射频高效率功率放大器探究

2019-06-05孔宪辉中国电子科技集团公司第十三研究所河北石家庄050200

通信电源技术 2019年5期

关键词：高效率晶体管输出功率

孔宪辉（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050200）

1 射频功率放大器设计的理论基础

1.1 射频放大器性能指标

设计满足通信系统发射机需求的射频高效率功率放大器时，需满足功率放大器的工作频带、增益、稳定性及输出功率等性能指标，其中最关键的是效率和线性度[1]。

1.2 功率放大器的实际分类

功率放大器可按照晶体管导通角θ的大小和晶体管的等效电路分类。基于晶体管导通角θ，主要划分为A类、B类、AB类及C类。其中，C类放大器效率最高，但是其线性度交叉；A类漏级效率只有50%，但是其线性度较好。基于晶体管的等效电路，可划分为D放大器和E放大器，即开关类放大器，所以晶体管等效为受输入信号控制的开关。F放大器和G放大器属于等谐波控制类放大器[2]。

2 F类高效率功率放大器设计

本文具体探讨了F类高效率功率放大器的设计。

2.1 选取器件

为使功率放大器的设计满足预期需求指标，需合理选择工作频率，需合理选择功率器件。本次设计选择2.4 GHz的工作频率。2 GHz左右的功率放大器晶体管包括了Ga N、Ga As及LDMOS器件。其中，Ga As的功率容量较小，能广泛应用于高频率设计，如毫米波通信领域，但是它不具有良好的高击穿电压和热导率，所以不适用于大功率设计。LDMOS器件实际价格优惠，功率容量较大，被广泛应用于通信系统，但是它的的寄生参数较大，一般用于线性功率放大器设计。Ga N属于第三代新型半导体材料，功率容量和输出功率较高，工作频段性能相对稳定，且满足开关类高效率功率放大器的设计要求，但是它的价格较高。通过分析研究，本次选择Ga N HEMT。它的工作频带较宽，击穿电压高，符合大功率放大器的设计[3]。

2.2 F类高效率功率放大器实测分析

测试F类功率放大器组件前，需要做好如下步骤。

（1）核实电路板实物设计与PCB版图是否吻合，检验工厂加工板是否满足要求，并利用万用表检测电路板阻抗特性的正常度。

（2）检查PCB板上的焊接电容、晶体管及电感等性能。例如，电容是否出现极间短路和击穿等问题，晶体管是否出现击穿烧坏等故障。

（3）检查焊接器件和仿真图使用的型号是否匹配，并检查焊接工作，避免虚焊问题。带电工作环境下，通过万用表测试直流偏置。需做好直流电源的限流设置，以保护电路板和实验器材。

（4）除检查功率放大器外，还需校正和测量所有衰减器和连接线的损耗大小。本次使用的衰减器衰减为40 dB，连续线衰减为0.7 dB，其两个1.85 mm转和3.5 mm转接头对接的损耗为0.2 dB，共达到40.5 dB的衰减[4]。

2.2.1 驱动放大器测试

功率放大器测试前，为确保能达到27 dBm的输入功率，还需测试其驱动放大器输出功率。基于RF2126 Datasheet的静态工作点调试偏置电压如图1所示。

图1 RF2126 Datasheet 给出的静态工作点

寻找静态工作点中，还需分析电顺序。本次设计中，当VCC=6 V、VPC=2.6 V、实际输出功率为19.8 dBm及输出功率为27 dBm时，驱动放大器工作相对稳定，可确保输入功率。驱动放大器S参数实测如图2所示。

图2 驱动放大器S参数实测

当处于2.3 GHz的工作增益下，驱动放大器增益与输入功率的变化曲线如图3所示。

图3 2.3 GHz下输入功率与增益的变化曲线

由图3可知，当输入功率超出8 dBm时，驱动放大器增益开始逐渐压缩；当输入功率达到20 dBm时，驱动放大器增益压缩接近于4 dB。驱动放大器的线性度交叉出现了过早的压缩，导致相互连接的末级功率放大器出现过早的压缩。因此，改进时需替换线性度更高的驱动放大器[5]。

2.2.2 实物测试

对于F类功率放大器的测试系统，需确定静态工作点，利用调试发现漏级电压为28 V，漏级电流为0.21 A，栅极电压为-2.7 V，接近仿真静态工作点。同时，利用频谱仪可看到全频段工作稳定。当处于2.4 GHz时，功率放大器的功率附加效率只有36%，与设计存在较大出入。由于工作频段可能出现偏移，需将测试范围进一步扩大。因此，本次选择2.2～2.5 GHz，漏极电压为28 V，实际输入功率为2.7 dBm。

通过PAE计算，当处于2.3 GHz时，功率放大器达到最高功率附加效率，为61.26%，相比仿真结果略低。这是由于实际环境中，晶体管的温度会影响功放性能。本次选择的仿真频率为2.4 GHz，出现了100 MHz的工作频段偏移。这是由于PCB制版中，为焊接方便，适当改变了微带线尺寸。因此，获取最佳PAE时，工作频率出现变化。此外，加工PCB板时，它的实际精度也会影响工作频率。

通过矢量网络分析仪进行测试，F类功率放大器的实测参数如图4所示。