高效率双频连续F类功率放大器的设计_王帅.pdf

收稿日期：基金项目：河南省高等学校重点科研项目资助（）通信作者：王帅，副教授，博士，主要从事射频识别、微波与天线技术的研究。：.段亚朋，研究生，主要从事高效率射频功率放大器的设计及其线性化的研究。：.电子元件与材料 第 卷.第 期.月 年高效率双频连续 类功率放大器的设计王 帅，段亚朋，毋 皓，安万通，李晓明（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作）摘 要：为满足多标准和多频段无线通信的需求，针对特定频段如何提高效率问题，基于连续 类功放的谐波控制理论，提出了一种高达三次谐波控制的双频功放设计方法，实现了两个频段的高效率性能。首先，分析了电流源平面的各次谐波阻抗，基于连续 类阻抗设计空间的灵活性，设计的双频谐波控制网络将二次谐波控制在短路点附近，同时将三次谐波控制在开路点附近，可提高任意两个频段功放的效率。随后，针对传统耦合器基频匹配网络在多频匹配方面的不足，提出了改进的双频阻抗匹配网络，简化了匹配方法并实现了不同频点的最佳基波阻抗同时匹配到标准的 。最后，使用 公司的 设计了一款工作在.和.的双频连续 类功率放大器，并进行测试，结果显示在.和.的饱和输出功率分别为.和.，最大功率附加效率分别为.和，最大漏级效率均大于。测试结果表明，所提出的双频谐波控制网络设计方法在提高功放效率方面具有显著优势。关键词：连续 类；双频功放；双频谐波控制；双频基波匹配；高效率；功率附加效率；漏级效率中图分类号：.文献标识码：.引用格式：王帅，段亚朋，毋皓，等 高效率双频连续 类功率放大器的设计 电子元件与材料，（）：.：，（）：.，（，）：，.，.，王帅，等：高效率双频连续 类功率放大器的设计 ：；随着通信技术的快速发展和应用需求的多样化，越来越多的应用场景要求通信设备具备良好的多标准兼容性，进而要求射频发射系统在多频段工作条件下仍能保持良好的性能。射频功率放大器作为射频前端关键且耗能最大的器件之一，高效率的宽带和多频段功放设计技术已成为近年来热门的研究方向。连续 类、宽带 类和谐波调谐等方法为宽带高效率功放的设计提供了参考，然而使用精确的谐波控制来提高效率的方法很难应用于宽带功放的整个频带，对于通信标准中的一些特殊频段，使用多频段的功放设计更有优势。因此，多频段功放的设计引起了人们的广泛关注。等通过在匹配网络中加入并联谐振电路，分别对两个频段的最佳基波阻抗进行匹配，实现双频工作。但由于未考虑到谐波阻抗的影响，所设计的功放实际效率不高。提高双频功放效率常用开关类功放，等和 等分别介绍了双频 类功放的设计方法，由于 类功放提供了所有谐波的中间值阻抗且受限于 类功放输出电容的影响，双频 类对高效率的贡献并不理想。相较于开关 类功放，谐波控制类的最大漏级效率不受输出端电容的影响，因此，在提高效率方面具有更大的潜力。等和 等基于高次谐波在 圆图上的分布，通过优化双频谐波抑制网络，将两个频点的高次谐波控制在高效率圆交叠区域，实现了高效率性能。然而并未得出精确的双频谐波抑制网络参数，使其应用受到一定限制。针对上述问题，本文基于连续 类功放理论，提出了通过精确的谐波控制技术来提高双频功放效率的新方法。首先对高达三次双频谐波控制网络的参数进行了详细的理论分析，并仿真验证了新方法的可行性。然后提出了一种双频基波匹配网络设计的通用方法，并对其结构做了简化使其更易于实现。最后使用 公司的 加工实现了一款高效率双频连续 类功放，测试结果表明，在.和.下，可分别提供.和.的饱和输出功率，最大功率附加效率分别为.和，最大漏级效率均大于。类 连续 类功放理论谐波控制 类功放是在过激励的 类功放基础上发展而来的。标准的 类功放要求偶次谐波阻抗短路，奇次谐波阻抗开路，以此在输出端产生电压方波与电流半正弦波，避免了电压电流波形交叠，理论效率达到，却也限制了 类设计的阻抗空间。考虑到三次以上谐波对效率的贡献很小且控制高次谐波会进一步增加电路尺寸，因此本文只控制到三次谐波，与之对应的标准 类功放的理论效率上限为.。