高效率F類功率放大器設(shè)計

王程+于洪喜

摘 要： F類功率放大器是一種高效率的放大器，其理論效率可以達到100%，在無線通信領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用和廣闊的發(fā)展前景。簡要闡述了F類放大器的基本理論，并對其效率進行了分析。設(shè)計出了帶有輸入輸出諧波控制的高效率F類功率放大器，仿真結(jié)果表明在工作頻率1 GHz時，輸出功率為38 dBm，功率附加效率為74%；輸出功率和功率附加效率都優(yōu)于同條件下的B類功率放大器。

關(guān)鍵詞： F類功率放大器； 高效率放大器； 負載牽引法； 無線通信

中圖分類號： TN722?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0077?03

0 引 言

功率放大器作為無線通信系統(tǒng)中重要的前端器件，在移動通信、射頻識別、雷達、電子對抗等很多領(lǐng)域都扮演著非常重要的角色。射頻功率放大器的損耗、效率、功率等都已經(jīng)成為影響這些系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題。

隨著無線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對“高效率”的需求日益增加。由于功率放大器的效率將直接影響系統(tǒng)效率，因此，工作效率的提高，已經(jīng)成為功率放大器研究的一個攻關(guān)難題。F類功率放大器是非線性放大器的一種，也稱為開關(guān)類功率放大器。在F類工作模式分析中，通過諧波阻抗的峰化從而控制漏極的電壓和電路的波形，最終得到效率的提高，理論效率可以達到100%。而且由于F類功率放大器的易實現(xiàn)性，其得到了更加廣泛的關(guān)注[1?4]。

1 F類功率放大器的基本理論

線性放大器中，晶體管作為受控源。晶體管的損耗造成了功率放大器主要的功率損耗。而在非線性功率放大器中，晶體管作為一個開關(guān)，其工作狀態(tài)是開或者是關(guān)，這樣晶體管的電壓和電流不存在交疊，晶體管管耗降低從而提高效率。F類功放通過設(shè)計諧波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)漏極電壓和電流波形的控制，實現(xiàn)對漏極電壓電流波形的整形。從而實現(xiàn)漏極電流波形為半正弦波，漏極電壓波形為方波。而且在漏極電壓和電流之間不存在疊加現(xiàn)象，這樣理想的漏極效率可以達到100%。理想的F類功率放大器電壓與電流波形如圖1所示。

圖1 理想F類電流和電壓波形

理想的F類放大器漏極效率能達到100%，實現(xiàn)該理想效率需實現(xiàn)的阻抗條件為式（1）：

[Z1=R1=8πVCCIs Zn=0， n為偶數(shù) Zn=∞， n為奇數(shù)] （1）

這里，電壓的方波是由幾次諧波的總和得到，而半正弦電流波形是由基波和偶次諧波的總和近似得到的。

[v（θ）=VCC+V1sinθ+n=3，5，7...∞Vnsinnθ] （2）

[i（θ）=I0-I1sinθ-n=2，4，6...∞Incosnθ] （3）

式中：[θ=ω0t，][ω0=2πf0，][f0]是基波頻率 [3，5?7]。

實際中用硬件實現(xiàn)諧波阻抗的條件是不可能的，但是用若干個電流和電壓諧波分量的峰化就可以在一定程度上提高功率放大器的效率，從而實現(xiàn)功率放大器高效率的工作。雖然包含的諧波分量越多，越接近理想波形，而且漏極效率會隨著電壓和電流諧波數(shù)目的增加而提高。但是由于實際中晶體管并非理想狀態(tài)，晶體管中存在漏源電容[Cds，]該電容導(dǎo)致在經(jīng)過晶體管之后高次諧波會被短路。諧波原本就有一定的損失之后就不能在波形成型時給予幫助。而且更多的諧波就意味著輸出端需要更多的諧波匹配枝節(jié)，在實際中，這將造成更多的輸出損耗從而影響效率。綜上，考慮到上述條件加上實際電路中的可行性，本文考慮到三次諧波[8?9]。

