摘 要： 開關(guān)模式E類功率放大器的理論效率可達100%，可用于天氣雷達發(fā)射機系統(tǒng)中,。采用GaN HEMT器件,，設(shè)計了一個在2.8 GHz頻點下的E類功率放大器，輸出功率達到40 dBm,，PAE為67%,，增益為13 dB。此外,，設(shè)計的微帶負載網(wǎng)絡(luò)對諧波進行了有效抑制,。
關(guān)鍵詞： E類功率放大器；高效率,；諧波抑制,；GaN
射頻功率放大器在雷達、通信,、衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代雷達系統(tǒng)出于小型化和集成化考慮，要求盡量減少直流功耗,、提高系統(tǒng)性能,，提高射頻功率放大器的效率將有效降低電源消耗和散熱需求，直接改善發(fā)射機系統(tǒng)的性能,。
由SOKAL N O提出的E類功率放大器不僅電路結(jié)構(gòu)簡單,，而且理論上具有高達100%的漏極效率[1]。但早期的功率放大器設(shè)計受到半導(dǎo)體材料及工藝限制,，高效率設(shè)計方面存在較大缺陷，新材料新工藝器件的出現(xiàn)有效地克服了這些缺陷,。采用新型半導(dǎo)體器件,，結(jié)合微帶線設(shè)計E類功率放大器具有效率和諧波抑制度高的優(yōu)點[2],，可以得到良好的設(shè)計結(jié)果。
本文針對S波段天氣雷達發(fā)射機中速調(diào)管的固態(tài)激勵,，采用新型半導(dǎo)體器件,，設(shè)計了一個2.8 GHz頻點下，具有10 W輸出的微帶線E類功率放大器電路,，給出了微帶負載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計理論、設(shè)計過程以及仿真結(jié)果與測試分析,。
1 工作原理
常用的E類功率放大器電路輸出負載回路是由并聯(lián)電容,、串聯(lián)電感、LC諧振回路和負載阻抗組成,。在理想的情況下,，功率管截止時，漏極電壓在漏極電流等于零以后才開始上升,；而功率管導(dǎo)通時,，漏極電流在漏極電壓為零以后才開始出現(xiàn)。功率管從導(dǎo)通至截止或從截止至導(dǎo)通的開關(guān)期間,，漏極電壓和電流不會同時出現(xiàn),。這樣，漏極上無功率損耗,，理想效率為100%[3],。
電源通過RF扼流圈饋電到MOS管漏極，此RF扼流圈對基波頻率具有高電抗,，可以認(rèn)為只允許直流電流通過,；并聯(lián)電容包含了功率管內(nèi)部的輸出電容和加在負載網(wǎng)絡(luò)的外部電容兩部分。
對于圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu),，其元件參數(shù)的理論值可由以下公式確定[3]：
其中,，QL為電路品質(zhì)因數(shù)，為工作頻率,，VDD為漏端電壓,，RL為滿足功放設(shè)計需要的最佳負載電阻。
2 功放電路設(shè)計
由于E類功放對功率晶體管在開關(guān)速度,、功率容量和漏極擊穿電壓等方面要求較高,，在大功率和高頻率場合常采用GaN HEMT器件[4]，故本文選用Cree公司的CGH40010F,，根據(jù)E類功放的設(shè)計原理與方法,，在ADS環(huán)境下進行仿真設(shè)計。
仿真設(shè)計過程主要步驟為：靜態(tài)工作點的確定,，結(jié)構(gòu)電路設(shè)計（阻抗匹配,、偏執(zhí)電路等），電路參數(shù)的仿真與優(yōu)化[5],。根據(jù)設(shè)計步驟,，首先對功放管進行了直流特性仿真，通過仿真結(jié)果,，選取VGS=-3 V,，VDS=26 V。然后對功放管進行負載牽引和源牽引仿真,，尋找最佳負載阻抗和源阻抗進行匹配,。結(jié)合理論公式求得各元件理論值,，得到集總參數(shù)匹配結(jié)構(gòu),。根據(jù)微波理論,，并聯(lián)電容可用開路短截線實現(xiàn),，串聯(lián)電感可用串接微帶線,，這樣就設(shè)計出了微帶線匹配網(wǎng)絡(luò),。
為了提高效率，E類功放電路的輸出匹配拓撲結(jié)構(gòu)可參考F類功放工作模式,，實現(xiàn)電壓逼近方波,，電流近似為半正弦波的條件,。這種模式的匹配結(jié)構(gòu)可對諧波進行負載阻抗抑制,，提高漏極效率[6]。E類模式的開關(guān)電壓波形較好,，只需對低次諧波進行抑制即可[2]，本設(shè)計針對二,、三次諧波進行了抑制,。諧波抑制主要由1/4波長微帶線完成，開路線的電長度分別選擇為頻率2fc,、3fc的1/4波長,，這樣，開路線在相應(yīng)的諧波點呈現(xiàn)為低阻抗,，起到抑制二,、三次諧波的效果，同時也成為了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的組成部分。
整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點明顯,，不僅實現(xiàn)了電路的阻抗匹配，又抑制了諧波分量,，同時保證了E類放大器的最佳工作模式。
3 仿真與測試分析
將整體電路結(jié)構(gòu)在ADS平臺下進行仿真,，掃描功放管漏極電壓,、電流的時域波形，結(jié)果如圖3所示,。漏極電壓與電流波形相互交錯,，避免了峰值電壓與峰值電流的同時出現(xiàn)，這說明功放管上消耗的功率較少,，放大器工作在較理想的高效狀態(tài)下,，仿真結(jié)果滿足開關(guān)E類功率放大器的工作特點。
對整體網(wǎng)絡(luò)進行S參數(shù)優(yōu)化,，并手動調(diào)諧1/4波長偏置微帶線的長度,，以獲得更好的電路性能。最終仿真結(jié)果顯示,，在輸入功率為27 dBm時,，功放的輸出功率約為40.2 dBm，增益約為13.2 dB,，已滿足預(yù)期10 W的設(shè)計指標(biāo)（如圖4所示）。而此時漏極效率高達76.9%,，功率附加效率（PAE）約為73%（如圖5所示）,。對電路進行諧波平衡掃描，得到二,、三次諧波在各功率點輸入時,，抑制皆在60 dBc以上。
根據(jù)仿真確定的微帶電路,，生成相應(yīng)的版圖,，并進行版圖優(yōu)化，最終制作電路板,。本設(shè)計電路板采用ROGERS4350板材,，板厚30 mil，實際介電常數(shù)為3.48,，仿真使用介電常數(shù)3.66,。經(jīng)實物測試，在輸入功率為27 dBm時,，功放輸出基本達到10 W,，漏極效率約為71%,，附加效率約為67%，二,、三次諧波抑制在48 dBc以上,。與仿真結(jié)果相比，實際輸出功率略微偏小,，效率和諧波抑制都偏低一些,。但考慮到電路寄生參數(shù)、加工精度以及測試設(shè)備損耗等影響,，實測值偏差在正常范圍內(nèi),，與仿真值有很好的一致性，整體效果良好,。
本文針對S波段天氣雷達中固態(tài)功率放大器效率較低的問題,，引入開關(guān)模式E類功率放大器替代傳統(tǒng)功率放大器，并結(jié)合新型GaN器件,，成功研制了在2.8 GHz頻點下的高效E類功率放大器,。結(jié)果表明，該放大器輸出功率能夠滿足實際需要,，且附加效率達到67%,，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)類型放大器，對天氣雷達發(fā)射機系統(tǒng)的發(fā)展具有積極的作用,。
參考文獻
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