2.65 GHz双级高效、高增益F类开关功率放大器设计

周鹏　王建利　邬海峰

摘要：在F类功率放大器的基本工作原理和设计方法的基础上，采用开路枝节微带线匹配的方法实现了F类功率放大器所需要的谐波阻抗匹配，并采用GaN HEMT晶体管设计制作了应用于无线通讯领域的双级高效高增益F类功率放大器。在2.65 GHz工作频率，该功率放大器具有65.69%功率附加效率（PAE）、20 dB的功率增益和10 W输出功率。该功率放大器的实测结果与电路仿真结果相吻合，证明了使用该方法设计F类功率放大器的有效性。

关键词： F类功率放大器；双级；高效率；高增益开关功放

Abstract： In this paper， we use an open stub microstrip line to realize harmonic impedance matching of a class-F PA. We analyze the fundamental design methods of a class-F PA and design a two-stage high-efficiency， high-gain class-F PA using GaN HEMT. At 2.65 GHz， the PA has 65.69% power-added efficiency， 20 dB gain， and 10 W output. The measured results conform with the circuit simulations， and this proves that our design method is effective.

Key words： class-F power amplifier； two-stage； high efficiency； high gain switching-mode power amplifier

如今的移动通信基站对降低能耗的要求越来越高，高效节能绿色基站已经成为无线通信研究的焦点。在移动通信基站中，射频功率放大器（RFPA）耗去了85%以上的功率，因此高效率功率放大器（PA）是实现绿色基站的关键，开关类功率放大器（SMPA）正是实现高效率功率放大器的重要可选方案。SMPA的高效特性可以通过研究功放晶体管端口的电压和电流波形特性得以实现，漏极电流和漏极电压最小的重叠意味着最小的晶体管功耗和最高的效率。F类功率放大器，通过谐波滤波电路改变晶体管漏极电压和电流波形来实现高的漏极效率[1]，理想F类PA的漏极电压与电流没有交叠，效率为100%。F类PA已成为具有代表性的高效率开关类放大器。

通信系统的末级功率放大链路的典型功率增益在40 dB左右，采用AB类驱动级+末端功率放大级结构。一般来说，末级功率放大器的效率、增益决定了整个功率放大链路的整体效率。单级开关功率放大器的典型功率增益为10 dB，效率为70%。若采用双级开关功率放大器，将末端功率放大器的增益提高到了20 dB，效率维持70%，这样对整个功率放大器链路的整体效率提升约10%左右，可以大大减小功率损耗。

同时，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）技术被证明在高效率、高功率射频功率放大器的应用上具有巨大的潜能，因为其具有高电子迁移率、高功率密度、高击穿电压等特性。在过去的几年中很多高效率E类、F类（逆F类）、J类，和逆D类GaN工艺射频功率放大器已经被报道[2-7]。GaN HEMT技术已经成为应用于移动通信基站的PA的首选方案。

1 F类功率放大器原理

F类PA使用输出滤波器对晶体管漏端电压或者电流中的谐波成分进行控制，归整晶体管漏端的电压波形或者电流波形，使得它们没有重叠区，以此减小开关的损耗，提高功率放大器的效率[1]。

理想F类PA的漏极电压为方波，漏极电流为半正弦波（如图1所示），且两者的相位相差为λ/4，这样功率放大器晶体管漏极的电压波形和电流波形没有交叠，晶体管上的功率损耗为零，漏极效率为100%。理想状态下，F类PA晶体管漏极电压波中只含基波分量和奇次谐波分量，电流波只含基波分量和偶次谐波分量，漏极输出阻抗需要满足如下关系式：

[Z1=8πVccIs Zn=0，n为偶数 Zn=∞，n为奇数] （1）

实际电路设计中不可能满足所有高次谐波阻抗的设计要求，当考虑到4次谐波阻抗的匹配时，F类PA的理论效率便能达到80%[1]。

另外，晶体管寄生参数的存在对F类PA的效率会产生很大的影响，特别是在高频时，晶体管漏源电容（Cds）将会造成高次谐波短路到地，同时晶体管漏极的寄生电容和电感也会对PA的输出谐波分量产生很大的影响，这些影响无疑加大了F类PA的设计难度。

2 双级高效SMPA的设计

与仿真

根据上述的理论分析，我们选取Cree公司的GaN HEMT管CGH40010F设计了一款双级高效PA，其前级为B类，后级为F类。

放大器偏置电路的设计要考虑晶体管的工作状态、频率响应、稳定性、损耗等因素。电路中直流偏置电路要为晶体管提供稳定的工作电压，同时阻止交流信号通过。该放大器的漏极偏置电路选取了传统的λ/4微带线结构，λ/4微带线在基频时实现交流短路到交流开路的变换，在二次谐波时实现λ2/2（λ2为二次谐波的波长）的阻抗变换。与漏极直流偏置电路不同栅极直流偏置电路选取的并非传统的λ/4微带线结构，而是选取有耗元件电阻馈电，相比λ/4微带线结构，其具有更好的稳定性。

