Page 50 - MWJC_JulAug2017_eMag

TechnicalFeature 技术特写

采用连续F类工作模式的

宽带高效率功率放大器设计

Broadband High Efficiency Power Amplifier Design Using Continuous
Class F Mode

赵资阳、唐宗熙、Yunqiu Wu、Biao Zhang，电子科技大学，成都

通过分别实现谐波调谐和基波匹配，一种新颖的宽带高效功率放大器（BHPA）的
设计方法简化了宽带输出匹配网络的设计过程。首先基于连续F类工作模式理论计算出二
次和三次谐波的负载阻抗。然后通过使用不受相邻主要匹配电路影响的微带径向短截线
（MRS）得到一种新颖的宽带谐波抑制网络。用一个10瓦Wolfspeed氮化镓HEMT器件设计
的功率放大器（PA）实现了1.95到2.65GHz、30.4%的相对带宽、60.9%到81.6%的漏极效率
（DE）、60%到79.9%的功率附加效率（PAE），在工作频带输出功率为39.7至41.7dBm。
设计过程，仿真和测量结果表明，这种方法使得谐波负载网络的设计更容易和更准确，特
别是在较高频率下现有方法难以同时控制基波和谐波阻抗。该方法可广泛应用于现代无线
通信系统的BHPA设计。

除 了线性度之外，如今PA中的重点考虑是在 近适当的谐波负载阻抗。然而这种方法不可避
宽带内提高输出功率和效率，以满足诸如
免地导致了具有高Q因子的输出匹配网络。因此
GSM、WCDMA、WIMAX和LTE等各种无线标 难以克服F类放大器固有的窄带特性（通常小于
准中通信网络扩展和数据速率增加的需求。目 10%），并限制了其在宽带方面的应用潜力。一
4-6
前考虑的PA模式中，开关模式PA（SWPA）由 些前沿的研究 提供了几种拓展F类工作模式PA带
于其输出高功率和高转换效率，吸引了很多的 宽的好方法，但是其局限性只能得到部分改善。
7
关注。SWPA中的F类工作模式在有源器件的输 从J类功放，即连续F类 ，得到的一种扩
出端实现了高效率的非重叠方波电压和半正弦 展功放工作模式在宽带上表现出很高的效率优
漏极电流波形。靠这种简单的方式，F类工作模 势。连续F类模式放大器可以通过电压和电流的
式PA已经成为被引用最多的一种。 1-3 各种组合实现由F类提供的高输出功率和高效
实际上，有限谐波（通常为二次和三次谐 率。只有电流波形需要固定，电压波形不仅可
波）由四分之一波长传输线谐振器控制，以趋 以是方波，而且可以是一系列波形的合成。
输出匹配阻抗通常考虑到前三次谐波。三
3.5
γ = –1 次谐波保持在开路状态，二次谐波沿着阻抗史
γ = –0.5 密斯圆图上的R=0的圆运行，而基波阻抗在阻抗
3.0 V ds γ = 0
γ = 0.5 圆图上沿相反的方向运动。与理想情况相比，
γ = 1
在不同频点的漏极电容和跳线电感等寄生参数
2.5
Normalized Amplitude 2.0 情况也不同。实际上，连续F类工作模式为宽频
Ids
带最优基波和谐波阻抗匹配提供了一系列的解
决方案。
1.5
本设计采用了一种新架构，旨在解决困难
谐波控制问题（高达三次谐波）。在输出网络
1.0
中MRS用于获得精确的谐波阻抗，而阶梯式阻
0.5 抗变换器实现了基础阻抗。
0 理论
0 π/4 π/2 3π/4 π 5π/4 6π/4 7π/4 2π 在F类工作模式PA中，漏极电压和电流分别
Phase (Radian)
通过短路偶次谐波和开路奇次谐波形成非重叠
图1：连续F类电压和电流波形。 矩形波和半正弦波。通常在实际设计中仅考虑

48 Microwave Journal China 微波杂志 Jul/Aug 2017