射頻高效率功率放大器探究

孔憲輝（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050200）

1 射頻功率放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.1 射頻放大器性能指標(biāo)

設(shè)計(jì)滿足通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)需求的射頻高效率功率放大器時(shí)，需滿足功率放大器的工作頻帶、增益、穩(wěn)定性及輸出功率等性能指標(biāo)，其中最關(guān)鍵的是效率和線性度[1]。

1.2 功率放大器的實(shí)際分類

功率放大器可按照晶體管導(dǎo)通角θ的大小和晶體管的等效電路分類。基于晶體管導(dǎo)通角θ，主要?jiǎng)澐譃锳類、B類、AB類及C類。其中，C類放大器效率最高，但是其線性度交叉；A類漏級(jí)效率只有50%，但是其線性度較好?；诰w管的等效電路，可劃分為D放大器和E放大器，即開關(guān)類放大器，所以晶體管等效為受輸入信號(hào)控制的開關(guān)。F放大器和G放大器屬于等諧波控制類放大器[2]。

2 F類高效率功率放大器設(shè)計(jì)

本文具體探討了F類高效率功率放大器的設(shè)計(jì)。

2.1 選取器件

為使功率放大器的設(shè)計(jì)滿足預(yù)期需求指標(biāo)，需合理選擇工作頻率，需合理選擇功率器件。本次設(shè)計(jì)選擇2.4 GHz的工作頻率。2 GHz左右的功率放大器晶體管包括了Ga N、Ga As及LDMOS器件。其中，Ga As的功率容量較小，能廣泛應(yīng)用于高頻率設(shè)計(jì)，如毫米波通信領(lǐng)域，但是它不具有良好的高擊穿電壓和熱導(dǎo)率，所以不適用于大功率設(shè)計(jì)。LDMOS器件實(shí)際價(jià)格優(yōu)惠，功率容量較大，被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)，但是它的的寄生參數(shù)較大，一般用于線性功率放大器設(shè)計(jì)。Ga N屬于第三代新型半導(dǎo)體材料，功率容量和輸出功率較高，工作頻段性能相對(duì)穩(wěn)定，且滿足開關(guān)類高效率功率放大器的設(shè)計(jì)要求，但是它的價(jià)格較高。通過(guò)分析研究，本次選擇Ga N HEMT。它的工作頻帶較寬，擊穿電壓高，符合大功率放大器的設(shè)計(jì)[3]。

2.2 F類高效率功率放大器實(shí)測(cè)分析

測(cè)試F類功率放大器組件前，需要做好如下步驟。

（1）核實(shí)電路板實(shí)物設(shè)計(jì)與PCB版圖是否吻合，檢驗(yàn)工廠加工板是否滿足要求，并利用萬(wàn)用表檢測(cè)電路板阻抗特性的正常度。

（2）檢查PCB板上的焊接電容、晶體管及電感等性能。例如，電容是否出現(xiàn)極間短路和擊穿等問題，晶體管是否出現(xiàn)擊穿燒壞等故障。

（3）檢查焊接器件和仿真圖使用的型號(hào)是否匹配，并檢查焊接工作，避免虛焊問題。帶電工作環(huán)境下，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試直流偏置。需做好直流電源的限流設(shè)置，以保護(hù)電路板和實(shí)驗(yàn)器材。

（4）除檢查功率放大器外，還需校正和測(cè)量所有衰減器和連接線的損耗大小。本次使用的衰減器衰減為40 dB，連續(xù)線衰減為0.7 dB，其兩個(gè)1.85 mm轉(zhuǎn)和3.5 mm轉(zhuǎn)接頭對(duì)接的損耗為0.2 dB，共達(dá)到40.5 dB的衰減[4]。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)放大器測(cè)試

功率放大器測(cè)試前，為確保能達(dá)到27 dBm的輸入功率，還需測(cè)試其驅(qū)動(dòng)放大器輸出功率?；赗F2126 Datasheet的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試偏置電壓如圖1所示。

圖1 RF2126 Datasheet 給出的靜態(tài)工作點(diǎn)

尋找靜態(tài)工作點(diǎn)中，還需分析電順序。本次設(shè)計(jì)中，當(dāng)VCC=6 V、VPC=2.6 V、實(shí)際輸出功率為19.8 dBm及輸出功率為27 dBm時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器工作相對(duì)穩(wěn)定，可確保輸入功率。驅(qū)動(dòng)放大器S參數(shù)實(shí)測(cè)如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)放大器S參數(shù)實(shí)測(cè)

當(dāng)處于2.3 GHz的工作增益下，驅(qū)動(dòng)放大器增益與輸入功率的變化曲線如圖3所示。

圖3 2.3 GHz下輸入功率與增益的變化曲線

由圖3可知，當(dāng)輸入功率超出8 dBm時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器增益開始逐漸壓縮；當(dāng)輸入功率達(dá)到20 dBm時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器增益壓縮接近于4 dB。驅(qū)動(dòng)放大器的線性度交叉出現(xiàn)了過(guò)早的壓縮，導(dǎo)致相互連接的末級(jí)功率放大器出現(xiàn)過(guò)早的壓縮。因此，改進(jìn)時(shí)需替換線性度更高的驅(qū)動(dòng)放大器[5]。

2.2.2 實(shí)物測(cè)試

對(duì)于F類功率放大器的測(cè)試系統(tǒng)，需確定靜態(tài)工作點(diǎn)，利用調(diào)試發(fā)現(xiàn)漏級(jí)電壓為28 V，漏級(jí)電流為0.21 A，柵極電壓為-2.7 V，接近仿真靜態(tài)工作點(diǎn)。同時(shí)，利用頻譜儀可看到全頻段工作穩(wěn)定。當(dāng)處于2.4 GHz時(shí)，功率放大器的功率附加效率只有36%，與設(shè)計(jì)存在較大出入。由于工作頻段可能出現(xiàn)偏移，需將測(cè)試范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，本次選擇2.2～2.5 GHz，漏極電壓為28 V，實(shí)際輸入功率為2.7 dBm。

通過(guò)PAE計(jì)算，當(dāng)處于2.3 GHz時(shí)，功率放大器達(dá)到最高功率附加效率，為61.26%，相比仿真結(jié)果略低。這是由于實(shí)際環(huán)境中，晶體管的溫度會(huì)影響功放性能。本次選擇的仿真頻率為2.4 GHz，出現(xiàn)了100 MHz的工作頻段偏移。這是由于PCB制版中，為焊接方便，適當(dāng)改變了微帶線尺寸。因此，獲取最佳PAE時(shí)，工作頻率出現(xiàn)變化。此外，加工PCB板時(shí)，它的實(shí)際精度也會(huì)影響工作頻率。

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試，F(xiàn)類功率放大器的實(shí)測(cè)參數(shù)如圖4所示。

圖4 F類功率放大器實(shí)測(cè)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)輸出功率為40.4 dBm時(shí)，功率放大器的附加功率效率為61.26%，增益達(dá)到15.4 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

本次設(shè)計(jì)中，相比國(guó)內(nèi)F類高效率功率放大器，不僅滿足了高輸出要求，而且提升了工作效率。

3 結(jié) 論

本文研究了F類高效率功率放大器，實(shí)測(cè)證明本次設(shè)計(jì)能滿足實(shí)際使用要求，能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。