各種不同電壓與電流諧波分量組合后的效率見表1?？梢钥闯?，二次諧波和三次諧波的抑制對改善輸出效率有很大的作用。

表1 不同電壓和電流諧波分量組合后得到的效率

[＼&電壓諧波成分＼&1＼&1，3＼&1，3，5＼&1，3，5，7＼&1，3，5，7，…＼&電

流

諧

波

成

分＼&1＼&0.5＼&0.563＼&0.586＼&0.598＼&0.673＼&1，2＼&0.667＼&0.75＼&0.781＼&0，798＼&0.849＼&1，2，4＼&0.711＼&0.8＼&0.833＼&0.851＼&0.905＼&1，2，4，6＼&0.731＼&0.823＼&0.857＼&0.875＼&0.931＼&1，2，4，6，…＼&0.785＼&0.884＼&0.92＼&0.94＼&1＼&]

2 F類放大器的仿真設(shè)計

本文采用仿真軟件ADS對F類放大器進行設(shè)計仿真?；贔類放大器的原理，設(shè)計了輸出端口的諧波控制電路。由于在射頻頻段，整個電路的設(shè)計采用了全微帶結(jié)構(gòu)。

F類放大器的偏置點通常為B類，一般要求其輸出基波阻抗能夠使得放大器的輸出功率足夠大，即為基波阻抗的共軛匹配；而二次諧波阻抗為短路，三次諧波阻抗為開路，從而獲得二次電流諧波成分和三次電壓諧波成分。輸出端的諧波匹配枝節(jié)如圖2所示。

實際設(shè)計中采用FREESCALE公司的LDMOS晶體管MRF281Z，中心頻率為1 GHz，晶體管偏置為[Vgs=]3.5 V，[Vds=]26 V，輸入功率為20 dBm。介質(zhì)基板為ROGERS公司的5880，介電常數(shù)為2.22，板材厚度為[H=]0.254 mm，微帶線銅箔厚度為[T=17] μm。實際微帶線的尺寸可以根據(jù)基板的參數(shù)和頻率用ADS軟件計算得出。

圖2 F類放大器諧波控制網(wǎng)絡(luò)

實際設(shè)計中的F類放大器諧波控制網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。對諧波控制電路的[S]參數(shù)進行仿真分析，仿真得到輸入、輸出反射系數(shù)的Smith圓圖如圖4所示，二次諧波的阻抗值趨向于零，三次諧波阻抗值趨向于無窮大。這就實現(xiàn)了二次諧波信號的短路和三次諧波信號的開路，實現(xiàn)了基本理論中的諧波成型的條件。

圖3 F類放大器諧波控制網(wǎng)絡(luò)

圖4 F類放大器輸出端諧波控制電路的[S]參數(shù)

采用負載牽引法對最佳阻抗值進行確定。負載牽引法是一種利用自動調(diào)配器，調(diào)節(jié)源和負載阻抗的與阻抗相關(guān)的測量技術(shù)。其測量的主要的獨立參數(shù)是某一特定頻率上呈現(xiàn)的被測系統(tǒng)的負載阻抗。這種測量技術(shù)的原理是給定輸入功率的情況下，利用自動調(diào)配器通過改變源阻抗或者負載阻抗，測量被測系統(tǒng)的輸入、輸出功率以及功率附加效率等參數(shù)，同時記錄對應(yīng)的源阻抗和負載阻抗的數(shù)值。經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)處理后，得到阻抗與被測參數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)。從而可以獲得最大功率附加效率等狀態(tài)下所需的最佳源阻抗和負載阻抗，以此得到輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的最佳設(shè)計方案[10?11]。

在F類放大器設(shè)計中，要將諧波控制枝節(jié)和晶體管一起加入，進行負載牽引。因為若是先由負載牽引得到晶體管的最佳阻抗再進行諧波的控制成型，必然造成最佳阻抗值的變化，則不能得到最大的功率附加效率值。利用理想微帶仿真帶有控制枝節(jié)的F類放大器負載牽引結(jié)果得出最高效率有83%，得出最佳負載阻抗為20.891-j*30.537。同理進行源牽引，得到最佳源阻抗值。對最佳源阻抗和最佳負載阻抗進行共軛匹配，對整個F類放大器做大信號諧波平衡分析，其原理圖如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以知道二次諧波和三次諧波都得到了很好的抑制，效率得到了很大的提高。經(jīng)過調(diào)諧，輸出功率可以達到38 dBm，此時，最大功率附加效率能達到74%，如圖6所示。