双级PA的末级输出电路设计是实现高效率的关键，该双级高效PA的末级输出匹配电路采用了多级开路枝节线结构，偏置电路的λ/4微带线在2次谐波时转化为λ2/2的短路枝节线，将2次谐波短路到地，实现了2次谐波的短路；λ/12的开路枝节线，在3次谐波时转换为λ3/4（λ3为3次谐波波长）的短路枝节线，再经过T型枝节转换为开路，从而实现了3次谐波的开路；在4次谐波时，偏置电路的λ/4微带线在4次谐波时转化为λ4的短路枝节线，将4次谐波短路到地，实现了4次谐波的短路。电路的结构如图2所示。

双级高效PA的输入匹配电路、级间匹配电路同样采用多级开路枝节线结构来实现阻抗匹配，同时输入匹配电路采用了电阻电容（RC）谐振回路来提高晶体管的稳定性。整体电路原理如图3所示。

电路的电磁仿真结果如图4所示，双级高效PA在2.65 GHz频率时的输出功率能够达到41.73 dBm，附加效率能够达到73.80%。末级PA的漏极电压电流波形如图5所示，从图中可以看出，该PA的漏极电压近似为方波，漏极电流近似为半正弦波，这与F类PA的漏极电压电流波形相吻合。

3 双级高效PA测试结果

PA的测试方案构架如图6所示，测试所用的仪器有矢量网络分析仪（R&S ZVA40），功率计（R&S NRP2），频谱仪（R&S FSV）等。

通过一系列的优化调试，双级高效功率放大器测试的结果如图7所示，在2.65 GHz频率，PA的附加效率达到65.69%，输出功率可以达到40.5 dBm。2.6～2.7 GHz频段内，PA的最高附加效率为67.53%，输出功率均大于约40 dBm，功率增益平坦度为±0.3 dB。

4 结束语

文章简要介绍了F类PA的工作原理以及F类PA的设计方法，并运用ADS仿真软件设计了一个双级高效PA，其前级驱动PA为B类，后级PA为F类，整体效率在2.65 GHz时达到65%以上，输出功率40 dBm。

参考文献

[1] Raab F H. Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1997， 45（11）： 2007-2012. doi ： 10.1109/22.644215.

[2] Sigg A， Heck S， Brackle A， et al. High efficiency GaN current-mode class-D amplifier at 2.6 GHz using pure differential transmission line filters[J]. Electronics Letters， 2013， 49（1）： 47- 49. doi ： 10.1049/el.2012.3984.

[3] Lee Y S， Jeong Y H. A high-efficiency class-E GaN HEMT power amplifier for WCDMA applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2007， 17（8）： 622-624. doi： 10.1109/LMWC.2007.901803.

[4] Ramadan A， Reveyrand T， Martin A， et al. Two-stage GaN HEMT amplifier with gate-source voltage shaping for efficiency versus bandwidth enhancements[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 2011， 59（3）： 699-706. doi： 10.1109/TMTT.2010.2095033.

[5] Schmelzer D， Long S I. A GaN HEMT class F amplifier at 2 GHz with> 80% PAE[J]. Solid-state circuits， IEEE journal of， 2007， 42（10）： 2130-2136. doi： 10.1109/JSSC.2007.904317.

[6] Aflaki P， Negra R， Ghannouchi F M. Design and implementation of an inverse Class-F power amplifier with 79% efficiency by using a switch-based active device model[C]//Radio and Wireless Symposium， 2008 IEEE. IEEE， 2008： 423-426. doi： 10.1109/RWS.2008.4463519.

[7] Wright P， Lees J， Tasker P J， et al. An efficient， linear， broadband class-J-mode PA realised using RF waveform engineering[C]//Microwave Symposium Digest， 2009. MTT'09. IEEE MTT-S International. IEEE， 2009： 653-656. doi： 10.1109/MWSYM.2009.5165781.

双级高效PA的输入匹配电路、级间匹配电路同样采用多级开路枝节线结构来实现阻抗匹配，同时输入匹配电路采用了电阻电容（RC）谐振回路来提高晶体管的稳定性。整体电路原理如图3所示。

电路的电磁仿真结果如图4所示，双级高效PA在2.65 GHz频率时的输出功率能够达到41.73 dBm，附加效率能够达到73.80%。末级PA的漏极电压电流波形如图5所示，从图中可以看出，该PA的漏极电压近似为方波，漏极电流近似为半正弦波，这与F类PA的漏极电压电流波形相吻合。

3 双级高效PA测试结果

PA的测试方案构架如图6所示，测试所用的仪器有矢量网络分析仪（R&S ZVA40），功率计（R&S NRP2），频谱仪（R&S FSV）等。

通过一系列的优化调试，双级高效功率放大器测试的结果如图7所示，在2.65 GHz频率，PA的附加效率达到65.69%，输出功率可以达到40.5 dBm。2.6～2.7 GHz频段内，PA的最高附加效率为67.53%，输出功率均大于约40 dBm，功率增益平坦度为±0.3 dB。

4 结束语

文章简要介绍了F类PA的工作原理以及F类PA的设计方法，并运用ADS仿真软件设计了一个双级高效PA，其前级驱动PA为B类，后级PA为F类，整体效率在2.65 GHz时达到65%以上，输出功率40 dBm。

参考文献

[1] Raab F H. Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1997， 45（11）： 2007-2012. doi ： 10.1109/22.644215.

