寬帶射頻功放晶體管非線性輸出電容研究

於建生,桑 磊,孫世滔,王 華

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009;3.安徽華東光電技術研究所,安徽 蕪湖 241002)

寬帶射頻功放晶體管非線性輸出電容研究

於建生1,桑 磊2,孫世滔2,王 華3

(1.海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室,安徽 合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009;3.安徽華東光電技術研究所,安徽 蕪湖 241002)

分析了GaN(氮化鎵)HEMT(高電子遷移率晶體管)非線性輸出電容Cout與寬帶功放效率的關系。通過建立非線性電路模型分析得出,利用Cout控制漏極端電壓電流波形能減輕對諧波阻抗的精確要求,使高效率阻抗區(qū)域擴大化,從而使寬帶功放匹配變?yōu)榭赡堋＿x用GaN HEMT器件設計2～3 GHz頻段射頻功率放大器,實測結果為該放大器最高漏極效率(DE)為81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率為40.75 dBm。在1 GHz帶寬內(nèi)PAE也可達65%以上。實測結果驗證了原理分析的可靠性,提出的方法不僅可用于寬帶GaN功率放大器設計,對其他類型的微波功放設計同樣有借鑒作用。

連續(xù)F類放大器;高效率;寬帶;非線性電容

隨著近來4G牌照的發(fā)放,4G建設對通信系統(tǒng)的性能要求達到了一個新的高度。無論是移動終端還是無線基站,都需要越來越高的效率和帶寬以延長設備使用壽命,提高數(shù)據(jù)傳輸率。這也給射頻功率放大器的設計帶來了新的挑戰(zhàn),作為無線通信系統(tǒng)中的關鍵性部件,射頻功放的效率和帶寬指標直接決定著系統(tǒng)性能。

傳統(tǒng)的開關類放大器如F逆F類[1-2]開關類放大器是默認輸出端電容為線性,將諧波終端匹配到特定阻抗,如偶次諧波開路,奇次諧波短路,從而在晶體管漏極端形成特定電壓電流波形,且波形之間無重疊,達到理論上100%的效率。但實際上,在射頻頻段只有一小部分諧波能被控制,且受到晶體管實際輸出電容的影響,實際效率會大幅降低。且通常諧波特定阻抗是利用1/4波長線來進行晶體管外部匹配,結果網(wǎng)絡的有載品質(zhì)因數(shù)Q大幅提高,相應帶寬變窄,一般在10%左右。傳統(tǒng)開關類功放這種固有的窄帶性能使他很難應用在寬帶或多帶寬收發(fā)電路中。

所謂連續(xù)F類放大器[3]就是超寬帶高效率功放,它是從傳統(tǒng)F類放大器的理論延伸而來。利用非線性輸出電容的特性,它所提供的諧波阻抗具有較強的容差性,在較寬的帶寬范圍內(nèi)都能滿足高效率要求,無需講諧波阻抗匹配到特定阻抗,這也省去了帶來窄帶效應的四分之一波長諧波共振電路結構。器件的輸出電容與外部匹配電路一起控制所需頻帶內(nèi)電壓電流波形,從而達到高效,寬帶的性能。

本文從理論和仿真重點分析了非線性輸出電容Cout在連續(xù)F類放大器電路中的重要作用,制作實物驗證了利用Cout設計的連續(xù)F類放大器在超寬帶,高效率方面的優(yōu)秀性能。

1 非線性輸出電容Cout作用機理分析

由連續(xù)F類放大器的理論[4]可知,要獲得理想連續(xù)F類最優(yōu)效率,基波及諧波的阻抗應滿足:

(1)

(2)

Z3F=∞

(3)

從晶體管漏極端電壓電流波形開始分析。首先利用ADS建立具有非線性電容的大信號模型,如圖1所示,且可得到計算Cout的公式[6-7]

Cout(Vds)=Cout0+A·[1+tanh(B·Vds+C)]

(4)

其中,Cout0=1.9,A=1 192.4,B=-0.059 471 4,C=-2.946 96。此模型是Cree公司輸出功率為10W的氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)近似大信號模型CGH40010,以用來幫助理解連續(xù)F類功放的寬帶原理,用此模型可以很方便的測得內(nèi)部等效電流源端時域電壓電流波形。

圖1 非線性電容模型

圖2為利用模型仿真得到的漏極端電壓電流波形。圖2(a)和圖2(b)分別為從等效電流源端看到的具備非線性和線性電容的連續(xù)F類電壓和電流波形,從圖中可以看出,具備非線性輸出電容的電壓波形幅度比線性電容增大了約20 V,同時其電流波形也比線性電容產(chǎn)生的波形更接近方波,即非線性輸出電容產(chǎn)生的波形更接近理論中高功率最優(yōu)效率波形。

圖2 漏極端電壓電流波形

接下來從頻域?qū)ǖ饺沃C波的阻抗進行分析,圖3為仿真分析結果。從圖中可以看出,具備線性電容的三次諧波阻抗是開路狀態(tài),這使它在電流波形中產(chǎn)生最小分量。由于二次諧波的阻抗大致對應于式(2),所以具備線性電容的漏極電流波形也接近于理想連續(xù)F類電流波形。對于非線性電容產(chǎn)生的阻抗可以看到,三次諧波無需滿足開路狀態(tài),還可看到各次諧波阻抗是在負半圓周,這都是由非線性電容產(chǎn)生的諧波成分引起的。這也保證了主要的三次諧波電流成分來使電流形成方波,這樣就減少了波形間的重疊,減少功率耗散,提高功率。由于二次諧波電流的顯著減小以及二次諧波電壓的增大,與線性輸出電容相比,非線性電容產(chǎn)生的二次諧波阻抗有較大的幅度,這種二次諧波電壓的增大也使得如圖2(a)所示整個漏極端電壓波形幅度的增大。從圖3還可以看出非線性電容減小了基波電壓電流波形之間的相位差,從而減小器件內(nèi)部功率損耗,提高輸出功率和效率。由此可以得出大致推論:利用晶體管非線性電容與外部合適諧波阻抗結合,可以在更寬的諧波終端阻抗范圍內(nèi)產(chǎn)生更大的功率和更高的效率。