圖6 F類放大器的輸出功率與PAE

3 F類放大器與B類放大器的對比

由于F類放大器通常選取的直流偏置點是B類放大器的偏置點，而且F類放大器也是由B類放大器衍生出來的過激類的極端情況。所以這里用相同的偏置點對B類進行簡單設(shè)計，通過對比得出F類放大器的效率優(yōu)勢。

選擇相同的晶體管、偏置點、輸入功率以及相同的基板進行B類放大器的仿真。同樣進行負載牽引和源牽引，僅僅是在諧波的處理上與F類有所不同。

進行負載牽引時，B類放大器負載牽引結(jié)果最佳效率只有67%。匹配最終得到B類放大器在輸入功率為20 dBm時，最大輸出功率有34.9 dBm，此時得到的最大功率附加效率為66%。如圖7所示。

圖7 B類放大器輸出功率與PAE

由此看出F類放大器相較B類有更優(yōu)的輸出功率和功率附加效率。

4 結(jié) 論

本文基于FREESCALE公司的LDMOS晶體管MRF281Z解析設(shè)計了1 GHz高效率F類功率放大器，并與同頻段該晶體管設(shè)計的B類功率放大器進行了簡單比較。單音測試結(jié)果表明，該F類放大器在輸入功率20 dBm時，功率附加效率有74%，此時輸出功率有38 dBm。效率和輸出功率都優(yōu)于B類放大器。

參考文獻

[1] LI Richard Chi?His. RF circuit design [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011

[2] KIM Joon Hyung， JO Gweon Do， OH Jung Hoon， et al. Modeling and design metheodology of high?efficiency class?F and class?F?1 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology， 2011， 59（1）： 153?164.

[3] 倪春，吳先良.L波段高效率F類功率放大器的研究與設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（8）：1249?1252.

[4] 付釗遠.大功率寬帶F類功率放大器設(shè)計與調(diào)試策略分析[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[5] GAO S. High?efficiency class?F RF/Microwave power amplifiers [J]. IEEE Microwave Mag， 2006， 7（2）： 82?86.

[6] CRIPPS S C. RF power amplifier for wireless communications [M]. [S.l.]： Artech House， 2006.

[7] CRIPPS S C. Advanced techniques in RF power amplifier design [M]. [S.l.]： Artech House， 2002.

[8] 徐櫻杰，王晶琦，朱曉維.GaN逆F類高效率功率放大器及線性化研究[J].電子與信息學(xué)報，2012，34（4）：981?985.

[9] THIAN M， FUSCO V F. Analysis and design of class?E3F and transmission?line class?E3F2 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems， 2011， 58（5）： 902?912.

[10] 潘和平.基于負載源牽引法的微波大功率自動測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[11] 齊偉偉.基于負載/源牽引法的微波大功率自動測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

圖3 F類放大器諧波控制網(wǎng)絡(luò)

圖4 F類放大器輸出端諧波控制電路的[S]參數(shù)

采用負載牽引法對最佳阻抗值進行確定。負載牽引法是一種利用自動調(diào)配器，調(diào)節(jié)源和負載阻抗的與阻抗相關(guān)的測量技術(shù)。其測量的主要的獨立參數(shù)是某一特定頻率上呈現(xiàn)的被測系統(tǒng)的負載阻抗。這種測量技術(shù)的原理是給定輸入功率的情況下，利用自動調(diào)配器通過改變源阻抗或者負載阻抗，測量被測系統(tǒng)的輸入、輸出功率以及功率附加效率等參數(shù)，同時記錄對應(yīng)的源阻抗和負載阻抗的數(shù)值。經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)處理后，得到阻抗與被測參數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)。從而可以獲得最大功率附加效率等狀態(tài)下所需的最佳源阻抗和負載阻抗，以此得到輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的最佳設(shè)計方案[10?11]。

