摘要 F類功率放大器實現(xiàn)高效率的基本原理，是利用輸出濾波器控制漏極輸出的電壓或電流波形?；谶@一點，文中首先理論分析了在不同諧波比例下的漏極電壓波形，然后利用電磁仿真軟件進行驗證。結(jié)果表明，僅有三次諧波和基波組合在一起時，當三次諧波和基波電壓比K=0．111時，漏極電壓波形最平坦；當K接近0．4時，漏極電壓波形趨于方波。最后選擇合適的諧波比例，設(shè)計了一款功率附加效率最大值達到88．074％的F類功率放大器。
關(guān)鍵詞 F類；功率放大器；漏極電壓；功率附加效率

    近年來，無論在全球移動通信系統(tǒng)、第三代移動通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等民用領(lǐng)域，還是在雷達、電子戰(zhàn)、導航等軍用領(lǐng)域，射頻功率放大器作為這些系統(tǒng)中的前端器件，對其低耗、高效、體積小的要求迅速增加。
    眾所周知，功率放大器是射頻電路眾多模塊中功率損耗最大的，作為系統(tǒng)的核心和前端部分，它的效率將直接影響系統(tǒng)效率，因此效率問題成為現(xiàn)代功率放大器的研究熱點。在大多數(shù)功率放大器中，功率損耗的主要是晶體管損耗，主要由電壓和電流產(chǎn)生的，從而提出開關(guān)類功率放大器，主要有D類，E類和F類。其中F類功率放大器專門設(shè)計一個諧波網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)漏極電壓和電流波形控制。理論上，F(xiàn)類功率放大器的漏極效率為100％，被稱為新一代功率放大器。

1 F功率類放大器的工作原理
    傳統(tǒng)功率放大器由于輸出電路上的功率消耗，其工作效率很低。為增加傳統(tǒng)功率放大器的工作效率，理想的F類功率放大器使用輸出濾波器對晶體管輸出電壓或電流中的諧波成分進行控制，歸整晶體管輸出的電壓和電流波形。從而實現(xiàn)集電極電流的角度參數(shù)為90°，即保持集電極波形為半個正弦波，集電極電壓波形為方波，并且兩者的相位差是λ／4，這樣集電極電壓和電流的波形就沒有交疊區(qū)，從而達到100％的理想效率。
    100％理想集電極效率的阻抗條件應(yīng)是
   
    滿足上述的阻抗條件實現(xiàn)的理想F類功率放大器的電壓和電流波形如圖1所示。

    此時，如果驅(qū)動信號是一個占空比為50％的方波信號，晶體管可近似作為一個理想開關(guān)，晶體管輸出的電壓波形中包含各奇次諧波成分。流過開關(guān)的電流中僅包含有基頻頻率成分和各高階偶次諧波成分。這樣由奇次諧波的總和來近似方波的電壓波形，基波和偶次諧波的總和來近似半正弦波的電流波形。從而得到電壓和電流表達式如下
   

2 F類功率放大器的漏極電壓分析
    F類功率放大器設(shè)計的基本原理是控制晶體管漏極的諧波電壓和電流信號，從而實現(xiàn)漏極電壓為方波信號，電流為半正弦波信號，這也是實現(xiàn)高效率的根本原因。
    然而，在現(xiàn)實設(shè)計中難以對所有諧波都進行控制的理想F類模式，增加考慮諧波的次數(shù)會在較大程度上增加設(shè)計的難度，并且效率的提高并不明顯。在只考慮2次和3次諧波的情況下，最大效率可達81．7％。因此在分析中，只考慮3次以內(nèi)的諧波。
    僅有3次諧波和基波組合在一起時，漏極電壓如式(4)所示

    式(4)即為在只考慮3次諧波時，通過1，3次諧波的電壓波形合成方波，若令K=V3／V1，下面分析不同K值下，如何由各次諧波信號合成方波。
   

    將V1歸一化，利用Matlab做出上述理論分析3種情況下的曲線圖，如圖2所示。

    由圖2可以看出，在只考慮3次諧波的情況下，當K=0．111時，波形最平坦，與文獻中所述3次諧波峰化時的最平坦波形理論一致。當K在(0，0．4)之間，小于但接近V1。當K接近0．4時，Vpk接近V1，趨向于方波。這就意味著即使不改變直流輸入功率，不需要改變所有的漏極電壓，只改變K值也可以改變電路輸出，從而影響整體的性能。這樣就可以通過改變K值，改變電壓和電流曲線，提高整個電路的輸出功率和效率，這也是F類結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。
    為了更好地驗證上述理論，使用電磁仿真軟件，調(diào)整不同的負載網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)K值分別為0．111、0．196和0．328的漏極電壓波形，結(jié)果如圖3所示。

    圖3是將一次諧波輸出電壓V1歸一化后得到的仿真結(jié)果，圖中標示的m1、m2、m3分別是歸一化后的漏極輸出各次諧波電壓峰值。從圖中可以看到，在3次諧波輸出電壓V3分別為0．111、0．196和0．328時，由漏極輸出1次和3次諧波合成的電壓Vd都<V1。
    其中，當K=0．111時，Vd的峰值是0．889，和理論上的K=0．111時Vpk=0．889V1一致，而且波形最平坦；當K=0．328接近理論分析中的0．4時，Vd=0．987接近V1，波形同樣趨向于方波。可以看出，所有的仿真結(jié)果和理論基本一致。

3 設(shè)計實例
    采用Cree公司10 W的GaN HEMT CGH40010，Rogers公司的RT5870基板，基板材料Er=2．33，基板厚度為0．79 mm，基頻1 GHz，工作偏置點選為Vds=28V，Vgs=-2．5V。
    在此次設(shè)計中，改變傳統(tǒng)的F類功率放大器只考慮輸出諧波的控制，同時考慮輸入諧波控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。
輸入和輸出2、3次諧波控制網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

    設(shè)計重點在諧波電路的優(yōu)化方面，調(diào)整不同的負載網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)K值在(0，0．4)之間。在實際電路設(shè)計中，還要考慮其他次諧波的影響，最終兼顧輸出效率和輸出功率等，優(yōu)化后選定K=0．24，并得到優(yōu)化的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

    從圖5可以看出，輸出電壓和電流波形分別趨向于方波和半正弦波。如圖6所示，最大的PAE達到88．074％，此時輸出為39．209 dBm，實現(xiàn)了高效率的F類功率放大器。

4 結(jié)束語
    文中對F類功率放大器進行了一系列理論研究，重點對漏極電壓方波的形成進行了理論分析和仿真驗證。在只考慮3次諧波時，K在(0，0．4)之間時，漏極電壓的波形接近于方波。其中當K=0．111時，漏極電壓波形最平坦；當K接近0．4時，漏極電壓波形趨向于方波。最后選擇合適的K值，在2次和3次諧波控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了F類功率放大器的設(shè)計。
    最終優(yōu)化設(shè)計的F類功率放大器，K=0．24，在輸入25 dBm時，PAE達到最大值88．074％，此時輸出39．209 dBm。此次設(shè)計的F類放大器實現(xiàn)了高效率、高增益、高輸出功率、低損耗等要求。