摘 要： 開關(guān)模式E類功率放大器的理論效率可達(dá)100%，可用于天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中。采用GaN HEMT器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)在2.8 GHz頻點(diǎn)下的E類功率放大器，輸出功率達(dá)到40 dBm，PAE為67%，增益為13 dB。此外，設(shè)計(jì)的微帶負(fù)載網(wǎng)絡(luò)對(duì)諧波進(jìn)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(dá)、通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代雷達(dá)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(jī)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(dá)100%的漏極效率[1]。但早期的功率放大器設(shè)計(jì)受到半導(dǎo)體材料及工藝限制，高效率設(shè)計(jì)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(jì)E類功率放大器具有效率和諧波抑制度高的優(yōu)點(diǎn)[2]，可以得到良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。
本文針對(duì)S波段天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)中速調(diào)管的固態(tài)激勵(lì)，采用新型半導(dǎo)體器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)2.8 GHz頻點(diǎn)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(fù)載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)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(fù)載回路是由并聯(lián)電容、串聯(lián)電感、LC諧振回路和負(fù)載阻抗組成。在理想的情況下，功率管截止時(shí)，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(shí)，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(huì)同時(shí)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(duì)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(fù)載網(wǎng)絡(luò)的外部電容兩部分。
對(duì)于圖1所示的拓?fù)浣Y(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(jì)需要的最佳負(fù)載電阻。
2 功放電路設(shè)計(jì)
由于E類功放對(duì)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(jì)原理與方法，在ADS環(huán)境下進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。
仿真設(shè)計(jì)過程主要步驟為：靜態(tài)工作點(diǎn)的確定，結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)（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(jì)步驟，首先對(duì)功放管進(jìn)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(duì)功放管進(jìn)行負(fù)載牽引和源牽引仿真，尋找最佳負(fù)載阻抗和源阻抗進(jìn)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(shí)現(xiàn)，串聯(lián)電感可用串接微帶線，這樣就設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可參考F類功放工作模式，實(shí)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(duì)諧波進(jìn)行負(fù)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(duì)低次諧波進(jìn)行抑制即可[2]，本設(shè)計(jì)針對(duì)二、三次諧波進(jìn)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(diǎn)呈現(xiàn)為低阻抗，起到抑制二、三次諧波的效果，同時(shí)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(diǎn)明顯，不僅實(shí)現(xiàn)了電路的阻抗匹配，又抑制了諧波分量，同時(shí)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(tái)下進(jìn)行仿真，掃描功放管漏極電壓、電流的時(shí)域波形，結(jié)果如圖3所示。漏極電壓與電流波形相互交錯(cuò)，避免了峰值電壓與峰值電流的同時(shí)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(diǎn)。
對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行S參數(shù)優(yōu)化，并手動(dòng)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(shí)，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(jì)指標(biāo)（如圖4所示）。而此時(shí)漏極效率高達(dá)76.9%，功率附加效率（PAE）約為73%（如圖5所示）。對(duì)電路進(jìn)行諧波平衡掃描，得到二、三次諧波在各功率點(diǎn)輸入時(shí)，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(jìn)行版圖優(yōu)化，最終制作電路板。本設(shè)計(jì)電路板采用ROGERS4350板材，板厚30 mil，實(shí)際介電常數(shù)為3.48，仿真使用介電常數(shù)3.66。經(jīng)實(shí)物測試，在輸入功率為27 dBm時(shí)，功放輸出基本達(dá)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(shí)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(shí)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(duì)S波段天氣雷達(dá)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(diǎn)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(shí)際需要，且附加效率達(dá)到67%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)類型放大器，對(duì)天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展具有積極的作用。
參考文獻(xiàn)
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