高效率F类射频功率放大器的研究与设计

　　(2a) 3次谐波输出网络

　　(2b)

　　图2 谐波输出网络

　　图2b中给出了另外两个可能的并联谐振器电路和连接谐振器电路构造元件的初始值。另外还给了一个等效的微带阻抗-峰化电路和他的初始原理值。能提供对于所有的偶次谐波短路和对3次谐波开路。然而，实际的F类PA的设计要复杂的多，因为有寄生电抗，非线性漏级电流Ids和非线性的Cgs，Cds图3 中给的方程可以提供一个很好的F类放大器设计的出发点。

　4 设计实例

　　本文在设计F类放大器时，对输出谐波调谐，当输入网络在栅极输入提供共轭匹配时输出网络提供了偶次谐波短路和奇次谐波开路，输出匹配网络使在漏级输出端获得基波的最佳负载。图2b中的等效的微带阻抗—峰化电路，三段电长度中只有第二段需要根据晶体管的寄生参数来额外修正，其余都可根据基板参数和频率计算出实际微带线的尺寸。

　　设计采用Cree公司的GaN HEMT，基频1.25GHz，带宽为100MHz，输入功率28dBm, 基板材料Er=3.38，板厚0.4mm，输入网络是同频率B类工作模式下设计的，栅极电压VGS =-2.5V，漏极电压VDS=28V。ADS仿真结果最大PAE为84%，实现电路及测试架如图3所示。

　　图3 测试电路实物及测试架图

　　初步试验测量结果最大功率附加效率65.5%，通过进一步调节电路以及输入输出端电容得到PAE为70.32%。略低于仿真结果，但已经获得了较高的效率，效率偏低的原因有很多种，测量器件的改进以及对电路的再次调整可能会进一步有效的提高电路的效率。

　　本设计最终在中心频率1.25GHz实际测量所得结果如图4所示。与目前国内外高效率放大器相比，在保证输出功率的基础上实现了较高的效率，在F类放大器实现电路上取得了较好的成功。

　　图4 相对输入功率的输出功率和PAE

　　6 结束语

　　本文对F类功率放大器的理论进行了研究，分析了其电路工作原理和试验设计方法。并通过一种新型F类放大器的设计和试验证实了实现高效率，高功率工作的可能。实际测试中在没有进行调节的情况下已经达到65.5%的功率附加效率，由于在调节的过程中影响效率的因素没有准确的依据，故而调节过程难度较大，最终实现了PAE大于70%，输出功率达到10W。