基于谐波调谐技术的功率放大器研究 ①

郭 超，杨 飞，李霄枭，于洪喜，黄微波

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着电子设备的日益小型化，如何在有限空间实现设备的持久使用，是近年来各厂商重点关注的问题。由于目前电池容量上的限制，需将研究方向放到效率提升上。同样对于功率容量有限的星载设备，提升其散热性能以及使用寿命的重点，仍然是系统整体效率水平[1,2]。作为主要耗能模块的功率放大器(Power Amplifier, PA，简称功放)，其效率高低，基本上决定了系统整体功耗程度。由于电子产品的不断更新换代，传统功放设计愈加难以胜任要求日益严格的各项指标，因此谐波调谐技术[3]、包络跟踪技术[4]等关于功放性能提升的研究始终经久不衰。

经典类功放根据静态偏置点不同进行区分，通过对栅极电压的调整，能够在增益和效率方面进行折中设计。通常随着导通角的减小，牺牲部分增益的同时会提高功放效率。如果能够对电路中的谐波进行利用，调整功放的漏极和栅极处电压和电流波形，减小二者交叠产生的功率耗散，就能够较为明显的提高功放效率；并且还能保证同时提高功放增益，这就是谐波调谐功放的基本原理。其中较为常见的是F类功放[5,6]和逆F类功放[7,8]，通过调节谐波阻抗进而调整输出波形，将电压或者电流波形调整为近似方波状态，减小了能量损耗从而提高了功放效率。

1 谐波调谐理论

谐波调谐能够对功放指标有着整体上的提高，包括了输出功率、增益、效率以及线性度等方面。实际上在高频应用中，有源器件在输出端口被一个简化模型等效描述，其可以用一个控制电流源 表示，以及由一个电导 和一个电容 分流，输入端口由一个电阻 和电容 组成[9]，具体结构如图1所示。

图1 用于简化分析的场效应晶体管等效电路

忽略器件的寄生现象，并假定其为单端单向输入，由受控源提供的电流仅由输入驱动信号施加，能够发现其漏极处的电流波形主要受到Vgs影响，这里对应的谐波分量In为：

(1)

其中φ为电流的导通角，IMax为输出电流最大值，主要受到输入端的驱动信号和偏置点的影响。漏极处的电压波形受负载阻抗的影响较大，因此在考虑提高谐波控制功放效率时，同时考虑栅极电压、驱动信号以及负载阻抗，在电流较大时调节电压有较低值，反之亦然。

实际功放设计基本上存在各次谐波的影响，漏极对源极的输出电压(vDS)为漏极电源电压(VDD)与各次谐波电压(Vn)的差值，为了方便计算，以基频幅值进行归一化：

(2)

如果再考虑到高次谐波的衰减和寄生参数的短路效应，只考虑到三次谐波的影响，那么漏极对源极电压可以写成：

vDS(t)=VDD-V1·[cos(ωt)+k2·cos(2ωt)+k3·cos(3ωt)]

(3)

谐波功放设计就是调节其中k2和k3的值，以达到符合期望的输出电压值，提高传输到负载端的实功率。对于各类谐波调谐功放来说，其参考标准为无谐波控制情况。

2 谐波调谐功率放大器

谐波调谐功放根据利用的谐波模式，可分为负载调谐功放、三次谐波调谐功放、二次谐波调谐功放和二三次谐波调谐功放[3,10]。负载调谐功放(Tuned Load Power Amplifier，TLPA)，即无谐波调谐情况，理论上将其输入和输出网络的高次谐波全部短路，消除了谐波对于输出电压和电流波形的影响，其基频阻抗可表示为：

(4)

其中V1,TL为漏极电压的振幅，Imax为漏极电流的最大值。

由于谐波注入会提高基频电压的幅度，这里定义谐波调谐后的基频电压增益参数δHT：

(5)

