諧波控制在射頻功率放大器設計中的應用

裴旭潮

摘? ?要：當前我國社會高速發展，對于高速數據傳輸、多功能智能移動通信設備需求量更大，使得無線通信技術不斷向前發展，但是在設計無線通信設備方面也面臨較多挑戰。當前，在通信系統和雷達系統中已經大量地應用到射頻功率放大器，高效率的功率放大器可以將系統功耗最大限度減小，將系統對于散熱要求進行降低。文章基于諧波控制理論提高功放效率原理分析的基礎上，進行南京電子器件研究所GaN HEMT器件的負載牽引測試，用于設計X波段單級MMIC功放。

關鍵詞：諧波控制;功率放大器;單片微波集成電路;設計和應用

諧波控制屬于經控制諧波阻抗的方式，進行漏極電壓電流波形的調諧，讓漏極電壓以及電流波形時域上，最大限度地避免重疊[1]，使得功放效率有效提升，是一種具有較高技術含量的設計模式。近幾年，研究諧波控制類功放的有關內容已經得到很高的關注度，而且取得了較多優秀研究成果。

1? ? 諧波控制原理分析

射頻功率放大器效率主要是采取漏極效率進行表述，基于理想的狀態中，F類功放經設計諧波網絡，讓偶次諧波短路，奇次諧波開路，此時獲取漏極電壓電流波形狀態如圖1（a）所示。因為漏極電壓電流波形是兩種方式，即一種是方波，另一種是半正弦波，同時，雙方之間無交疊的情況，所以達到了百分之百滿足效率條件。同時，逆F類功放是相反于F類功放的，圖1（b）為逆F類功放漏極電流電壓波形。

基于高頻的狀態中具有晶體管的源漏電容Cds，所以高次諧波被短路影響到高頻下高次諧波的程度是非常小的，再加上頻率到微波毫米波頻段很不容易控制高次諧波，所以通常情況下處于高頻狀態時，僅考慮3次諧波[2]。

2? ? 負載牽引測試方法

在功放設計中，常應用到的一種舉措就是負載牽引法，其原理為：將輸入以及輸出端阻抗進行不斷變化，針對有源器件性能展開科學的測試，發掘出有源器件，得到最優性能期間的負載阻抗，也就是產生最佳的功率以及效率等狀態中負載阻抗。通過作出負載牽引測試系統結構圖，顯示此系統于輸出端時，展開抗阻調諧的舉措就是混合有源模式，此方法可以進行單獨調諧輸出端基波，和進行單獨調諧二次諧波抗阻以及3次諧波阻抗，同時，阻抗調諧范圍較大，可以將史密斯圓圖上反射系數小于0.95的范圍進行全面的覆蓋[3]。

在此次研究中，研究測試的對象是GaN 0.15 μm工藝HEMT器件（南京電子器件研究所提供），此器件具有240 μm（4×60 μm）的總柵寬。先實施基波負載牽引測試此器件，具有8 GHz的測試頻率，同時，柵壓、漏壓分別是-1.8 V以及20 V。然后在最佳的效率點上面進行固定輸出端基波阻抗，開展諧波負載牽引[4]。最后，把輸出端諧波阻抗與剛測得最佳效率點進行嚴密的固定，之后落實基波負載牽引。結果顯示，基波最佳效率點同沒有實施諧波控制的情況相比，存在程度較小的偏移現象，相應的測試結果顯示，在8 GHz時將諧波控制加入以后，可以將管芯效率進行提升，提升的幅度是10%，而且相較3次諧波來說，二次諧波阻抗影響效率幅度明顯更高。進行設計電路的期間，應該使得二次諧波阻抗臨近于最佳點，如果距離較遠，就會讓提升效率的成效較差[5]。與10 GHz頻點實施相同方式的測試操作，產生兩個頻點即8 GHz以及10 GHz最優效率阻抗，去嵌后所得最佳效率阻抗值如下：在8 GHz頻點時，取3個值分別是152.4+j×139.3，17.07+j×100.4，3.604+j×24.17，最佳頻率阻抗值是70.02%;在10 GHz頻點時，取3個值分別是123.1+j×109.8，24.51+j×130.3，4.139+j×27.92，最佳頻率阻抗值是68.12%。觀察史密斯圓圖，如果抗固定是在最佳的效率點上面，則在二次諧波阻抗相位變化效率以及功率曲線上觀察，效率最高點上，產生最大的輸出功率以及最小的耗散功率，此情況是與理論分析相吻合的。

