高效率F类功率放大器设计

王程+于洪喜

摘 要： F类功率放大器是一种高效率的放大器，其理论效率可以达到100%，在无线通信领域中有着广泛的应用和广阔的发展前景。简要阐述了F类放大器的基本理论，并对其效率进行了分析。设计出了带有输入输出谐波控制的高效率F类功率放大器，仿真结果表明在工作频率1 GHz时，输出功率为38 dBm，功率附加效率为74%；输出功率和功率附加效率都优于同条件下的B类功率放大器。

关键词： F类功率放大器； 高效率放大器； 负载牵引法； 无线通信

中图分类号： TN722?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0077?03

0 引 言

功率放大器作为无线通信系统中重要的前端器件，在移动通信、射频识别、雷达、电子对抗等很多领域都扮演着非常重要的角色。射频功率放大器的损耗、效率、功率等都已经成为影响这些系统性能的关键问题。

随着无线通信系统的迅速发展，对“高效率”的需求日益增加。由于功率放大器的效率将直接影响系统效率，因此，工作效率的提高，已经成为功率放大器研究的一个攻关难题。F类功率放大器是非线性放大器的一种，也称为开关类功率放大器。在F类工作模式分析中，通过谐波阻抗的峰化从而控制漏极的电压和电路的波形，最终得到效率的提高，理论效率可以达到100%。而且由于F类功率放大器的易实现性，其得到了更加广泛的关注[1?4]。

1 F类功率放大器的基本理论

线性放大器中，晶体管作为受控源。晶体管的损耗造成了功率放大器主要的功率损耗。而在非线性功率放大器中，晶体管作为一个开关，其工作状态是开或者是关，这样晶体管的电压和电流不存在交叠，晶体管管耗降低从而提高效率。F类功放通过设计谐波网络来实现漏极电压和电流波形的控制，实现对漏极电压电流波形的整形。从而实现漏极电流波形为半正弦波，漏极电压波形为方波。而且在漏极电压和电流之间不存在叠加现象，这样理想的漏极效率可以达到100%。理想的F类功率放大器电压与电流波形如图1所示。

图1 理想F类电流和电压波形

理想的F类放大器漏极效率能达到100%，实现该理想效率需实现的阻抗条件为式（1）：

[Z1=R1=8πVCCIs Zn=0， n为偶数 Zn=∞， n为奇数] （1）

这里，电压的方波是由几次谐波的总和得到，而半正弦电流波形是由基波和偶次谐波的总和近似得到的。

[v（θ）=VCC+V1sinθ+n=3，5，7...∞Vnsinnθ] （2）

[i（θ）=I0-I1sinθ-n=2，4，6...∞Incosnθ] （3）

式中：[θ=ω0t，][ω0=2πf0，][f0]是基波频率 [3，5?7]。

实际中用硬件实现谐波阻抗的条件是不可能的，但是用若干个电流和电压谐波分量的峰化就可以在一定程度上提高功率放大器的效率，从而实现功率放大器高效率的工作。虽然包含的谐波分量越多，越接近理想波形，而且漏极效率会随着电压和电流谐波数目的增加而提高。但是由于实际中晶体管并非理想状态，晶体管中存在漏源电容[Cds，]该电容导致在经过晶体管之后高次谐波会被短路。谐波原本就有一定的损失之后就不能在波形成型时给予帮助。而且更多的谐波就意味着输出端需要更多的谐波匹配枝节，在实际中，这将造成更多的输出损耗从而影响效率。综上，考虑到上述条件加上实际电路中的可行性，本文考虑到三次谐波[8?9]。

各种不同电压与电流谐波分量组合后的效率见表1。可以看出，二次谐波和三次谐波的抑制对改善输出效率有很大的作用。

表1 不同电压和电流谐波分量组合后得到的效率

[＼&电压谐波成分＼&1＼&1，3＼&1，3，5＼&1，3，5，7＼&1，3，5，7，…＼&电

流

谐

波

成

分＼&1＼&0.5＼&0.563＼&0.586＼&0.598＼&0.673＼&1，2＼&0.667＼&0.75＼&0.781＼&0，798＼&0.849＼&1，2，4＼&0.711＼&0.8＼&0.833＼&0.851＼&0.905＼&1，2，4，6＼&0.731＼&0.823＼&0.857＼&0.875＼&0.931＼&1，2，4，6，…＼&0.785＼&0.884＼&0.92＼&0.94＼&1＼&]

2 F类放大器的仿真设计

本文采用仿真软件ADS对F类放大器进行设计仿真。基于F类放大器的原理，设计了输出端口的谐波控制电路。由于在射频频段，整个电路的设计采用了全微带结构。

F类放大器的偏置点通常为B类，一般要求其输出基波阻抗能够使得放大器的输出功率足够大，即为基波阻抗的共轭匹配；而二次谐波阻抗为短路，三次谐波阻抗为开路，从而获得二次电流谐波成分和三次电压谐波成分。输出端的谐波匹配枝节如图2所示。

