谐波控制在射频功率放大器设计中的应用

裴旭潮

摘   要：当前我国社会高速发展，对于高速数据传输、多功能智能移动通信设备需求量更大，使得无线通信技术不断向前发展，但是在设计无线通信设备方面也面临较多挑战。当前，在通信系统和雷达系统中已经大量地应用到射频功率放大器，高效率的功率放大器可以将系统功耗最大限度减小，将系统对于散热要求进行降低。文章基于谐波控制理论提高功放效率原理分析的基础上，进行南京电子器件研究所GaN HEMT器件的负载牵引测试，用于设计X波段单级MMIC功放。

关键词：谐波控制;功率放大器;单片微波集成电路;设计和应用

谐波控制属于经控制谐波阻抗的方式，进行漏极电压电流波形的调谐，让漏极电压以及电流波形时域上，最大限度地避免重叠[1]，使得功放效率有效提升，是一种具有较高技术含量的设计模式。近几年，研究谐波控制类功放的有关内容已经得到很高的关注度，而且取得了较多优秀研究成果。

1    谐波控制原理分析

射频功率放大器效率主要是采取漏极效率进行表述，基于理想的状态中，F类功放经设计谐波网络，让偶次谐波短路，奇次谐波开路，此时获取漏极电压电流波形状态如图1（a）所示。因为漏极电压电流波形是两种方式，即一种是方波，另一種是半正弦波，同时，双方之间无交叠的情况，所以达到了百分之百满足效率条件。同时，逆F类功放是相反于F类功放的，图1（b）为逆F类功放漏极电流电压波形。

基于高频的状态中具有晶体管的源漏电容Cds，所以高次谐波被短路影响到高频下高次谐波的程度是非常小的，再加上频率到微波毫米波频段很不容易控制高次谐波，所以通常情况下处于高频状态时，仅考虑3次谐波[2]。

2    负载牵引测试方法

在功放设计中，常应用到的一种举措就是负载牵引法，其原理为：将输入以及输出端阻抗进行不断变化，针对有源器件性能展开科学的测试，发掘出有源器件，得到最优性能期间的负载阻抗，也就是产生最佳的功率以及效率等状态中负载阻抗。通过作出负载牵引测试系统结构图，显示此系统于输出端时，展开抗阻调谐的举措就是混合有源模式，此方法可以进行单独调谐输出端基波，和进行单独调谐二次谐波抗阻以及3次谐波阻抗，同时，阻抗调谐范围较大，可以将史密斯圆图上反射系数小于0.95的范围进行全面的覆盖[3]。

在此次研究中，研究测试的对象是GaN 0.15 μm工艺HEMT器件（南京电子器件研究所提供），此器件具有240 μm（4×60 μm）的总栅宽。先实施基波负载牵引测试此器件，具有8 GHz的测试频率，同时，栅压、漏压分别是-1.8 V以及20 V。然后在最佳的效率点上面进行固定输出端基波阻抗，开展谐波负载牵引[4]。最后，把输出端谐波阻抗与刚测得最佳效率点进行严密的固定，之后落实基波负载牵引。结果显示，基波最佳效率点同没有实施谐波控制的情况相比，存在程度较小的偏移现象，相应的测试结果显示，在8 GHz时将谐波控制加入以后，可以将管芯效率进行提升，提升的幅度是10%，而且相较3次谐波来说，二次谐波阻抗影响效率幅度明显更高。进行设计电路的期间，应该使得二次谐波阻抗临近于最佳点，如果距离较远，就会让提升效率的成效较差[5]。与10 GHz频点实施相同方式的测试操作，产生两个频点即8 GHz以及10 GHz最优效率阻抗，去嵌后所得最佳效率阻抗值如下：在8 GHz频点时，取3个值分别是152.4+j×139.3，17.07+j×100.4，3.604+j×24.17，最佳频率阻抗值是70.02%;在10 GHz频点时，取3个值分别是123.1+j×109.8，24.51+j×130.3，4.139+j×27.92，最佳频率阻抗值是68.12%。观察史密斯圆图，如果抗固定是在最佳的效率点上面，则在二次谐波阻抗相位变化效率以及功率曲线上观察，效率最高点上，产生最大的输出功率以及最小的耗散功率，此情况是与理论分析相吻合的。

3    功放设计与结果分析

为了对以上的理论分析以及测试结果展开有效的验证，本研究设计单级功放，即8.5～10.5 GHz。在对功放的输出匹配电路进行设计期间，对于基波以及谐波阻抗进行充分的考虑，输出匹配网络实施3段LC匹配举措，在目标阻抗进行匹配基波以及谐波。但是这种匹配模式会产生较大输出匹配网络损耗，在8.5～10.5 GHz，将具备0.9 dB损耗的匹配网络输出[6]。

在测试夹具内安装放大器芯片，大信号测试主要是采取功率计、信号源展开操作。进行测试期间，使得偏压和负载牵引测试具备相同性状态，同时，具有-1.8 V的栅压以及20 V的漏压水平。而且此款功放基于8.6～9.5 GHz，具有48%～56%的效率，效率最大值为56%，是在8.8 GHz部位所得。也有效率较差的部分，即8.5～8.6 GHz，另外一个区间是9.5～10.5 GHz。通过对负载牵引结果、功放芯片测试结果开展比较观察，输出匹配网络损耗是0.9 dB，所以应该把负载牵引所获效率跟系数进行相乘，之后开展相应的比较。遵循负载牵引的结果，不管让管芯加入谐波控制还是不加谐波控制，均可以得到最佳效率，前者是70%，后者是60%，跟0.81这一系数进行相乘，最终得到56.7%以及48.6%。所以，能够得出的结论是，设计功放基于8.6～9.5 GHz，通过采取谐波控制的方式，使得效率显著增加，而且最佳值状态是8.8 GHz。但是效率相对较低的位置是在9.6～10.5 GHz，原因是输出端二次谐波阻抗匹配跟最佳点位置产生严重的偏离[7]。

4    结语

当前，在卫星通信以及移动通信设备、雷达以及基站等专用设备上，已经大量应用到功率放大器。进行功率放大器的设计工作，需要工作人员对应用场合与实际环境进行充分考察。结果表明，在8.6～9.5 GHz，具有48%～56%的漏极效率，联系负载牵引测试结果，最终显示出谐波控制在增强射频功率放大器效率中可以产生至关重要的作用。

[参考文献]

[1]王嘉文，陶洪琪.谐波控制在射频功率放大器设计中的应用[J].固体电子学研究与进展，2018（2）：101-105.

[2]南敬昌，张鹏俊.平衡式E/F类功率放大器的设计与实现[J].工程设计学报，2018（2）：237-244.

[3]於建生，桑磊，孙世滔，等.宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究[J].电子科技，2015（4）：102-105.

[4]邓旭东，胡和平，孟微.智能旋翼振动高阶谐波控制方法[J].直升机技术，2018（4）：1-7.

[5]韩雪莹，张佳炜，刘梦，等.集中控制协调多个并网逆变器的谐波补偿[J].机械与电子，2019（1）：49-53.

[6]冯剑波，陆洋，卫瑞智.电控旋翼低频面内谐波噪声主动控制试验[J].航空动力学报，2018（12）：2950-2957.

[7]杜俊杰，梁俊伟，和立辉，等.电力客户谐波超标精准控制管理探讨[J].管理观察，2019（5）：23-26.