劉多偉，程飛，黃卡瑪

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川成都，610065）

0 引言

無線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到5G階段并且對6G的研究也在不斷進(jìn)行，這對射頻前端器件的性能有了越來越高的要求。功率放大器是所有無線系統(tǒng)中不可或缺的子系統(tǒng)，其性能對整個系統(tǒng)有著重要影響。

在大功率半導(dǎo)體技術(shù)中，GaN HEMT寬禁帶半導(dǎo)體器件具有多種優(yōu)勢，包括高擊穿電壓，優(yōu)良的熱導(dǎo)率和耐高溫性能，同時具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作截止頻率高、壽命長、可靠性好的特點，適合設(shè)計大功率放大器。而且具有較高的輸入、輸出阻抗，易于對其進(jìn)行匹配電路的設(shè)計。

隨著越來越多的工業(yè)界和學(xué)術(shù)界研究人員聚焦在高效率功率放大器的研究上，不斷有性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)新穎的高效放大器問世。文獻(xiàn)設(shè)計了一款工作頻率為3.1GHz的單頻點功放，使用多級微帶低通網(wǎng)絡(luò)作為PA的輸出匹配電路，實現(xiàn)了對四階諧波的控制，功率附加效率（PAE）為82%，輸出功率為10W。在文獻(xiàn)中，實現(xiàn)了一種高效率逆F類功放。其利用輸入二次諧波效應(yīng)來提高效率，經(jīng)過數(shù)值分析和模型仿真，實現(xiàn)了諧波控制，在3.5GHz，Psat為39.9dBm，PAE達(dá)到76.7%。文獻(xiàn)提出了一種高效集成濾波器的F類功率放大器。采用高Q介質(zhì)諧振器(DR)濾波器作為PA的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了良好的頻率選擇性。在工作頻率內(nèi)最大PAE為70.7%，最大輸出功率大于10W。文獻(xiàn)分析并驗證了降低諧波控制網(wǎng)絡(luò)中四分之一波長短路傳輸線的特征阻抗，可使二次諧波阻抗隨頻率變化放緩，有利于拓寬PA的工作頻率。在中心頻率為2.6GHz時具有良好的漏極效率（DE）74.37%、輸出功率為40.82dBm，同時，在2.45～2.7GHz之間保持60%以上的效率，工作帶寬比傳統(tǒng)的F類PA寬。

本文用25W的GaN器件設(shè)計了一款F類高效功率放大器?；谠撈骷Ｐ?，通過負(fù)載牽引仿真系統(tǒng)，得出最佳負(fù)載阻抗，設(shè)計并優(yōu)化輸出匹配電路。在工作頻率為2.45GHz時，該放大器的飽和PAE為73.1%，飽和輸出功率超過44.17dBm，功率增益為14.1dB。

1 電路設(shè)計理論分析

■1.1 最優(yōu)阻抗區(qū)域分析

本功放設(shè)計采用Cree公司生產(chǎn)的CGH40025F(GaN HEMT)大信號模型進(jìn)行仿真，此模型包含封裝寄生參數(shù)。首先，設(shè)置GaN晶體管的靜態(tài)偏置，漏源電壓Vds=28V，柵源電壓Vgs=-2.7V，靜態(tài)漏極電流Ids=150mA。在負(fù)載牽引仿真中輸入端驅(qū)動功率設(shè)為28dBm。

在F類功放設(shè)計中，在電流源面要求偶次諧波短路，奇次諧波開路。所以在負(fù)載牽引仿真系統(tǒng)中需要對諧波阻抗進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使輸出功率和效率最高。如圖1，可以清楚看到，在Smith圓圖上，最佳功率阻抗點與最佳效率阻抗點往往不能重合，所以在選擇基波阻抗時要權(quán)衡功率與效率阻抗點?？紤]到設(shè)計目標(biāo)要求，圖中給出的功率圓為大于44dBm的阻抗區(qū)域，效率圓為大于70%的阻抗區(qū)域。

圖1 等功率圓（Pout＞44dBm）和等效率圓（PAE＞70%）

■1.2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)仿真結(jié)果，應(yīng)選擇功率圓與效率圓相交的阻抗區(qū)域為匹配目標(biāo)，可同時滿足較高輸出功率和效率。但輸出阻抗在史密斯圓圖上靠近短路邊緣，給匹配電路的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。