圖3 基波及諧波阻抗隨功率變化頻域圖

由此,利用ADS的諧波牽引分別對具備非線性電容和線性Cout的大信號模型進行仿真比較。在2～3 GHz的頻寬范圍內(nèi)取4個頻點分成3個頻段,分別對4個頻點進行諧波牽引,牽引結果如圖4和圖5所示。

圖4 非線性電容頻段諧波牽引效率圖

圖5 線性電容頻段諧波牽引效率圖

上圖是在2 GHz、2.3 GHz、2.6 GHz、3 GHz時對諧波進行的負載牽引效率曲線組合圖。橫線陰影部分為在2～3 GHz頻段內(nèi)都滿足效率>80%的阻抗區(qū)域,很明顯,要得到高效率時,線性電容要求的諧波阻抗比非線性電容精確度高。對于非線性電容來說,約有40%以上的區(qū)域滿足效率>80%,功率>40 dBm的要求,而對于線性輸出電容來說,只有約5%的區(qū)域滿足要求。通過比較可以看出,非線性輸出電容Cout在漏極端波形控制中的重要作用:可以省去對漏極端諧波阻抗的精確要求,使設計變得更加簡單可靠。

由于非線性輸出電容在漏極端高功率高效率波形控制上起到了較大的作用,可以利用這個內(nèi)在固有的非線性電容來建立一個近似的連續(xù)F類放大器模型,這個模型對諧波阻抗變化的敏感度很低。這一規(guī)律對設計高效率寬帶功放很有提示作用。通過將諧波阻抗帶限制在高效率區(qū)域內(nèi),設計的復雜度就被縮減為對基波阻抗的匹配。

2 連續(xù)F類功放設計

為驗證原理與仿真分析,設計一款工作在2～3 GHz的連續(xù)F類功率放大器。基板采用Rogers 4350,介電常數(shù)3.66,板厚30 mil(1 mil=0.025 4 mm),晶體管采用Cree公司GaN HEMT CGH40010F。仿真的重點是對晶體管大信號模型進行全頻段的諧波牽引,確定最優(yōu)效率時二三次諧波阻抗范圍,設計外部匹配電路使諧波阻抗保持在高效率區(qū)域的中心,這樣就可以盡可能減小仿真精確度和實物制造誤差帶來的阻抗偏移對輸出結果的影響。圖6為放大器整體結構按比例縮放圖,因為需要在寬帶內(nèi)對射頻信號進行抑制,采用扇形微帶代替接地電容。圖7為仿真測得的功放輸出匹配二、三次諧波阻抗點,可以看到在4～9 GHz頻寬范圍內(nèi),阻抗點都處于高效率區(qū)域內(nèi)。圖8為原理圖仿真輸出功率效率曲線,除了少量高頻外,效率可以保持在75%以上,功率在40.8 dBm以上,平坦度±0.7 dB。

圖6 整體放大器結構比例圖

圖7 功放仿真輸出二、三次諧波阻抗圓

圖8 原理圖仿真效率功率曲線

圖9為功放實物圖,圖10為實際測得的功率、效率和增益曲線。在Vgs=-3.3 V,Vds=28 V情況下,輸入功率為28 dBm時,在2～3 GHz整個40%帶寬內(nèi)功率保持在40 dBm以上,效率保持在65%以上,增益在10～12 dB,在高效率的同時實現(xiàn)了高功率輸出。最大PAE出現(xiàn)在2.1 GHz處,為78.3%,此時輸出功率為40.75 dBm。

圖9 連續(xù)F類功放實物圖

圖10 實測功放功率效率曲線

3 結束語

通過建立模型比較了非線性與線性晶體管輸出電容在波形控制上的主要區(qū)別,并重點分析強調(diào)了非線性輸出電容在設計高功率高效率連續(xù)F類放大器中的重要作用:可免去對諧波終端阻抗的精確要求。設計的一款2～3 GHz寬帶功放驗證了原理分析的可靠性。為放大器在滿足4G時代高數(shù)據(jù)傳輸,低功率消耗方面提供了參考。

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Study of Nonlinear Output Capacitance of the Wide-band Power Amplifier

YU Jiansheng1,SANG Lei2,SUN Shitao2,WANG Hua3

(1.Military Representative Office of Navy in Hefei,Hefei 230009,China;2.School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;3.Hua Dong Academy of Opto-electronic Technology,Wuhu 241002,China)

The relationship between nonlinear output capacitanceCout of GaN HEMT and the efficiency of the wide-band power amplifier is studied.Through the analysis of an established nonlinear circuit model,it is shown that the accuracy requirement on harmonic impedance can be reduced by usingCout controlling the waveform of the drain,which can enlarge the high efficiency zone.A highly efficient amplifier based on the principle is designed by using a Cree GaN HEMT device at 2～3 GHz band.It provides a drain efficiency of 81.7% and a power-added efficiency of 78.3% at a saturated power of 40.75 dBm.The method established in this paper can not only be used in wide-band microwave GaN PA,but it is also useful to other PA designs.

continuous class F power amplifier;high efficiency;wide-band;nonlinear output capacitance

2014- 08- 18

桑磊(1983—),男,博士,副研究員。研究方向:微波電路與天線。E-mail:sunlixuxinyu@126.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.028

TN722

A

1007-7820(2015)04-102-04