率有所下降，但帶寬更寬，總體測(cè)試結(jié)果比較滿意，說明仿真設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)語

對(duì)F類功率放大器的工作原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，并據(jù)此成功設(shè)計(jì)了S波段10 W高效功率放大器，效率達(dá)到75%，增益12 dB，F(xiàn)類功率放大器是實(shí)現(xiàn)功放小型化、高效率和高功率的重要途徑。應(yīng)用在雷達(dá)、通訊和電子對(duì)抗等領(lǐng)域。

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