輸入端諧波抑制的高效E類寬禁帶功率放大器

曹 銳， 安士全

（中國電子科技集團公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

功率放大器是雷達、通信、電子對抗等系統(tǒng)的關鍵器件之一［1－2］?，F(xiàn)代雷達等通訊系統(tǒng)在低耗、高效和小型化等方面的快速發(fā)展，對功放效率提出了更高的要求。E類放大器由于采用開關工作模式，理論效率可達100%，因此其在高效功放中的應用得到了廣泛的關注［3－5］。寬禁帶半導體器件因其高功率密度、高效率和抗輻射等優(yōu)點成為研究的熱點［6－8］，并成為提高功放效率的重要器件。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］。但是，目前存在的諧波功率流失和高階諧波缺乏有效收集等問題，成為限制功放效率進一步提高的主要原因之一。

本文結合E類開關模式和寬禁帶功率器件的特點，基于級聯(lián)系統(tǒng)功率放大器的應用環(huán)境，分析了諧振電路的特點，首次提出在輸入匹配電路中加入諧振單元的改進方法，較好地提高了諧波的利用效率，從而有效提高了功率附加效率。通過仿真優(yōu)化設計和實際電路測試，改進型E類功率放大器的功率附加效率達到了79.6%，在同類功率放大器設計中處于先進水平，驗證了改進電路的先進性。

1 原理與方法

1.1 E類放大器的工作原理

文獻［10］最早提出E類功率放大器，圖1所示為理想E類功率放大器的原理圖［11］，包括一個開關S、偏置電壓電感Lb、場效應管結電容和外接電容之和Cs、調(diào)諧電路L－C及負載電阻RL。

圖1 理想E類功率放大器原理圖

理想情況下，當晶體管開關S閉合時，開關兩端電壓為零，開關斷開時，流過開關的電流為零，從而使得場效應管上的電壓和電流不同時出現(xiàn)，消除了由于充放電帶來的損耗，晶體管效率達到100%。L－C電路諧振在輸入信號的基頻頻率，僅傳遞一個正弦電流到達負載RL。圖2所示為理想E類放大器的電壓電流波形［12］。

圖2 理想E類放大器漏極電壓和電流輸出波形

當開關是“關”狀態(tài)時，漏極電壓Vs為：

其中，ωs為信號頻率；Ids為漏極直流分量；a和φ為常數(shù)。Vs可表示為：

E類功率放大器理想工作需具備的2個條件為：

其中，Ts為信號周期。這2個條件避免了在晶體管開關狀態(tài)改變時，由于Vs的值非零而造成電容Cs短路帶來的功率損耗，利用這些條件，常數(shù)a和φ可以計算得到：a≈1.86，φ≈－32.5°。

因此，在一個周期內(nèi)：

由（5）式和（8）式，可得基波頻率的負載阻抗ZL為：

負載網(wǎng)絡的輸入阻抗由（10）式給出：

負載元件的值可以由（9）式和（10）式的實部和虛部分部求得［13］，即

1.2 電路改進設計

常用的E類放大器電路結構，如圖3a所示。根據(jù)寬禁帶功率半導體器件的結構特點，柵源之間的等效電容Cgs與柵漏之間等效電容Cgd的比值小于傳統(tǒng)半導體功率器件，因此寬禁帶半導體器件的反向傳輸系數(shù)S12大于其他功率器件，導致由輸出端反饋至輸入端的諧波功率增加。同時，在級聯(lián)功率放大鏈路中，末級功率放大器的輸入電路中包含豐富的諧波成分，如果能利用這部分功率，則能有效提高功率放大器效率。因此，對E類放大器的電路結構進行了改進設計，在輸入端加入諧波抑制網(wǎng)絡，如圖3b所示。

