S波段高效F类/逆F类GaN HEMT功率放大器设计

为了解决F类和逆F类（F-1类）功率放大器设计过程中受晶体管寄生参数影响,导致功放效率低以及输出匹配电路结构复杂的问题,提出了一种新型的输出匹配电路结构.首先,在直流偏置线中加入谐波调谐功能,避免单独设计谐波控制电路;其次,为满足F类和F-1类功放在器件本征漏极端所需的阻抗状态,匹配寄生参数呈现的封装端谐波阻抗,采用一段L型传输线结构代替传统的L-C集总元件寄生补偿方法;最后,由两段串联的传输线实现最优基波阻抗与50 Ω负载间的匹配.为验证方法的有效性,采用CGH40010氮化镓高电子迁移率晶体管（Gallium nitride high electron mobility transistor,GaN HEMT）器件,设计并加工了两款工作在2.4 GHz的F类和F-1类功放.测试结果显示:F类功放的峰值功率附加效率（power added efficiency,PAE）为75.5%,饱和输出功率为40.8 dBm;F-1类功放的峰值PAE为77.6%,饱和输出功率为40.3 dBm.该方法降低了电路复杂度和设计难度,可以较容易地补偿晶体管寄生参数,功放在高频工作时的效率得到提升,为利用GaN HEMT器件设计高效功放提供了一种可行的方案.     

一种高效率E-1 / F 类GaN HEMT 射频功率放大器

使用GaN HEMT 功率器件,设计了一款5G 低频段的高效率E-1 / F 类射频功率放大器。为降低晶体管寄生参数及高次谐波对逆E 类(E-1 )功放开关特性和输出性能的不良影响,将具有寄生参数补偿的逆F 类(F-1 )谐波控制网络引入逆E 类功放输出匹配电路中,实现了对二次谐波和三次谐波分别进行开路和短路处理,从而获得逆E 类功放要求的良好开关特性。同时,得益于逆F 类功放优良的谐波控制效果,改善了功放漏极电压和电流波形,大大降低其漏极峰值电压和电流,进而提升了功放的输出性能。实测结果表明,该功放在3. 3 ~ 3. 6 GHz 的300MHz 有效工作带宽内的功率附加效率为59. 1% ~ 71. 4%,最大漏极效率高达75. 6%,输出功率在40. 2 ~ 41. 5dBm之间,增益平坦度在依1dB 以内。最后利用20 MHz 带宽的单载波LTE 信号作为测试信号,基于广义记忆多项式数字预失真器对该功放进行线性化后,功放输出的邻信道功率比改善了近15 dB。     

一种高效率逆F类Doherty射频功率放大器

为了进一步提高射频功放的输出能力,基于GaN HEMT功率器件,采用平衡式结构设计了一款工作频率为3.3 GHz 3.6 GHz的高效率逆F类Doherty结构射频功放。参照功放管的寄生参数等效电路网络,为获得逆F类功放理想的开关特性,设计了具有寄生参数补偿作用的谐波控制网络来抑制功放输出端的二次、三次谐波,同时结合Doherty功放结构特点,使其在6 dB功率回退的情况下仍具有较高的输出效率。仿真后,可得到其在3.3 GHz^3.6 GHz工作频带内的输出功率在40.4 dBm^41.8 dBm内,PAE为66%~77%,最大DE达到82.6%,功率回退6 dB处,功放的DE仍在69%左右,增益平坦度约为±1.5 dB。     

基于EFJ模式的宽带高效率Doherty功率放大器设计

将EFJ模式功率放大器应用于Doherty功率放大器的载波功率放大器,利用EFJ类功率放大器的阻抗特性改善了Doherty功率放大器的带宽。此外,还引入后谐波控制网络来提高Doherty功率放大器的效率。功放的输入匹配电路采用阶跃式阻抗匹配来进一步拓展工作带宽。使用CGH40010F GaN 晶体管设计并加工完成了一款宽带高效率Doherty功率放大器。测试结果显示,在3.2~3.7GHz 频段内,饱和输出功率达到43dBm,饱和漏极效率60%~72.5%,增益大于10dB。功率回退6dB时,漏极效率40%~48.5%。     