实际设计中采用FREESCALE公司的LDMOS晶体管MRF281Z，中心频率为1 GHz，晶体管偏置为[Vgs=]3.5 V，[Vds=]26 V，输入功率为20 dBm。介质基板为ROGERS公司的5880，介电常数为2.22，板材厚度为[H=]0.254 mm，微带线铜箔厚度为[T=17] μm。实际微带线的尺寸可以根据基板的参数和频率用ADS软件计算得出。

图2 F类放大器谐波控制网络

实际设计中的F类放大器谐波控制网络如图3所示。对谐波控制电路的[S]参数进行仿真分析，仿真得到输入、输出反射系数的Smith圆图如图4所示，二次谐波的阻抗值趋向于零，三次谐波阻抗值趋向于无穷大。这就实现了二次谐波信号的短路和三次谐波信号的开路，实现了基本理论中的谐波成型的条件。

图3 F类放大器谐波控制网络

图4 F类放大器输出端谐波控制电路的[S]参数

采用负载牵引法对最佳阻抗值进行确定。负载牵引法是一种利用自动调配器，调节源和负载阻抗的与阻抗相关的测量技术。其测量的主要的独立参数是某一特定频率上呈现的被测系统的负载阻抗。这种测量技术的原理是给定输入功率的情况下，利用自动调配器通过改变源阻抗或者负载阻抗，测量被测系统的输入、输出功率以及功率附加效率等参数，同时记录对应的源阻抗和负载阻抗的数值。经过计算机进行数据处理后，得到阻抗与被测参数的对应数据。从而可以获得最大功率附加效率等状态下所需的最佳源阻抗和负载阻抗，以此得到输入/输出匹配网络的最佳设计方案[10?11]。

在F类放大器设计中，要将谐波控制枝节和晶体管一起加入，进行负载牵引。因为若是先由负载牵引得到晶体管的最佳阻抗再进行谐波的控制成型，必然造成最佳阻抗值的变化，则不能得到最大的功率附加效率值。利用理想微带仿真带有控制枝节的F类放大器负载牵引结果得出最高效率有83%，得出最佳负载阻抗为20.891-j*30.537。同理进行源牵引，得到最佳源阻抗值。对最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行共轭匹配，对整个F类放大器做大信号谐波平衡分析，其原理图如图5所示。

由仿真结果可以知道二次谐波和三次谐波都得到了很好的抑制，效率得到了很大的提高。经过调谐，输出功率可以达到38 dBm，此时，最大功率附加效率能达到74%，如图6所示。

图6 F类放大器的输出功率与PAE

3 F类放大器与B类放大器的对比

由于F类放大器通常选取的直流偏置点是B类放大器的偏置点，而且F类放大器也是由B类放大器衍生出来的过激类的极端情况。所以这里用相同的偏置点对B类进行简单设计，通过对比得出F类放大器的效率优势。

选择相同的晶体管、偏置点、输入功率以及相同的基板进行B类放大器的仿真。同样进行负载牵引和源牵引，仅仅是在谐波的处理上与F类有所不同。

进行负载牵引时，B类放大器负载牵引结果最佳效率只有67%。匹配最终得到B类放大器在输入功率为20 dBm时，最大输出功率有34.9 dBm，此时得到的最大功率附加效率为66%。如图7所示。

图7 B类放大器输出功率与PAE

由此看出F类放大器相较B类有更优的输出功率和功率附加效率。

4 结 论

本文基于FREESCALE公司的LDMOS晶体管MRF281Z解析设计了1 GHz高效率F类功率放大器，并与同频段该晶体管设计的B类功率放大器进行了简单比较。单音测试结果表明，该F类放大器在输入功率20 dBm时，功率附加效率有74%，此时输出功率有38 dBm。效率和输出功率都优于B类放大器。

参考文献

[1] LI Richard Chi?His. RF circuit design [M].北京：电子工业出版社，2011

[2] KIM Joon Hyung， JO Gweon Do， OH Jung Hoon， et al. Modeling and design metheodology of high?efficiency class?F and class?F?1 power amplifiers [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology， 2011， 59（1）： 153?164.

[3] 倪春，吴先良.L波段高效率F类功率放大器的研究与设计[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2010（8）：1249?1252.

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[10] 潘和平.基于负载源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[11] 齐伟伟.基于负载/源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安：西安电子科技大学，2007.

图3 F类放大器谐波控制网络

图4 F类放大器输出端谐波控制电路的[S]参数

采用负载牵引法对最佳阻抗值进行确定。负载牵引法是一种利用自动调配器，调节源和负载阻抗的与阻抗相关的测量技术。其测量的主要的独立参数是某一特定频率上呈现的被测系统的负载阻抗。这种测量技术的原理是给定输入功率的情况下，利用自动调配器通过改变源阻抗或者负载阻抗，测量被测系统的输入、输出功率以及功率附加效率等参数，同时记录对应的源阻抗和负载阻抗的数值。经过计算机进行数据处理后，得到阻抗与被测参数的对应数据。从而可以获得最大功率附加效率等状态下所需的最佳源阻抗和负载阻抗，以此得到输入/输出匹配网络的最佳设计方案[10?11]。