圖3 E類功放結構原理圖

在實際電路設計中，對于微波頻段的E類功率放大器，其諧振網(wǎng)絡一般通過λ／4微帶線實現(xiàn)。很明顯，要想利用λ／4微帶線抑制所有諧波是不可能的。

在一般的設計中，通常對前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（f0為中心工作頻率）的1／4波長，如圖4所示，這表明這4個短截線在這些諧波點呈現(xiàn)為低阻抗，而在電路終端很好地抑制了這些諧波點。

圖4 諧波抑制電路

選擇CREE公司生產(chǎn)的寬禁帶功率管CGH40010F。偏置電壓Vds＝28V，Vgs＝－2.5V，輸入激勵Pin＝28dBm，中心頻率1.2GHz，介質(zhì)基板選擇Alon公司25N，介電常數(shù)3.38，基板厚度0.2mm，敷銅厚度35μm。

利用Agilent Advanced Design System（簡稱ADS）仿真軟件，進行實際電路的整體仿真設計和結構優(yōu)化，兼顧效率和輸出功率對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，得到最佳輸入輸出匹配網(wǎng)絡和偏置電路。

2 結果與分析

2.1 仿真結果

利用ADS軟件對改進前后的E類功率放大器電路進行仿真，功率和效率隨頻率和輸入功率的變化曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 隨頻率的仿真比較

圖6 隨輸入功率的仿真比較

由仿真結果可以看出，隨著輸入功率的增大，輸出功率和功率附加效率都隨之增大，改進型E類功率放大器的功率和效率改善比較明顯，這是由于隨著輸入功率增大功率放大器的非線性增強，諧波分量變大，進一步驗證了改進型E類功率放大器對諧波的抑制作用。當輸出功率在P1時，改進后的效率大約提高4%，而輸出功率也有明顯提高，在1.1～1.3GHz頻率范圍內(nèi)提高了0.2～0.5dB。

2.2 測試結果

根據(jù)仿真設計，對改進前后的2種E類功率放大器電路進行了投產(chǎn)加工。

對改進前后的2種E類功率放大器實際電路分別進行測試，測試條件為：連續(xù)波工作，漏極電壓28V，柵極電壓－2.5V。中心頻率為1.2GHz時，測試得到的改進前后E類功率放大器輸出功率和效率隨輸入功率的變化曲線，如圖7所示?？梢钥吹?，隨著輸入功率的增大，輸出功率和效率都隨之增大，且改進型E類功率放大器的輸出功率和效率的提高越來越明顯。

固定輸入功率為27dBm，使器件工作在近似飽和狀態(tài)，在1.1～1.3GHz頻率范圍內(nèi)，對改進前后E類功率放大器電路輸出功率和效率進行了測試比較，如圖8所示。可以看到，改進后的E類寬禁帶功率放大器在設計的頻段內(nèi)輸出功率保持在10W以上，功率附加效率最大達到79.6%，增益13dB。由此看出，在近似飽和工作狀態(tài)下，由于器件的非線性增強，諧波分量較大，由于對諧波分量進行了抑制設計，改進后的功率放大器的功率和效率在設計頻段內(nèi)都比改進前得到了明顯的改善，進一步驗證了諧波抑制的有效性。

圖7 隨輸入功率的測試比較

圖8 隨頻率的測試比較

3 結束語

針對E類寬禁帶功率放大器目前存在的諧波功率流失問題，提出在輸入端增加諧波抑制網(wǎng)絡的設計改進方法，研制了一種改進型高效E類寬禁帶功率放大器；分析了E類功率放大器的工作原理，討論了輸入端諧波抑制的影響，提出電路改進方法并進行了仿真分析和實物測試。結果表明，改進后的E類寬禁帶功率放大器在所設計頻段內(nèi)的輸出功率和效率都有明顯提高，實際測試得到的效率最大值為79.6%，證明了輸入端諧波抑制改進設計方法的有效性。

該高效寬禁帶功率放大器的研制，對于雷達等通訊系統(tǒng)在小型化、高效率、高功率等方面的發(fā)展具有積極的推進作用。

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