在F類放大器設(shè)計中，要將諧波控制枝節(jié)和晶體管一起加入，進行負載牽引。因為若是先由負載牽引得到晶體管的最佳阻抗再進行諧波的控制成型，必然造成最佳阻抗值的變化，則不能得到最大的功率附加效率值。利用理想微帶仿真帶有控制枝節(jié)的F類放大器負載牽引結(jié)果得出最高效率有83%，得出最佳負載阻抗為20.891-j*30.537。同理進行源牽引，得到最佳源阻抗值。對最佳源阻抗和最佳負載阻抗進行共軛匹配，對整個F類放大器做大信號諧波平衡分析，其原理圖如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以知道二次諧波和三次諧波都得到了很好的抑制，效率得到了很大的提高。經(jīng)過調(diào)諧，輸出功率可以達到38 dBm，此時，最大功率附加效率能達到74%，如圖6所示。

圖6 F類放大器的輸出功率與PAE

3 F類放大器與B類放大器的對比

由于F類放大器通常選取的直流偏置點是B類放大器的偏置點，而且F類放大器也是由B類放大器衍生出來的過激類的極端情況。所以這里用相同的偏置點對B類進行簡單設(shè)計，通過對比得出F類放大器的效率優(yōu)勢。

選擇相同的晶體管、偏置點、輸入功率以及相同的基板進行B類放大器的仿真。同樣進行負載牽引和源牽引，僅僅是在諧波的處理上與F類有所不同。

進行負載牽引時，B類放大器負載牽引結(jié)果最佳效率只有67%。匹配最終得到B類放大器在輸入功率為20 dBm時，最大輸出功率有34.9 dBm，此時得到的最大功率附加效率為66%。如圖7所示。

圖7 B類放大器輸出功率與PAE

由此看出F類放大器相較B類有更優(yōu)的輸出功率和功率附加效率。

4 結(jié) 論

本文基于FREESCALE公司的LDMOS晶體管MRF281Z解析設(shè)計了1 GHz高效率F類功率放大器，并與同頻段該晶體管設(shè)計的B類功率放大器進行了簡單比較。單音測試結(jié)果表明，該F類放大器在輸入功率20 dBm時，功率附加效率有74%，此時輸出功率有38 dBm。效率和輸出功率都優(yōu)于B類放大器。

參考文獻

[1] LI Richard Chi?His. RF circuit design [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011

[2] KIM Joon Hyung， JO Gweon Do， OH Jung Hoon， et al. Modeling and design metheodology of high?efficiency class?F and class?F?1 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology， 2011， 59（1）： 153?164.

[3] 倪春，吳先良.L波段高效率F類功率放大器的研究與設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（8）：1249?1252.

[4] 付釗遠.大功率寬帶F類功率放大器設(shè)計與調(diào)試策略分析[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[5] GAO S. High?efficiency class?F RF/Microwave power amplifiers [J]. IEEE Microwave Mag， 2006， 7（2）： 82?86.

[6] CRIPPS S C. RF power amplifier for wireless communications [M]. [S.l.]： Artech House， 2006.

[7] CRIPPS S C. Advanced techniques in RF power amplifier design [M]. [S.l.]： Artech House， 2002.

[8] 徐櫻杰，王晶琦，朱曉維.GaN逆F類高效率功率放大器及線性化研究[J].電子與信息學(xué)報，2012，34（4）：981?985.

[9] THIAN M， FUSCO V F. Analysis and design of class?E3F and transmission?line class?E3F2 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems， 2011， 58（5）： 902?912.

[10] 潘和平.基于負載源牽引法的微波大功率自動測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[11] 齊偉偉.基于負載/源牽引法的微波大功率自動測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

圖3 F類放大器諧波控制網(wǎng)絡(luò)

圖4 F類放大器輸出端諧波控制電路的[S]參數(shù)

