摘 要： 根據F類功率放大器的電路結構特點，給出用LC匹配電路設計輸出端的三階諧波抑制網絡的方法，設計了一款工作頻率為3.5 GHz的F類功率放大器。仿真結果輸出功率為37dBm，功率附加效率為68%，諧波失真得到很好抑制，效率得到提高。
關鍵詞： F類功率放大器；諧波抑制；功率附加效率
?
現代無線移動網絡的基站系統在傳送信號到移動終端時需消耗大量能量，系統的效率越來越受到重視。特別是作為基站系統末端的功率放大器，開關模式功率放大器相對于傳統的線性模式功率放大器能夠提供更高的效率。一個具有理想開路和短路終端的F類放大器中，漏端電壓和電流波形沒有重疊，在沒有功率耗散的前提下能夠達到100%的效率。
實際電路中，F類功率放大器的效率性能退化取決于功率管的寄生元件[1]（寄生電容，寄生電阻）、非零轉換時間、非零Knee電壓和有限的匹配網絡品質因數等影響。輸出端的諧波失真使電壓和電流波形產生變形和重疊，嚴重影響了F 類功率放大器的效率。為此，采用串聯LC匹配網絡設計功率放大器輸出三次諧波抑制，利用并聯LC網絡將偶次諧波短路到地，有效地提高了F類放大器的輸出效率。
1 工作原理
F類功率放大器使用諧波抑制電路對功放管漏端電壓或電流中的諧波成分進行控制，調整功放管漏端的電壓波形或電流波形，使得它們沒有重疊區，減少開關損耗，提高了功率放大器的效率。如圖1所示[2]，在漏端的輸出匹配電路中，加入諧波抑制網絡，濾除漏端的諧波波形干擾。
?
對漏端諧波失真的有效控制取決于幾個方面：
· 功放管輸出端寄生電容Cds的影響；
· 非線性實際器件模型在諧波頻率的實用性；
· 開關類功率放大電路的結構等[3，4]。
晶體管漏端基頻阻抗為：
由式(1)可知，在基頻處，晶體管漏端看到的基頻阻抗為純電阻性阻抗Zopt；在高階偶次諧波頻率(階次n=2，4，6…）處，由于輸出端的偶次諧波抑制電路，使從晶體管漏端看到的偶次諧波阻抗為0，實現了偶次諧波信號短路到地的功能；在高階奇次諧波頻率(階次n=3，5，7…)處，由于輸出端的偶次諧波阻抗為無窮大，因此晶體管漏端看到的奇次諧波實現開路的功能。
圖2所示為F類功率放大器的一種典型結構，在功放管漏端看到的各高階奇次諧波阻抗為無窮大，而各高階偶次諧波阻抗為0，流過開關的電流中僅包含基頻頻率成分和各高階偶次諧波成分。在F類電路實現上，只考慮三階諧波并聯諧振網絡，對高于三階的諧波被認為在輸出漏端電容處短路，且高于三階的諧波并聯諧振網絡增加了無源元件的損耗，對性能提高并不明顯[2]。
2 仿真與設計
本文采用0.25 μm的GaAs工藝模型MSFG35010，GaAs功率放大器最大的優點是具有更高的載波移動性，因而可獲得比硅更高的特征頻率ft和截止頻率fmax，并允許在任何特定頻率上使用具有更高擊穿電壓、外形更大的器件。這進而又允許在任何給定的輸出功率下使用更高的偏置電壓及相應更低的電流。低電流可減少源極和漏極寄生電容，這類寄生電容限定了高工作頻率，也給開關模式放大器帶來了很大問題。
先對功率管做直流仿真，根據MRFG35010管的datasheet參數及直流仿真圖(圖3)，取管子在AB類的偏置點，漏端直流供給電壓Vds取12 V，柵源電壓Vgs取-0.9 V，該晶體管的特征頻率為6～7 GHz。仿真結果如圖3。
?
文獻[5]、文獻[6]闡述了關于F類功放三階諧波抑制網絡的理論設計，本文采用LC并聯諧振匹配網絡抑制三階諧波，用LC構成并聯諧振網絡將其他高階偶次諧波成分短路到地。
圖4為電路輸入輸出匹配完成后，帶有三階諧波抑制的F類功率放大器的完整電路結構圖。圖5為電路的散射參量S11。
?
由圖6可知，三階諧波信號被很好地抑制，但是由于電路中沒有五階諧波抑制，所以在表1中可以看到五階諧波的影響仍然很大。
??? 電路的諧波仿真得到輸入功率與輸出功率的關系圖。由圖7可知，在射頻源功率為28 dBm時的輸出功率為37 dBm。
?
F類功率放大器測試中，漏極效率是一項重要的技術指標，但是漏極效率只考慮了輸出功率與電源功率的關系，而功率附加效率同時考慮了輸入功率，是一個更為合理的技術指標，圖8為功率附加效率隨輸出功率的變化曲線。
表2為本文性能參數與文獻[7]、文獻[8]電路性能參數的對比。結果顯示本文設計的電路功率附加效率較高，功率放大器的性能較好。
本文采用GaAs模型器件設計一款3.5? GHz帶有諧波抑制的F類功率放大器。結果表明，輸入功率為28 dBm時，輸出功率為37 dBm，功率附加效率為68%。在實際電路設計上，片上無源器件的容差也必須給予充分考慮。在設計中與晶體管漏極并聯的電容還要包含晶體管本身的電容，并聯電感和負載網絡中的電感可以用鍵合線電感實現，以提高品質因數和降低芯片的面積。
參考文獻
[1] COLANTONIO P，GIANNINI F，LEUZZI G，et al.On the?Class-F power amplifier design, international journal on RF and microwave computer-aided engineering, 1999，9(3)：129-149.
[2] GAO S，BUTTERWORTH P，OOI S，et al.Microwave class-F power amplifier design including input harmonic terminations.Microwave conference proceedings，2005.APMC 2005，5(12).
[3] NISHIKI S，NOJIMA T.Harmonic reaction amplifier a novel high-efficiency and high-power microwave amplifier，IEEE?MTT-S Symp.Digest，1987：963-966.
[4] TOYODA S.High efficiency amplifier.IEEE MTT-S symp.Digest，1994：253-256.
[5] TRASK C.Class F amplifier loading networks: a unified?design approach.IEEE MTT-S Int.Symp.Dig.,Anaheim,
1999，1(6).
[6] GREBENNIKOV A V.Circuit design technique for high?efficiency class F amplifiers.IEEE MTT-S Int.Symp.Dig.，Boston，MA，2000，2(6)：771-774.
[7] HUANG Min Zhe，Bin A′ain，KORDESCH A K，et al.An?integrated 2.4GHz CMOS class F power amplifier.Semiconductor Electronics，2006.ICSE′06.IEEE International Conference on Oct.29 2006(12)：537-540.
[8] 徐國棟，朱麗軍，蘭盛昌.2.45GHz全集成CMOS功率放大器設計[J].半導體技術，2007(1).