论文摘要：高功率放大器效率一直以来是功放设计力求突破的方向之一。本文采用逆F类设计方法，深入分析了逆F类工作原理，及设计重难点，给出了设计实物及测试结果。在平均功率输出30W情况下，效率较AB类功放提高8%。
论文关键词：功率放大器,逆,类,高效率,线性度
无线通信技术的发展对大功率射频发射前端需求的提高，加剧了通信系统线性度与效率之间的矛盾。虽然当前新的技术和产品不断涌现，GaNHEMT以及HBT晶体管开始在应用于无线通信系统，但因其昂贵的价格、稳定性、偏置电压等诸多因素的制约，还未成为主流设计产品。LDMOS晶体管作为当前主流功率放大晶体管，功率等级也不断提高。随着输出功率的提高，要求设计者采用合适的放大结构在功率回退的基础之上维持线性度与效率之间平衡，诸如：DOHERTY结构等。
本文采用LDMOS晶体管，设计逆F类功率放大器，在维持一定线性度的情况下提高效率达8%。
一、逆F类功率放大器原理
F类功率放大器就是基波和谐波负载阻抗用短路端阻抗和开路峰值来控制器件集电极（或漏极）电压和电流波形，以得到最大的效率。通过使用具有无耗传输线与具有无限品质因数的谐振回路相串联来实现集电极方波电压和半正弦波电流波形。工作于理想F类的放大器具有100%的集电极效率。
逆F类功率放大器具有与F类功率放大器相反的电压电流波形----方波电流与半正弦波电压，如图1所示。在这种情况下，最大输出电流波形幅度较小，减小了由于寄生电阻引起的两端电压以及集总参数电感上的损耗。
图1逆F类的理想电流和电压波形
逆F类功率放大器基波电流和电压分量分别由下式确定：
 （1）
 （2）
基波功率如下：
 （3）
在这种情况下，理想的逆F类集电极效率可达100%，因为电流和电压之间无交叠部分。100%理想集电极效率下的器件集电极阻抗条件必须是
 
 n为奇数（4）
 n为偶数
理想逆F类功率放大器不能仅用一段传输线提供电压三阶和高阶奇次谐波短路终端，这一点与传统F类功率放大器仅用一段传输线实现偶次谐波短路终端不同。图2为逆F类等效输出阻抗峰化电路。
图2等效传输线匹配电路
逆F类基频分量下传输线的电长度，如下式所示：
 0
 （5）
公式（1）给出了理想F类工作的电压与电流波形。由傅里叶分析可知奇次谐波的总和构成了方波电压，基波和偶次谐波的总和近似为半个正弦电流形状。时域上没有交叠的电压、电流波形决定了100%集电极效率。随着工作频率的提高，实际F类和逆F类功率放大器输入输出匹配电路设计时，很难实现对超过三次的谐波进行合理的短路或峰化设计。
二、逆F类功率放大器的仿真设计
1、输入匹配电路设计
根据FREESCALE公司MRF7S27130的技术资料，在ADS仿真软件中进行SOURCE-PULL仿真获得最佳源阻抗 =4.2+j*0.8。输入匹配仿真电路设计及S参数仿真如图3、图4所示：
图3逆F功率放大器输入匹配电路
图4输入匹配电路S参数仿真
2、输出匹配电路设计
根据逆F类功率放大器的原理，输出匹配电路设计是关键。根据MRF7S27130的技术资料及LOAD-PULL技术确定最佳负载阻抗 =2.76+j*4.084。同时要通过短支截线实现偶次谐波开路及奇次谐波短路，以达到晶体管漏极输出电压半正弦波及漏极输出电流方波的目的。由于晶体管的工作于2.6GHZ频段，各次谐波均有较的频率，力争做到对其二次谐波及三次谐波的控制。仿真过程中要通过SMITH-CHART准确控制二次谐波点开路，三次谐波短路。图5、图6和图7是仿真电路图及仿真结果：
图5逆F类功率放大器输出匹配电路
图6输出电路S参数结果
图7输出电路S参数SmithChart结果
三、逆F类功率放大器制作与实测结果
选Freescale公司MRF7S27130LDMOS管，基板选材罗杰斯-4350，介电常数3.48，板厚道0.508mm，铜厚0.05mm。为了增强功率放大器的散热及良好的接地性能设计纯铜底座一个。
输出匹配电路及栅极偏置将是逆F类功率放大器调试的重难点所在，为此设计者务必反复实验以获得逆F类放大器的最佳性能参数。以下图表是逆F类放大器的实物图及测试结果。
图7逆F类放大器实物
图8AB类与逆F类漏极效率比较图
图9AB类与逆F类二次三次谐波抑制比较图
四、结论
通过仿真及实物验证，在大功率输出情况下逆F类功率放大器获得了比AB类功率放大器高的效率。但大功率开关模式放大器都带来线性度较差的问题，这需要设计都在线性度与效率之间做出权衡。
参考文献
1 Doherty W H., A new high efficiency amplifier for modulated waves, Proc. IRE, vol.24, Sept.1936,pp.1163-1182.
2 张玉兴, 射频微波功率放大器,电子工业出版社,2006.
3 A. Maekawa, T. Yamamoto, E. Mitani and S. Sano, “A 500 W Push Pull AlGaN/GaN HEMT Amplifierfor L-band High Power Application,” 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 722-725. |