采用負載牽引法對最佳阻抗值進行確定。負載牽引法是一種利用自動調(diào)配器，調(diào)節(jié)源和負載阻抗的與阻抗相關(guān)的測量技術(shù)。其測量的主要的獨立參數(shù)是某一特定頻率上呈現(xiàn)的被測系統(tǒng)的負載阻抗。這種測量技術(shù)的原理是給定輸入功率的情況下，利用自動調(diào)配器通過改變源阻抗或者負載阻抗，測量被測系統(tǒng)的輸入、輸出功率以及功率附加效率等參數(shù)，同時記錄對應(yīng)的源阻抗和負載阻抗的數(shù)值。經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)處理后，得到阻抗與被測參數(shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)。從而可以獲得最大功率附加效率等狀態(tài)下所需的最佳源阻抗和負載阻抗，以此得到輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的最佳設(shè)計方案[10?11]。

在F類放大器設(shè)計中，要將諧波控制枝節(jié)和晶體管一起加入，進行負載牽引。因為若是先由負載牽引得到晶體管的最佳阻抗再進行諧波的控制成型，必然造成最佳阻抗值的變化，則不能得到最大的功率附加效率值。利用理想微帶仿真帶有控制枝節(jié)的F類放大器負載牽引結(jié)果得出最高效率有83%，得出最佳負載阻抗為20.891-j*30.537。同理進行源牽引，得到最佳源阻抗值。對最佳源阻抗和最佳負載阻抗進行共軛匹配，對整個F類放大器做大信號諧波平衡分析，其原理圖如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以知道二次諧波和三次諧波都得到了很好的抑制，效率得到了很大的提高。經(jīng)過調(diào)諧，輸出功率可以達到38 dBm，此時，最大功率附加效率能達到74%，如圖6所示。

圖6 F類放大器的輸出功率與PAE

3 F類放大器與B類放大器的對比

由于F類放大器通常選取的直流偏置點是B類放大器的偏置點，而且F類放大器也是由B類放大器衍生出來的過激類的極端情況。所以這里用相同的偏置點對B類進行簡單設(shè)計，通過對比得出F類放大器的效率優(yōu)勢。

選擇相同的晶體管、偏置點、輸入功率以及相同的基板進行B類放大器的仿真。同樣進行負載牽引和源牽引，僅僅是在諧波的處理上與F類有所不同。

進行負載牽引時，B類放大器負載牽引結(jié)果最佳效率只有67%。匹配最終得到B類放大器在輸入功率為20 dBm時，最大輸出功率有34.9 dBm，此時得到的最大功率附加效率為66%。如圖7所示。

圖7 B類放大器輸出功率與PAE

由此看出F類放大器相較B類有更優(yōu)的輸出功率和功率附加效率。

4 結(jié) 論

本文基于FREESCALE公司的LDMOS晶體管MRF281Z解析設(shè)計了1 GHz高效率F類功率放大器，并與同頻段該晶體管設(shè)計的B類功率放大器進行了簡單比較。單音測試結(jié)果表明，該F類放大器在輸入功率20 dBm時，功率附加效率有74%，此時輸出功率有38 dBm。效率和輸出功率都優(yōu)于B類放大器。

參考文獻

[1] LI Richard Chi?His. RF circuit design [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011

[2] KIM Joon Hyung， JO Gweon Do， OH Jung Hoon， et al. Modeling and design metheodology of high?efficiency class?F and class?F?1 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology， 2011， 59（1）： 153?164.

[3] 倪春，吳先良.L波段高效率F類功率放大器的研究與設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010（8）：1249?1252.

[4] 付釗遠.大功率寬帶F類功率放大器設(shè)計與調(diào)試策略分析[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[5] GAO S. High?efficiency class?F RF/Microwave power amplifiers [J]. IEEE Microwave Mag， 2006， 7（2）： 82?86.

[6] CRIPPS S C. RF power amplifier for wireless communications [M]. [S.l.]： Artech House， 2006.

[7] CRIPPS S C. Advanced techniques in RF power amplifier design [M]. [S.l.]： Artech House， 2002.

[8] 徐櫻杰，王晶琦，朱曉維.GaN逆F類高效率功率放大器及線性化研究[J].電子與信息學(xué)報，2012，34（4）：981?985.

[9] THIAN M， FUSCO V F. Analysis and design of class?E3F and transmission?line class?E3F2 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems， 2011， 58（5）： 902?912.

[10] 潘和平.基于負載源牽引法的微波大功率自動測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[11] 齊偉偉.基于負載/源牽引法的微波大功率自動測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.