标准 类漏级电压 和电流 的傅里叶展开式可表示为：()（）()（）连续 类是 类功放的扩展，通过在 类电压波形公式上添加修正因子，增加了基阻抗的解空间，同时将二次谐波阻抗从 类的短路点改变为连续变化的纯电抗，三次谐波阻抗依然控制在开路点，扩展了 类功放的阻抗设计空间。在连续 类的阻抗解空间内，理论上功放能够获得与传统 类功放相同的输出功率和漏级效率。连续 类的漏级电压可表示为：()|()（）为了确保漏源电压始终为正值，在 之间取值。联立式（）和式（），可得基波和各次谐波阻抗值：|（）其中电子元件与材料 （）式中：为理想 类功放最佳基波阻抗值；和 分别为理想 类功放的偏置电压和最大电流。连续 类在电流源平面的基波和各次谐波阻抗分布图如图 所示。由图 可知，当 在，取值时，基波阻抗由纯阻性变化为连续的复阻抗，二次谐波阻抗由短路变化为连续的纯电抗，三次谐波阻抗趋于无穷。相较于标准的 类功放，连续 类功放扩展了阻抗设计空间，同时兼顾了高效率的特性。图 取，时基波和各次谐波阻抗分布图.，双频谐波控制网络设计基于连续 类的阻抗条件，需要将二次谐波阻抗控制到短路点附近，将三次谐波阻抗控制在开路点附近，以 此 提 高 功 放 的 效 率。为 获 得 有 源 器 件 的基波和各次谐波阻抗，并对其进行精确控制，本文使用 软件的负载牵引模块来获得晶体管最佳基波和高次谐波阻抗进行谐波控制网络的设计。图 给出了牵引得到的最佳基波阻抗和高次谐波阻抗在 圆图上的分布结果，表 给出了对应阻抗的具体数值。分析基波和高次谐波负载牵引结果，使用图 所示的双频谐波控制网络对两个频点处的二次和三次谐波分别进行短路和开路处理。推导过程如下：首先定义频率比为，其中 （）图 负载牵引最佳基波和高次谐波阻抗分布图.表 最佳基波和高次谐波参数.频率（）最佳负载阻抗（）最佳源阻抗（）.式中：和 分别为双频功放的中心频率。通过引入参数，将 处计算的参数归一化到 处，以简化设计过程。微带、用于控制两个频点的二次谐波同时在 点处产生短路，因而将 的电长度设置为频率下的 波长线，波长可用 表示。换算到基频 处，的电长度 为，的电长度可用式（）计算：（）（）特性阻抗、为自由设计参数，为在基频处提供足够的阻抗，特性阻抗应尽可能的大。若在 点满足二次谐波短路条件，的参数 和 分别可由式（）和式（）计算得到：()()（）王帅，等：高效率双频连续 类功率放大器的设计()()（）图 双频谐波控制网络.在确定了 和 的参数之后，平面 处 的谐波阻抗由式（）计算得到：()()()()()（）同理，的谐波阻抗也可由式（）计算获得：()()()()()（）平面 处的三次谐波阻抗亦可表示为平面 处的三次谐波阻抗与微带线 和 的阻抗并联而来：()()()()（）()()()()（）若 点满足开路条件，的特性阻抗和电长度与平面 处的三次谐波阻抗的关系可表示为：()()（）()()（）联立式（）和式（），可解得 和。和 用于控制三次谐波。将 的电长度 设置为频率 下的 波长，换算到基频 处即为。的电长度则由式（）计算得到：（）（）、为自由设计参数，并联枝节 特性阻抗需足够大，串联枝节 特性阻抗需相对小。这些自由参数的选择有充足的裕量，为后面的基波匹配提供了充足的设计空间。最终得到的双频谐波控制网络的参数如表 所示，仿真结果如图 所示。表 谐波控制网络微带线参数表.（）（）（）（）（）（）.（）（）（）（）（）（）.图 双频谐波控制网络的二次、三次谐波阻抗分布图.由图 可以看出，基于上述分析设计的双频谐波控制网络各谐波阻抗参数与负载牵引的谐波阻抗结果吻合良好，说明设计的双频谐波控制网络对双频谐波起到了很好的匹配效果。至此，双频谐波控制网络的所有参数计算完毕，后续进行双频基波匹配网络的分析与设计。双频基波阻抗匹配网络设计由于设计的双频谐波控制网络在高次谐波处产生电子元件与材料了短路点，基波匹配电路不会影响谐波控制网络。