3? ? 功放設計與結果分析

為了對以上的理論分析以及測試結果展開有效的驗證，本研究設計單級功放，即8.5～10.5 GHz。在對功放的輸出匹配電路進行設計期間，對于基波以及諧波阻抗進行充分的考慮，輸出匹配網絡實施3段LC匹配舉措，在目標阻抗進行匹配基波以及諧波。但是這種匹配模式會產生較大輸出匹配網絡損耗，在8.5～10.5 GHz，將具備0.9 dB損耗的匹配網絡輸出[6]。

在測試夾具內安裝放大器芯片，大信號測試主要是采取功率計、信號源展開操作。進行測試期間，使得偏壓和負載牽引測試具備相同性狀態，同時，具有-1.8 V的柵壓以及20 V的漏壓水平。而且此款功放基于8.6～9.5 GHz，具有48%～56%的效率，效率最大值為56%，是在8.8 GHz部位所得。也有效率較差的部分，即8.5～8.6 GHz，另外一個區間是9.5～10.5 GHz。通過對負載牽引結果、功放芯片測試結果開展比較觀察，輸出匹配網絡損耗是0.9 dB，所以應該把負載牽引所獲效率跟系數進行相乘，之后開展相應的比較。遵循負載牽引的結果，不管讓管芯加入諧波控制還是不加諧波控制，均可以得到最佳效率，前者是70%，后者是60%，跟0.81這一系數進行相乘，最終得到56.7%以及48.6%。所以，能夠得出的結論是，設計功放基于8.6～9.5 GHz，通過采取諧波控制的方式，使得效率顯著增加，而且最佳值狀態是8.8 GHz。但是效率相對較低的位置是在9.6～10.5 GHz，原因是輸出端二次諧波阻抗匹配跟最佳點位置產生嚴重的偏離[7]。

4? ? 結語

當前，在衛星通信以及移動通信設備、雷達以及基站等專用設備上，已經大量應用到功率放大器。進行功率放大器的設計工作，需要工作人員對應用場合與實際環境進行充分考察。結果表明，在8.6～9.5 GHz，具有48%～56%的漏極效率，聯系負載牽引測試結果，最終顯示出諧波控制在增強射頻功率放大器效率中可以產生至關重要的作用。

[參考文獻]

[1]王嘉文，陶洪琪.諧波控制在射頻功率放大器設計中的應用[J].固體電子學研究與進展，2018（2）：101-105.

[2]南敬昌，張鵬俊.平衡式E/F類功率放大器的設計與實現[J].工程設計學報，2018（2）：237-244.

[3]於建生，桑磊，孫世滔，等.寬帶射頻功放晶體管非線性輸出電容研究[J].電子科技，2015（4）：102-105.

[4]鄧旭東，胡和平，孟微.智能旋翼振動高階諧波控制方法[J].直升機技術，2018（4）：1-7.

[5]韓雪瑩，張佳煒，劉夢，等.集中控制協調多個并網逆變器的諧波補償[J].機械與電子，2019（1）：49-53.

[6]馮劍波，陸洋，衛瑞智.電控旋翼低頻面內諧波噪聲主動控制試驗[J].航空動力學報，2018（12）：2950-2957.

[7]杜俊杰，梁俊偉，和立輝，等.電力客戶諧波超標精準控制管理探討[J].管理觀察，2019（5）：23-26.