一種寬禁帶器件的高效E類功率放大器設(shè)計(jì)

安士全,曹 銳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088)

0 引 言

功率放大器是雷達(dá)、通信和電子對(duì)抗等系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一[1,2]?，F(xiàn)代軍事電子裝備不斷向小型化和集成化方向發(fā)展，對(duì)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(tǒng)可靠性。E類功率放大器采用了開關(guān)工作模式，理論效率可達(dá)100%，在高效功率放大器中的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注[3～5]。寬禁帶功率器件作為第三代半導(dǎo)體器件，因其高電子遷移率、高電壓值和高電流密度等特點(diǎn)成為研究的熱點(diǎn)[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(jié)合，可以更加有效的提高功率放大器的性能。研究結(jié)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(dá)到70%以上[9,10]。

結(jié)合E類開關(guān)模式和寬禁帶功率器件的特點(diǎn)，基于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)功率放大器的應(yīng)用環(huán)境，分析了諧振電路的特點(diǎn)，并利用微波仿真軟件advanced design systems (ADS)進(jìn)行了電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際電路測(cè)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(lián)電容型E類功率放大器,簡(jiǎn)化的等效電路如圖1所示，輸出負(fù)載回路是由并聯(lián)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(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)電容的一部分而有利于分析。這種特殊負(fù)載網(wǎng)絡(luò)使晶體管上電壓和電流不同時(shí)出現(xiàn)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(lián)電容型E類功率放大器

并聯(lián)電容型E類功率放大器的設(shè)計(jì)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(fù)載RL的計(jì)算公式(2)中，Pout是輸出功率；QL是串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。

并聯(lián)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(shí)際中應(yīng)該減去由管子寄生參數(shù)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(shè)計(jì)

E類功率放大器電路的輸出負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合F類功率放大器工作模式,實(shí)現(xiàn)電壓逼近方波,電流近似為半正弦波的條件,效率會(huì)更高。對(duì)于方波電壓,其傅里葉級(jí)數(shù)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(jù)F類放大器的原理,在電路中對(duì)二次和三次諧波的負(fù)載阻抗進(jìn)行控制,就可額外提高漏極效率。因此,這樣一種諧波控制網(wǎng)絡(luò)可由λ/4微帶線構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換用兩截開路線來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別對(duì)前4個(gè)諧波進(jìn)行抑制,開路線的電長(zhǎng)度分別被選擇為在頻率2f0、3f0、4f0、5f0的1/4波長(zhǎng),如圖3所示，這表明這4個(gè)短截線在這些諧波點(diǎn)呈現(xiàn)為低阻抗,而在電路終端很好地抑制了這些諧波點(diǎn)。

圖3 諧波抑制電路

通過(guò)前面對(duì)E類功率放大器原理的初步分析，設(shè)計(jì)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(lì)Pin=28 dBm，中心頻率1.25 GHz，介質(zhì)基板選擇Alon公司25N，介電常數(shù)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(wǎng)絡(luò),分別如圖4、圖5所示。

圖4 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

對(duì)輸入輸出匹配進(jìn)行整體電路仿真，其功率附加效率和輸出功率在各頻點(diǎn)的曲線分別如圖6、圖7所示，帶寬100 MHz內(nèi)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(jīng)表現(xiàn)出明顯的開關(guān)特性，電流和電壓達(dá)到最大的時(shí)間是錯(cuò)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(wǎng)絡(luò)稱之為諧波抑制短截線匹配拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),這樣的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)很明顯,既實(shí)現(xiàn)了阻抗轉(zhuǎn)換,又抑制了諧波成分,同時(shí),也保證了E類放大器的最佳工作模式。

2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，加工的E類功率放大器電路實(shí)物圖如圖8所示。對(duì)功率放大器進(jìn)行了測(cè)試，在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)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(nèi)輸出功率都在40 dBm以上，增益大于15 dB。各頻點(diǎn)的漏極效率曲線,如圖10所示，由圖10可以看出，盡管沒(méi)有仿真結(jié)果理想，但在設(shè)計(jì)的100 MHz帶寬內(nèi)效率達(dá)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(tǒng)的功率放大器相比效率有很大提高。

圖8 功率放大器實(shí)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(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前微波功率放大器效率比較低的問(wèn)題，提出將開關(guān)模式E類功率放大器與先進(jìn)的寬禁帶功率放大器相結(jié)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(jìn)行功率放大器實(shí)際設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)物測(cè)試。結(jié)果表明，E類寬禁帶功率放大器在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)的輸出功率和效率都比較理想，實(shí)際測(cè)試的漏極效率最大值為74.8%，證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的有效性。將新型的高效E類功率放大器設(shè)計(jì)與第三代寬禁帶器件相結(jié)合，對(duì)于推動(dòng)寬禁帶功率放大器的應(yīng)用具有重要意義，進(jìn)而可以在雷達(dá)、通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域的小型化、高效率和高功率等方面的發(fā)展具有積極的推進(jìn)作用。

[1] 朱崢嶸.國(guó)外雷達(dá)技術(shù)新進(jìn)展概述[J]. 信息化研究，2010， 36(6):8-10.

[2] 雷蒙德, 潘杰利著.微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管的理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M]. 李章華,趙國(guó)湘,冀復(fù)生,等，譯. 北京：電子工業(yè)出版社, 1987.

[3] 孫殿舉, 吳學(xué)杰, 侯磊, 等. 負(fù)載牽引法在開關(guān)類功率放大器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2010(5): 191-196.

[4] 張光義,王炳如.對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)的一些新要求與寬禁帶半導(dǎo)體器件的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2005,27(2):1-4.

[5] NARENDRA KUMAR, CHACKO PRAKASH, ANDREI GREBENNIKOV,ARTURO MEDIANO.High-Efficiency Broadband Parallel-Circuit Class E RF Power Amplifier With Reactance-Compensation Technique[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008,56(3):604-612.

[6] KESSLER D J,KAZIMIERCZUK M K.Power Losses and Efficiency of Class-E Power Amplifier at Any Duty Ratio[J].IEEE Trans.Circuits Syst.I,2004,51(9):1 675-1 689.

[7] GREBENNIKOV A V, JAEGER H. Class E with Parallel Circuit—A New Challenge for High-Efficiency RF and Microwave Power Amplifiers[C]//IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 2002(3):1 627-1 630.

[8] SUETSUGU T,KAZIMIERCZUK M K.Analysis and Design of Class E Amplifier with Shunt Capacitance Composed of Nonlinear and Linear Capacitances[J]. IEEE Trans. Circuits Syst.I,2004,51(9):1 261-1 268.