本文基于 等和 等提出的双频基波匹配网络，对其结构进行了简化，提出了一种双频基波匹配网络设计的通用方法，并给出了详细的理论推导过程。图 为设计的双频基波匹配网络结构。从图 可以看出，简化结构由三部分组成。基波阻抗 此时在频率 处的阻抗为，同时在频率 处的阻抗为，经过微带 实现从平面 看进去的双频基波阻抗为实部相同、虚部相反的共轭阻抗。图 双频基波匹配网络.微带 参数推导如下：()（）()|（）此时，从平面 看进去的导纳为：（）并联开路微带线 用于抵消共轭电抗的虚部，使得从平面 看进去的阻抗为一实数，微带线 参数推导如下：（）（）其中，电纳 需满足 ()（）()()（）此时，从平面 看进去的阻抗为：（）最后、实现 处的阻抗向 过渡。图 虚框内的两节串联微带线结构也可以使用简单的 形、形或者 形等代替。所提出的简化基波阻抗匹配方法在实现平面 到 时的阻抗过渡结构可灵活选择。双频功放仿真和测试基于上述所提出的方法，本文使用 仿真设计了一款工作在.和.的双频连续 类功放，并对功放两个频点处的性能进行了仿真分析，验证了所提出理论的正确性。然后使用罗杰斯 板材（相对介电常数为.，损耗角正切为.），功率管采用 公司的 加工实现了一款双频连续 类高效率功率放大器，并进行了测试验证，显示测试结果与仿真基本一致。仿真设计的双频功放整体结构如图 所示，仿真的双频功放微带线参数已在图 中注明，漏级电压 和栅极电压 分别设置为 和.。王帅，等：高效率双频连续 类功率放大器的设计图 双频功放结构参数布局图.紧接着对双频功放的输出电压和电流波形进行了仿真分析，功放在.和.的电压电流波形仿真结果分别如图（）和（）所示。图 .和.电压电流波形图.从图 中可以看出，电流与标准的连续 类电流波形接近，而电压波形由于有限的谐波控制造成与理想的连续 类电压波形略有不同，但整体符合连续 类的工作模式。从图中可以明显看到，电压与电流波形交叠区域很小，由此减少了功率耗散，实现了双频功放的高效率。最后进行了双频功放实物的加工及测试，加工完成的实物如图 所示，使用单音连续波信号对功放进行测试，测量功放在.和.下的大信号参数。图 双频功放加工实物图.漏级效率（）和输出功率随频率的变化测量结果如图 所示。从图 可以看出，在.处仿真的漏级效率在 以上，输出大于 ；在.处仿真的漏级效率也大于，输出在 左右。实测功放在.和.处的漏级效率分别为.和.，饱和输出功率分别为.和.。由于功率管封装存在不可避免的寄生参数，导致仿真与实测产生一定的误差，特别是在工作频段外，误差会更加的明显，但大体上实测与仿真结果较为符合，功放表现出明显的双频特性。功放在.和.的功率附加效率（）和增益与输入功率的关系分别在图（）和（）中给出。从图 中可以看出，随输入功率从 增加至，功放在.和.两个频点处的功率附加效率（）的仿真与实测结果均提升至 以上，增益在最大 处均大于 。实测功放在.和.处的功率附加效率分别为.和，增益分别为.和.。仿真与实测结果表明，本文提出的双频谐波控制网络与基波匹配网络的设计方法可以显著提升双频功放的效率。电子元件与材料图 .和.和输出功率与频率的关系.图 .和.和增益与输入功率的关系.表 给出了相关双频功放设计与本文设计的指标对比，结果表明，本文设计的双频功放在功率附加效率和增益等指标方面具有更好的性能。结论本文基于连续 类的谐波控制理论，提出了一种高达三次谐波控制的连续 类双频功放的设计方法，并简化了基波匹配网络，可实现任意两个频率高效率的性能，使功放实现方式更加灵活简便。基于所提出的理论，加工实现了一款工作在.和.的双频连续 类功放，测试结果显示，该双频功放可分别提供.和.的饱和输出功率以及.和.的最大增益，功率附加效率分别可达到.和。结果表明，本文设计的双频功放在输出功率、增益和效率等方面都表现出了优异的性能。本文设计的双频功放满足了多标准和多频段无线通信的需求，具有广阔的应用前景，为三频甚至多频高效率功放的设计提供了思路。表 双频功放设计指标对比.文献频率（）输出功率（）增益（）（