寬帶射頻功放晶體管非線性輸出電容研究

王俊 南京恒電電子有限公司

寬帶射頻功放晶體管非線性輸出電容研究

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本文結合氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）非線性輸出電容Cout和寬帶功放效率之間的關系，研究非線性電路模型。結果表明：通過Cout對漏極端電壓電流進行控制，對諧波阻抗的精度要求較低，拓寬了高效率阻抗區，有利于寬帶功放的匹配。采用GaN HEMT設計射頻功率放大器，通過實測驗證了該設計的可行性。

射頻功率放大器 寬帶 非線性輸出電容

自進入4G時代以來，人們對通信系統的效率和帶寬提出了越來越高的要求。射頻功率放大器作為無線通信系統的關鍵，其性能直接影響著系統整體性能，因此，研究設計高效率的射頻功率放大器具有重要意義。連續F類放大器作為傳統F類放大器的發展和延伸，其具有高效率、帶寬寬的特性[1]。本文進行了連續F類放大器電路中非線性輸出電容Cout的應用分析，并通過試驗驗證了基于Cout設計的連續F類放大器具備帶寬寬、效率高的特性。

1 電容Cout的作用原理

基于連續F類放大器理論，為了使連續F類效率最優，諧波和基波阻抗需符合下式要求[2]。

上式中：τ—經驗系數，且-1＜τ＜1，Ropt—B類偏置下基波的最優阻抗。

通過ADS構件非線性電容大型號模型，模型圖見圖1。則Cout的計算公式為：

圖1 非線性電容模型電路

將 A=1192．4，B=-0．059，C=-2．947 代入得到 Cout0=1．9。

此模型可以便于理解連續F類功率放大器的寬帶機理， 也可以用此模型測定電壓電流的波形。從等效電流源測定具備非線性和線性電容的連續F類電壓電流的波形，非線性輸出電容的電壓波形幅度大于線性電容。另外，相比之下非線性輸出電容電流波形更類似于方形波，說明其在理論上更接近于功率較高的最優效率波形。

圖2顯示了從頻域對基波至三次諧波阻抗分析結果。由圖可知，由于線性電容三次諧波阻抗處于開路，因此其電流波形產生的分量最小。公式（2）表示了二次諧波阻抗，所以具有線性電容漏極電流波形與理想的連續F類電流波形較為相似。依據非線性電容阻抗可知，三次諧波不需要滿足開路的狀態，而且由于非線性電容所產生的諧波使得各次的諧波阻抗均分布在圓周的負半部分。因此而降低了不同波間的重疊，功耗降低，功率提高。圖2還顯示了由于非線性電容的存在，降低了基波電壓電流波形間的相位差，因此功率損耗減低，輸出效率提升。由上述可得，將外部合適諧波阻抗與非線性電容相組合，可以拓寬諧波終端的阻抗范圍，并在該范圍中找到更大的功率和效率。

圖2 基波和諧波阻抗隨功率變化頻域圖

基于ADS的諧波牽引，通過對具有線性Cout以及非線性電容的大信號模型仿真對比，得到同樣高效率條件下，非線性電容對于精度的要求更低。另外，非線性輸出電容Cout對于漏極端波形的控制非常關鍵，因此，可以忽略漏極端諧波阻抗的精確性，簡化整體設計。

利用非線性輸出電容構件連續F類放大器模型，使得模型在諧波阻抗變化中更穩定。參照這一結論，有利于高效率寬帶功率放大器的設計。

2 連續F類功率放大器的設計

設計一種連續F類功放，用于驗證原理，并仿真分析。其工作頻寬為2—3GHz，配置Rogers基板，介電常數為3．65，板厚度為30mil，所用的晶體管為GaN HEMT CGH40010F。仿真的主要目的是為了找到二三次諧波阻抗對應最優效率時的范圍。實測得到4—9GHz頻寬范圍中，阻抗點均分布在高效率范圍內。圖3顯示了功放的效率和功率以及其增益曲線的實測值，當輸入功率為28dBm，Vgs為-3．4V，Vds為28V時，頻寬為2—3GHz范圍內，40%帶寬的功率大于40dBm，效率高于65%，增益范圍保持在10—12dB，實現了高效率和高功率同步輸出。2．1GHz處PAE達到最大值78．5%，輸出功率為41．00dBm。

圖3 功率放大器實測效率曲線

3 結語

以建立模型的方式進行了非線性和線性輸出電容控制波形比較，驗證了非線性輸出電容對于連續F類功率放大器設計的重要性。在2—3GHz頻寬范圍內，證明了功放設計的可靠性。期望為4G時代數據的高效率、低功耗傳輸發展研究提供參考。

[1]Tuffy N, Guan L, Zhu A, et al. A Simplified Broadband Design Methodology for Linearized High-Efficiency Continuous Class-F Power Amplifiers[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2012, 60(6):1952-1963.

[2]Tasker P J, Benedikt J. Waveform Inspired Models and the Harmonic Balance Emulator[J]. Microwave Magazine IEEE,2011, 12(2):38-54.

王俊，1978.11，男，漢，南京，大專，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。