一种连续F类/逆F类模式转换功率放大器

传统的F类和逆F类功率放大器的带宽不宽,且对于功放输出信号的谐波控制比较严格。在连续类功放理论的基础上,设计了一款在工作带宽内连续F类和连续逆F类模式转换的功率放大器。设计的功放采用了Cree 公司的CGH40010F GaN HEMT 晶体管。通过调整功放管输出端的谐波控制网络,控制谐波阻抗在Smith 圆图中位置分布,从而在带宽内同时实现连续F类和连续逆F类的工作模式。制作了测试板,结果表明在2.4～4.2GHz的带宽内,增益在11dB 以上,漏极效率为55%～82%,输出功率在39.5～41.9dBm。采用了10MHz 的LTE 单载波信号进行功放的数字预失真测试,功放的输出ACPR改善了6dB以上。     

0.4~2.2 GHz连续F类功率放大器设计

连续F类功放(PA)通过引入修正因子,减轻功放对基波和二次谐波阻抗的要求,从而扩展F类功放的带宽。本文在连续F类功放基础上,提出一种新型修正型连续F类工作模式。通过引入电阻性二次和三次谐波阻抗进一步扩展连续F类功放的设计空间,使其可实现多个倍频程带宽。基于此理论,采用负载牵引方法对基波和谐波进行最佳阻抗提取,结合实频技术设计功放匹配网络,实现了一款超宽带高效率功率放大器。该功放在0.4~2.2 GHz频段内,饱和输出功率为39.8~41.4 dBm,漏极效率在59%~79%之间,增益大于10 dB。仿真与测试结果良好,验证了该方法的正确性。     

F类可重构功率放大器设计

针对F类功放并根据可重构理论,文中设计了一种基于PIN开关的新型谐波控制网络。该谐波控制网络主要通过调节PIN开关工作状态来实现不同频率下多项谐波分量的控制,以此来提高功放的整体效率。基于此新型谐波控制网络,采用CREE公司的CGH40010F GaN HEMT晶体管设计了一款工作在1.75 GHz和2.45 GHz的F类可重构功率放大器,并进行了加工测试。实测结果表明,在1.75 GHz和2.45 GHz工作频率下,饱和输出功率大于40.5 dBm,最大漏极效率大于69%,增益高于10.3 dB,带宽大于200 MHz。     

基于谐波调谐的双频高效功率放大器设计

为了满足无线通信系统对低功耗双频功放的需求,分析高效功放的阻抗条件,提出了一种新型双频输出匹配电路,包括谐波控制电路和基波匹配电路两部分.首先,通过调谐晶体管的谐波阻抗减小漏极电压和漏极电流波形的重叠,从而提高功放的效率;其次,通过公式推导得出双频阻抗匹配电路参数,将晶体管在两个频率下的最佳基波阻抗匹配至50Ω.为验证...     

采用寄生补偿的高效率逆F类GaN HEMT功率放大器

为了提高无线通信系统的工作效率,提出了一种基于逆F类结构的新型高效率功率放大器。结合功率晶体管的寄生参数,设计了一种添加了寄生补偿电路的输出端谐波控制网络,对2到5次谐波阻抗进行了处理。针对电路中寄生反馈元件的存在,在输入端对2次和3次谐波阻抗也分别进行了开路和短路处理。该功率放大器选用GaN工艺的HEMT器件作为功率晶体管,当工作在940MHz频率时,经测试所获得的最大漏极效率为87.4%,最大功率附加效率为78.6%,饱和输出功率为39.8dBm。     

一种基于锥形微带线的宽带F 类功率放大器

提出了一种基于5G 频段的宽带高效率F 类功率放大器。分析表明锥形微带线可以有效解决矩形微带线对于带宽的限制问题, 同时将锥形微带线加入谐波控制网络, 可以实现在一定频率范围内将二次谐波阻抗匹配至短路点附近, 三次谐波阻抗匹配至开路点附近, 从而有效解决了F 类功率放大器带宽和效率的问题。使用锥形微带线制作的功放, 实测结果表明: 在2.7 ~3.8GHz 的频带范围内, 漏极效率达到63% ~78%, 平均输出功率达到10W以上, 大信号增益达到10dB 以上。在5G 无线通信中, 该功放可以有效地发挥其宽带高效率的特点。