基于諧波調(diào)諧技術(shù)的功率放大器研究 ①

郭 超，楊 飛，李霄梟，于洪喜，黃微波

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著電子設(shè)備的日益小型化，如何在有限空間實現(xiàn)設(shè)備的持久使用，是近年來各廠商重點關(guān)注的問題。由于目前電池容量上的限制，需將研究方向放到效率提升上。同樣對于功率容量有限的星載設(shè)備，提升其散熱性能以及使用壽命的重點，仍然是系統(tǒng)整體效率水平[1,2]。作為主要耗能模塊的功率放大器(Power Amplifier, PA，簡稱功放)，其效率高低，基本上決定了系統(tǒng)整體功耗程度。由于電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，傳統(tǒng)功放設(shè)計愈加難以勝任要求日益嚴(yán)格的各項指標(biāo)，因此諧波調(diào)諧技術(shù)[3]、包絡(luò)跟蹤技術(shù)[4]等關(guān)于功放性能提升的研究始終經(jīng)久不衰。

經(jīng)典類功放根據(jù)靜態(tài)偏置點不同進(jìn)行區(qū)分，通過對柵極電壓的調(diào)整，能夠在增益和效率方面進(jìn)行折中設(shè)計。通常隨著導(dǎo)通角的減小，犧牲部分增益的同時會提高功放效率。如果能夠?qū)﹄娐分械闹C波進(jìn)行利用，調(diào)整功放的漏極和柵極處電壓和電流波形，減小二者交疊產(chǎn)生的功率耗散，就能夠較為明顯的提高功放效率；并且還能保證同時提高功放增益，這就是諧波調(diào)諧功放的基本原理。其中較為常見的是F類功放[5,6]和逆F類功放[7,8]，通過調(diào)節(jié)諧波阻抗進(jìn)而調(diào)整輸出波形，將電壓或者電流波形調(diào)整為近似方波狀態(tài)，減小了能量損耗從而提高了功放效率。

1 諧波調(diào)諧理論

諧波調(diào)諧能夠?qū)Ψ胖笜?biāo)有著整體上的提高，包括了輸出功率、增益、效率以及線性度等方面。實際上在高頻應(yīng)用中，有源器件在輸出端口被一個簡化模型等效描述，其可以用一個控制電流源 表示，以及由一個電導(dǎo) 和一個電容 分流，輸入端口由一個電阻 和電容 組成[9]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 用于簡化分析的場效應(yīng)晶體管等效電路

忽略器件的寄生現(xiàn)象，并假定其為單端單向輸入，由受控源提供的電流僅由輸入驅(qū)動信號施加，能夠發(fā)現(xiàn)其漏極處的電流波形主要受到Vgs影響，這里對應(yīng)的諧波分量In為：

(1)

其中φ為電流的導(dǎo)通角，IMax為輸出電流最大值，主要受到輸入端的驅(qū)動信號和偏置點的影響。漏極處的電壓波形受負(fù)載阻抗的影響較大，因此在考慮提高諧波控制功放效率時，同時考慮柵極電壓、驅(qū)動信號以及負(fù)載阻抗，在電流較大時調(diào)節(jié)電壓有較低值，反之亦然。

實際功放設(shè)計基本上存在各次諧波的影響，漏極對源極的輸出電壓(vDS)為漏極電源電壓(VDD)與各次諧波電壓(Vn)的差值，為了方便計算，以基頻幅值進(jìn)行歸一化：

(2)

如果再考慮到高次諧波的衰減和寄生參數(shù)的短路效應(yīng)，只考慮到三次諧波的影響，那么漏極對源極電壓可以寫成：

vDS(t)=VDD-V1·[cos(ωt)+k2·cos(2ωt)+k3·cos(3ωt)]

(3)

諧波功放設(shè)計就是調(diào)節(jié)其中k2和k3的值，以達(dá)到符合期望的輸出電壓值，提高傳輸?shù)截?fù)載端的實功率。對于各類諧波調(diào)諧功放來說，其參考標(biāo)準(zhǔn)為無諧波控制情況。

2 諧波調(diào)諧功率放大器

諧波調(diào)諧功放根據(jù)利用的諧波模式，可分為負(fù)載調(diào)諧功放、三次諧波調(diào)諧功放、二次諧波調(diào)諧功放和二三次諧波調(diào)諧功放[3,10]。負(fù)載調(diào)諧功放(Tuned Load Power Amplifier，TLPA)，即無諧波調(diào)諧情況，理論上將其輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)的高次諧波全部短路，消除了諧波對于輸出電壓和電流波形的影響，其基頻阻抗可表示為：

(4)

其中V1,TL為漏極電壓的振幅，Imax為漏極電流的最大值。

由于諧波注入會提高基頻電壓的幅度，這里定義諧波調(diào)諧后的基頻電壓增益參數(shù)δHT：

(5)