在F类放大器设计中，要将谐波控制枝节和晶体管一起加入，进行负载牵引。因为若是先由负载牵引得到晶体管的最佳阻抗再进行谐波的控制成型，必然造成最佳阻抗值的变化，则不能得到最大的功率附加效率值。利用理想微带仿真带有控制枝节的F类放大器负载牵引结果得出最高效率有83%，得出最佳负载阻抗为20.891-j*30.537。同理进行源牵引，得到最佳源阻抗值。对最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行共轭匹配，对整个F类放大器做大信号谐波平衡分析，其原理图如图5所示。

由仿真结果可以知道二次谐波和三次谐波都得到了很好的抑制，效率得到了很大的提高。经过调谐，输出功率可以达到38 dBm，此时，最大功率附加效率能达到74%，如图6所示。

图6 F类放大器的输出功率与PAE

3 F类放大器与B类放大器的对比

由于F类放大器通常选取的直流偏置点是B类放大器的偏置点，而且F类放大器也是由B类放大器衍生出来的过激类的极端情况。所以这里用相同的偏置点对B类进行简单设计，通过对比得出F类放大器的效率优势。

选择相同的晶体管、偏置点、输入功率以及相同的基板进行B类放大器的仿真。同样进行负载牵引和源牵引，仅仅是在谐波的处理上与F类有所不同。

进行负载牵引时，B类放大器负载牵引结果最佳效率只有67%。匹配最终得到B类放大器在输入功率为20 dBm时，最大输出功率有34.9 dBm，此时得到的最大功率附加效率为66%。如图7所示。

图7 B类放大器输出功率与PAE

由此看出F类放大器相较B类有更优的输出功率和功率附加效率。

4 结 论

本文基于FREESCALE公司的LDMOS晶体管MRF281Z解析设计了1 GHz高效率F类功率放大器，并与同频段该晶体管设计的B类功率放大器进行了简单比较。单音测试结果表明，该F类放大器在输入功率20 dBm时，功率附加效率有74%，此时输出功率有38 dBm。效率和输出功率都优于B类放大器。

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[10] 潘和平.基于负载源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[11] 齐伟伟.基于负载/源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安：西安电子科技大学，2007.

图3 F类放大器谐波控制网络

图4 F类放大器输出端谐波控制电路的[S]参数

采用负载牵引法对最佳阻抗值进行确定。负载牵引法是一种利用自动调配器，调节源和负载阻抗的与阻抗相关的测量技术。其测量的主要的独立参数是某一特定频率上呈现的被测系统的负载阻抗。这种测量技术的原理是给定输入功率的情况下，利用自动调配器通过改变源阻抗或者负载阻抗，测量被测系统的输入、输出功率以及功率附加效率等参数，同时记录对应的源阻抗和负载阻抗的数值。经过计算机进行数据处理后，得到阻抗与被测参数的对应数据。从而可以获得最大功率附加效率等状态下所需的最佳源阻抗和负载阻抗，以此得到输入/输出匹配网络的最佳设计方案[10?11]。

在F类放大器设计中，要将谐波控制枝节和晶体管一起加入，进行负载牵引。因为若是先由负载牵引得到晶体管的最佳阻抗再进行谐波的控制成型，必然造成最佳阻抗值的变化，则不能得到最大的功率附加效率值。利用理想微带仿真带有控制枝节的F类放大器负载牵引结果得出最高效率有83%，得出最佳负载阻抗为20.891-j*30.537。同理进行源牵引，得到最佳源阻抗值。对最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行共轭匹配，对整个F类放大器做大信号谐波平衡分析，其原理图如图5所示。

由仿真结果可以知道二次谐波和三次谐波都得到了很好的抑制，效率得到了很大的提高。经过调谐，输出功率可以达到38 dBm，此时，最大功率附加效率能达到74%，如图6所示。

图6 F类放大器的输出功率与PAE

3 F类放大器与B类放大器的对比

由于F类放大器通常选取的直流偏置点是B类放大器的偏置点，而且F类放大器也是由B类放大器衍生出来的过激类的极端情况。所以这里用相同的偏置点对B类进行简单设计，通过对比得出F类放大器的效率优势。

选择相同的晶体管、偏置点、输入功率以及相同的基板进行B类放大器的仿真。同样进行负载牵引和源牵引，仅仅是在谐波的处理上与F类有所不同。

进行负载牵引时，B类放大器负载牵引结果最佳效率只有67%。匹配最终得到B类放大器在输入功率为20 dBm时，最大输出功率有34.9 dBm，此时得到的最大功率附加效率为66%。如图7所示。

图7 B类放大器输出功率与PAE

由此看出F类放大器相较B类有更优的输出功率和功率附加效率。

4 结 论

本文基于FREESCALE公司的LDMOS晶体管MRF281Z解析设计了1 GHz高效率F类功率放大器，并与同频段该晶体管设计的B类功率放大器进行了简单比较。单音测试结果表明，该F类放大器在输入功率20 dBm时，功率附加效率有74%，此时输出功率有38 dBm。效率和输出功率都优于B类放大器。

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[10] 潘和平.基于负载源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[11] 齐伟伟.基于负载/源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安：西安电子科技大学，2007.