三次谐波调谐功放(3rd Harmonic Tuned PA, 3HTPA)，即F类功放[5,11]，理论上将其输入和输出网络的二次谐波全部短路。此时对于3HTPA可以简化成如下形式：

VDS,N=cos(ωt)-k3·cos(3ωt)

(6)

F类功放漏极处的电流和电压波形情况，电压波形近似为方波，减少了与电流波形的交叠，提高了传输到输出端的实功率，同时提高了功放的漏极效率。

二次谐波调谐功放(2nd Harmonic Tuned PA, 2HTPA)，过激2HTPA也被称为逆F类功放[7,12]；其原理是利用二次谐波对电压波形赋形，三次项谐波短路，对漏极电压归一化处理：

VDS,N=cos(ωt)-k2·cos(2ωt)

(7)

对于2HTPA而言，在的波形调整方面，3HTPA依靠电路中的三次谐波与基频电压合成近似方波，而2HTPA则是在输入端的大信号驱动下，由漏极电流过饱和而产生的近似方波状态，因此逆F类功放有着更为明显的效率上的提升。

二次和三次谐波调谐功放(2nd&3rd Harmonic Tuned PA, 23HTPA)，同时利用二次和三次谐波调节漏极电压波形[3]，此时二次和三次谐波的谐波阻抗都没有短路，其对应的归一化漏极电压为：

VDS,N=cos(ωt)-k2·cos(2ωt)-k3·cos(3ωt)

(8)

四种谐波调谐功放的性质总结如表1所示。其中k2和k3是最优谐波电压比率，δ是对应的电压增益，β是电压非对称性评估参量，η是漏极效率提升的最大理论值。

表1 谐波调谐功放性质归纳

3 谐波调谐功放仿真对照

仿真采用CREE公司的CGH40010F晶体管模型，栅极电压VGS=-2.1V，漏极电压VDS=28V，工作频率f=1.5GHz，膝点电压Vknee=6V。四种谐波调谐功放的负载线及其漏极电压情况如图2、图3所示。

图2 四种谐波调谐功放的负载线对照

图3 四种谐波调谐功放漏极处电压对照

由图可知，随着调谐模式的优化，负载线摆度逐渐增大，在理论上有着更高的输出功率；漏极处电压幅度也随着调谐模式的改变，呈现出逐渐提高的状态，这从某种程度上验证了谐波调谐功放提高输出功率的原理，且由于电压和电流波形交叠较小，保证了功放效率不会因此而降低。

按照不同的谐波功放种类，分别进行牵引和匹配设计。这里以二次谐波功放为例，其对应的版图设计如图4所示：

图4 二次谐波功放版图设计

选择扫频参数输入功率Pin于10dBm到28dBm之间进行谐波仿真，观测四种类别功放整体的工作情况，得到各谐波功放的输出功率、PAE仿真结果如图5所示：

(a) 输出功率对照 (b) PAE对照

通过图5中仿真结果的比较，能够发现相对于负载调谐功放，其余三种谐波调谐功放在效率和输出功率上都有着一定程度上的提高，仿真在整体上符合表1给出的理论效率提升推导，即随着调制谐波的幅度和数量提高，优化效果随之提升，验证了理论的可行性。

4 结论

本文对谐波调谐功率放大器的基本原理进行了简单介绍，以无谐波调谐功放为参照，在仿真中对比了几种谐波功放的输出性能，能够看到按着3HTPA、2HTPA和23HTPA的顺序，在输出功率、PAE以及增益方面都有着较为明显提升。选择合适的工作偏置点，引入谐波和基频阻抗匹配，能够对功放的性能有较为明显的改善，符合谐波调谐功放设计相关理论。功放设计经常需要在效率、增益、输出功率和线性度等指标间进行折中，谐波调谐技术能够同时实现对功放效率和输出功率的提升，对于带宽较窄的单级功放设计是一种较为理想的设计方式，拥有良好的发展前景。