理想F類功放電流源面只存在奇次諧波電壓和偶次諧波電流，為相互不疊加的方波電壓和半余弦電流，如圖2所示。因此理論漏極效率可達(dá)100%。

圖2 理想電壓電流波形

漏極電壓和漏極電流的計算公式可如下表示：

在實際電路設(shè)計中，漏極電壓波形不可能為標(biāo)準(zhǔn)的方波，而大于三次諧波的功率分量對輸出功率和效率影響不大，所以在設(shè)計諧波控制電路時只考慮二次諧波阻抗和三次諧波阻抗?？紤]到晶體管的封裝寄生參數(shù)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輸出匹配電路結(jié)構(gòu)

其中，TL2是λ/4微帶線，一方面作為直流偏置；另一方面，在A點對基波開路，且對二次諧波短路。TL3約為λ/8的開路枝節(jié)，在A點與TL2同時對二次諧波短路，考慮到寄生參數(shù)的影響，添加串聯(lián)TL1微帶線，對二次諧波阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，使在電流面對二次諧波短路。TL5、TL6為λ/12的開路枝節(jié)，所以在B點為三次諧波短路點，再經(jīng)過TL1和TL4傳輸線以實現(xiàn)在電流面對三次諧波開路。TL7、TL8、TL9組成T型節(jié)與諧波控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)合一起對基波阻抗進(jìn)行匹配。

■1.3 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

輸出匹配電路給出后，其基波阻抗和諧波阻抗也就確定了。所以，最好將該各阻抗值代回到源牽引仿真系統(tǒng)中，得到最佳輸入阻抗。在功率放大電路設(shè)計中，是不允許在輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入電阻元件來提高穩(wěn)定性的。一般在輸入匹配網(wǎng)絡(luò)引入RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解決電路的帶內(nèi)穩(wěn)定性的同時保證較高增益，柵極偏置電阻保證低頻的穩(wěn)定性。PA電路完整的原理圖如圖4所示。圖5給出電路的小信號S參數(shù)仿真。圖6為晶體管電流源面的電壓和電流時域仿真波形。

圖4 功放電路原理圖

圖5 小信號S參數(shù)仿真

圖6 電流源面電壓和電流的仿真波形

■1.4 時序保護(hù)電路設(shè)計

該型號功放芯片工作時應(yīng)先導(dǎo)通柵極負(fù)壓，再打開漏極電壓。選用型號LTC1261CS8-4.5作為負(fù)壓穩(wěn)壓芯片，該芯片工作電壓為5V，可提供-4.5V電壓。然后經(jīng)過電阻分壓到-2.7V，再連接由運放芯片搭建的電壓跟隨器，為功放提供穩(wěn)定的柵極負(fù)壓。當(dāng)負(fù)壓穩(wěn)壓芯片輸出電壓在設(shè)定電壓（-4.5V）的5%范圍內(nèi)時，芯片REG引腳才會被拉低，可用作電路的保護(hù)時序，來控制連接漏極的P溝道場效應(yīng)管NTF2955的開關(guān)。而功放漏極電壓為28V，所以需要28V轉(zhuǎn)5V的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，本文選用TI公司生產(chǎn)的TPS54331實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。圖7給出具體電路原理圖。

圖7 時序保護(hù)電路原理圖

2 整體電路的實現(xiàn)與仿真結(jié)果

圖8為負(fù)壓源實物圖，為減小面積，電路設(shè)計為雙面板，(a)為正面，(b)為背面。以上所設(shè)計的PA諧波平衡聯(lián)合仿真電路如圖9所示。該PA的電路基板參數(shù)設(shè)為：r=3.66，基板厚度為0.508mm，金屬厚度為0.018mm。圖10為仿真中功率附加效率、漏極效率和增益隨輸出功率的變化關(guān)系。從圖中可以看出，P1dB壓縮點的輸出功率約為43.37dBm，增益約為17.3dB，PAE約為67.1%。飽和輸出功率約為44.17dBm，增益約為14.1dB，PAE約為73.1%，DE約為76%。

圖8 時序保護(hù)電路圖

圖9 功放的EM仿真原理圖

圖10 仿真的PAE、DE和Gain隨輸出功率的變化關(guān)系

圖11為示波器測試的柵極和漏極偏置電壓波形?？梢钥闯?，柵極負(fù)壓穩(wěn)定輸出-2.7V后，漏極輸出正電壓，并且緩慢上升后穩(wěn)定于28V。

圖11 柵極和漏極偏置電壓波形

3 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種單頻F類高效功率放大器的設(shè)計。由諧波控制電路和T型節(jié)構(gòu)成功放電路的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，通過仿真軟件對其進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)，使晶體管基波和諧波阻抗得到了良好的匹配。并設(shè)計了負(fù)壓源，保護(hù)了功放電路的正常工作。在2.45GHz時，功放的飽和輸出功率為44.17dBm，PAE約為73.1%，DE約為76%，增益約為14.1dB。