三次諧波調(diào)諧功放(3rd Harmonic Tuned PA, 3HTPA)，即F類功放[5,11]，理論上將其輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)的二次諧波全部短路。此時對于3HTPA可以簡化成如下形式：

VDS,N=cos(ωt)-k3·cos(3ωt)

(6)

F類功放漏極處的電流和電壓波形情況，電壓波形近似為方波，減少了與電流波形的交疊，提高了傳輸?shù)捷敵龆说膶嵐β?，同時提高了功放的漏極效率。

二次諧波調(diào)諧功放(2nd Harmonic Tuned PA, 2HTPA)，過激2HTPA也被稱為逆F類功放[7,12]；其原理是利用二次諧波對電壓波形賦形，三次項諧波短路，對漏極電壓歸一化處理：

VDS,N=cos(ωt)-k2·cos(2ωt)

(7)

對于2HTPA而言，在的波形調(diào)整方面，3HTPA依靠電路中的三次諧波與基頻電壓合成近似方波，而2HTPA則是在輸入端的大信號驅(qū)動下，由漏極電流過飽和而產(chǎn)生的近似方波狀態(tài)，因此逆F類功放有著更為明顯的效率上的提升。

二次和三次諧波調(diào)諧功放(2nd&3rd Harmonic Tuned PA, 23HTPA)，同時利用二次和三次諧波調(diào)節(jié)漏極電壓波形[3]，此時二次和三次諧波的諧波阻抗都沒有短路，其對應(yīng)的歸一化漏極電壓為：

VDS,N=cos(ωt)-k2·cos(2ωt)-k3·cos(3ωt)

(8)

四種諧波調(diào)諧功放的性質(zhì)總結(jié)如表1所示。其中k2和k3是最優(yōu)諧波電壓比率，δ是對應(yīng)的電壓增益，β是電壓非對稱性評估參量，η是漏極效率提升的最大理論值。

表1 諧波調(diào)諧功放性質(zhì)歸納

3 諧波調(diào)諧功放仿真對照

仿真采用CREE公司的CGH40010F晶體管模型，柵極電壓VGS=-2.1V，漏極電壓VDS=28V，工作頻率f=1.5GHz，膝點電壓Vknee=6V。四種諧波調(diào)諧功放的負(fù)載線及其漏極電壓情況如圖2、圖3所示。

圖2 四種諧波調(diào)諧功放的負(fù)載線對照

圖3 四種諧波調(diào)諧功放漏極處電壓對照

由圖可知，隨著調(diào)諧模式的優(yōu)化，負(fù)載線擺度逐漸增大，在理論上有著更高的輸出功率；漏極處電壓幅度也隨著調(diào)諧模式的改變，呈現(xiàn)出逐漸提高的狀態(tài)，這從某種程度上驗證了諧波調(diào)諧功放提高輸出功率的原理，且由于電壓和電流波形交疊較小，保證了功放效率不會因此而降低。

按照不同的諧波功放種類，分別進(jìn)行牽引和匹配設(shè)計。這里以二次諧波功放為例，其對應(yīng)的版圖設(shè)計如圖4所示：

圖4 二次諧波功放版圖設(shè)計

選擇掃頻參數(shù)輸入功率Pin于10dBm到28dBm之間進(jìn)行諧波仿真，觀測四種類別功放整體的工作情況，得到各諧波功放的輸出功率、PAE仿真結(jié)果如圖5所示：

(a) 輸出功率對照 (b) PAE對照

通過圖5中仿真結(jié)果的比較，能夠發(fā)現(xiàn)相對于負(fù)載調(diào)諧功放，其余三種諧波調(diào)諧功放在效率和輸出功率上都有著一定程度上的提高，仿真在整體上符合表1給出的理論效率提升推導(dǎo)，即隨著調(diào)制諧波的幅度和數(shù)量提高，優(yōu)化效果隨之提升，驗證了理論的可行性。

4 結(jié)論

本文對諧波調(diào)諧功率放大器的基本原理進(jìn)行了簡單介紹，以無諧波調(diào)諧功放為參照，在仿真中對比了幾種諧波功放的輸出性能，能夠看到按著3HTPA、2HTPA和23HTPA的順序，在輸出功率、PAE以及增益方面都有著較為明顯提升。選擇合適的工作偏置點，引入諧波和基頻阻抗匹配，能夠?qū)Ψ诺男阅苡休^為明顯的改善，符合諧波調(diào)諧功放設(shè)計相關(guān)理論。功放設(shè)計經(jīng)常需要在效率、增益、輸出功率和線性度等指標(biāo)間進(jìn)行折中，諧波調(diào)諧技術(shù)能夠同時實現(xiàn)對功放效率和輸出功率的提升，對于帶寬較窄的單級功放設(shè)計是一種較為理想的設(shè)計方式，擁有良好的發(fā)展前景。