[2] Sigg A， Heck S， Brackle A， et al. High efficiency GaN current-mode class-D amplifier at 2.6 GHz using pure differential transmission line filters[J]. Electronics Letters， 2013， 49（1）： 47- 49. doi ： 10.1049/el.2012.3984.

[3] Lee Y S， Jeong Y H. A high-efficiency class-E GaN HEMT power amplifier for WCDMA applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2007， 17（8）： 622-624. doi： 10.1109/LMWC.2007.901803.

[4] Ramadan A， Reveyrand T， Martin A， et al. Two-stage GaN HEMT amplifier with gate-source voltage shaping for efficiency versus bandwidth enhancements[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 2011， 59（3）： 699-706. doi： 10.1109/TMTT.2010.2095033.

[5] Schmelzer D， Long S I. A GaN HEMT class F amplifier at 2 GHz with> 80% PAE[J]. Solid-state circuits， IEEE journal of， 2007， 42（10）： 2130-2136. doi： 10.1109/JSSC.2007.904317.

[6] Aflaki P， Negra R， Ghannouchi F M. Design and implementation of an inverse Class-F power amplifier with 79% efficiency by using a switch-based active device model[C]//Radio and Wireless Symposium， 2008 IEEE. IEEE， 2008： 423-426. doi： 10.1109/RWS.2008.4463519.

[7] Wright P， Lees J， Tasker P J， et al. An efficient， linear， broadband class-J-mode PA realised using RF waveform engineering[C]//Microwave Symposium Digest， 2009. MTT'09. IEEE MTT-S International. IEEE， 2009： 653-656. doi： 10.1109/MWSYM.2009.5165781.

双级高效PA的输入匹配电路、级间匹配电路同样采用多级开路枝节线结构来实现阻抗匹配，同时输入匹配电路采用了电阻电容（RC）谐振回路来提高晶体管的稳定性。整体电路原理如图3所示。

电路的电磁仿真结果如图4所示，双级高效PA在2.65 GHz频率时的输出功率能够达到41.73 dBm，附加效率能够达到73.80%。末级PA的漏极电压电流波形如图5所示，从图中可以看出，该PA的漏极电压近似为方波，漏极电流近似为半正弦波，这与F类PA的漏极电压电流波形相吻合。

3 双级高效PA测试结果

PA的测试方案构架如图6所示，测试所用的仪器有矢量网络分析仪（R&S ZVA40），功率计（R&S NRP2），频谱仪（R&S FSV）等。

通过一系列的优化调试，双级高效功率放大器测试的结果如图7所示，在2.65 GHz频率，PA的附加效率达到65.69%，输出功率可以达到40.5 dBm。2.6～2.7 GHz频段内，PA的最高附加效率为67.53%，输出功率均大于约40 dBm，功率增益平坦度为±0.3 dB。

4 结束语

文章简要介绍了F类PA的工作原理以及F类PA的设计方法，并运用ADS仿真软件设计了一个双级高效PA，其前级驱动PA为B类，后级PA为F类，整体效率在2.65 GHz时达到65%以上，输出功率40 dBm。

参考文献

[1] Raab F H. Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 1997， 45（11）： 2007-2012. doi ： 10.1109/22.644215.

[2] Sigg A， Heck S， Brackle A， et al. High efficiency GaN current-mode class-D amplifier at 2.6 GHz using pure differential transmission line filters[J]. Electronics Letters， 2013， 49（1）： 47- 49. doi ： 10.1049/el.2012.3984.

[3] Lee Y S， Jeong Y H. A high-efficiency class-E GaN HEMT power amplifier for WCDMA applications[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE， 2007， 17（8）： 622-624. doi： 10.1109/LMWC.2007.901803.

[4] Ramadan A， Reveyrand T， Martin A， et al. Two-stage GaN HEMT amplifier with gate-source voltage shaping for efficiency versus bandwidth enhancements[J]. Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 2011， 59（3）： 699-706. doi： 10.1109/TMTT.2010.2095033.

[5] Schmelzer D， Long S I. A GaN HEMT class F amplifier at 2 GHz with> 80% PAE[J]. Solid-state circuits， IEEE journal of， 2007， 42（10）： 2130-2136. doi： 10.1109/JSSC.2007.904317.

[6] Aflaki P， Negra R， Ghannouchi F M. Design and implementation of an inverse Class-F power amplifier with 79% efficiency by using a switch-based active device model[C]//Radio and Wireless Symposium， 2008 IEEE. IEEE， 2008： 423-426. doi： 10.1109/RWS.2008.4463519.

[7] Wright P， Lees J， Tasker P J， et al. An efficient， linear， broadband class-J-mode PA realised using RF waveform engineering[C]//Microwave Symposium Digest， 2009. MTT'09. IEEE MTT-S International. IEEE， 2009： 653-656. doi： 10.1109/MWSYM.2009.5165781.