宽带F 类功率放大器的设计

提出了一款4G 频段全覆盖高输出功率高效率功率放大器。设计采用的是Cree 公司提供的GaN HEMT 晶体管CGH40025F。基于F 类功率放大器的设计理论,通过对晶体管的输入输出端均采用谐波控制网络,并将渐变式阻抗匹配这种宽带匹配方法应用到输入输出端的基波匹配当中。在实现二次谐波阻抗匹配至低阻抗区,三次谐波阻抗匹配至高阻抗区的同时基波阻抗被匹配至50Ω附近,从而有效提高了功率放大器的输出功率、效率和带宽。最终的测试结果表明在1. 7 ~ 2. 7 GHz 频率范围内,漏极效率维持在62. 55% ~ 76%,输出功率在20 ~ 41W,增益在10 dB 以上。仿真与实测结果基本一致。     

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%。     

基于滤波匹配网络的连续逆F类功率放大器

为了满足功率放大器对高效率和宽带的要求,介绍了一种连续逆F类功率放大器设计方法。在分析连续逆F类模式的基波和谐波阻抗基础上,提出了一种阶跃阻抗匹配网络电路。为了验证方法的有效性,设计并实现了一个1.7~2.9 GHz宽带的连续逆F类功率放大器。测试结果表明,在工作带宽内,增益波动小于2 dB,饱和功率大于40.5 dBm,峰值效率为65%~76%。该方法为宽带高效率放大器设计提供了有益的参考。     

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。     

基于新型输出结构的宽带高效率功率放大器

提出一种具有新型匹配网络的宽带高效率功率放大器,以及利用开路扇形微带线构成的紧凑型输出匹配网络,并给出了阻抗推导过程。该输出匹配网络在一定带宽条件下能满足晶体管的高效率所对应的阻抗设计空间要求。为了进一步拓展带宽,采用阶跃式阻抗匹配方法设计输入匹配网络。通过理论分析与仿真,最后设计并制作了一款频段为1~3.1 GHz的宽带高效率J类功率放大器。测试结果表明,在该频段内漏极效率为61.4%~70.2%,输出功率为39.3~41.7 dBm,增益为9.3~11.7 dB。     

高效率双频连续F类功率放大器的设计

为满足多标准和多频段无线通信的需求，针对特定频段如何提高效率问题，基于连续F类功放的谐波控制理论，提出了一种高达三次谐波控制的双频功放设计方法，实现了两个频段的高效率性能。首先，分析了电流源平面的各次谐波阻抗，基于连续F类阻抗设计空间的灵活性，设计的双频谐波控制网络将二次谐波控制在短路点附近，同时将三次谐波控制在开路点附近，可提高任意两个频段功放的效率。随后，针对传统耦合器基频匹配网络在多频匹配方面的不足，提出了改进的双频阻抗匹配网络，简化了匹配方法并实现了不同频点的最佳基波阻抗同时匹配到标准的50Ω。最后，使用Cree公司的CGH40010F GaN HEMT设计了一款工作在1.8和2.6 GHz的双频连续F类功率放大器，并进行测试，结果显示在1.8和2.6 GHz的饱和输出功率分别为40.6 dBm和39.5 dBm,最大功率附加效率分别为75.4%和74%,最大漏级效率均大于75%。测试结果表明，所提出的双频谐波控制网络设计方法在提高功放效率方面具有显著优势。     

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。     

基于逆F类的非对称Doherty功率放大器设计

随着5G时代的到来,大容量、高速率通信使得信号具有很高的峰均比。本文设计了一款工作在n78频段的大回退、高效率的逆F类(F^-1)非对称Doherty功率放大器。在载波功放、峰值功放的负载牵引中加入F^-1类谐波抑制网络,使其成为具有高效率的F^-1类功放,并且将载波功放后的阻抗逆变器改变为多阻抗匹配网络以提高回退过程中的效率。仿真结果表明在3.4-3.6GHz频段内,F^-1类非对称DPA饱和输出功率在41dBm左右,饱和平均效率大于70%,回退6dB时平均效率在50%以上,回退9.5dB时平均效率仍在43%以上。     

微带线E类功率放大器的设计与实现

E类功率放大器作为开关模式放大器一种,其理想效率为100%。一种简单微带线拓扑网络的E类功率放大器被提出,这种微带线负载网络不仅满足E类功率放大器工作模式的特殊要求,而且对高次谐波有很好的抑制性,同时通过增加合适的偏置微带线可以拓宽放大器的工作带宽。采用ADS软件仿真电路,并在1GHz频率点电路实现了输出功率为4W,漏极效率为73.4%,其中漏极效率效率在63%以上的电路带宽为200MHz。     

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。     

基于GaN HEMT 多倍频程高效率功率放大器设计

使用GaN HEMT 功率器件,设计了一款多倍频程高效率功率放大器。利用负载牵引技术分析输入功率、偏置电压、工作频率对功率器件输出阻抗的影响,从而寻找出满足宽带性能的最优阻抗区域;输入、输出匹配网络采用了切比雪夫多节阻抗变换器的综合设计方法,很好地拓展了匹配网络的带宽性能,从而实现了0. 8 ~4. 0 GHz(相对带宽133%)多倍频程高效率功率放大器电路。连续波大信号测试结果表明:在0. 8 ~ 4. 0 GHz 的频率范围内输出功率为39. 5 ~42. 9 dBm,漏极效率为54. 20% ~73. 73%,增益为9. 4 ~12. 0 dB。在中心频率2. 4 GHz 未利用线性化技术的情况下使用5 MHz WCDMA 调制信号测试得到邻近信道泄漏比(ACLR)为-27. 2 dBc。设计的工作频率能够覆盖目前主要的无线通信系统GSM900M、WCDMA、DCS1800 LTE、PCS1900 LTE、3. 5GHz WiMAX 以及下一代移动通信系统(5G)等。     

Circuit Behavior and Impedance Characteristics of Broad-Band TRAPATT-Mode Amplifiers

The characteristics of TRAPATT-mode high-efficiency oscillators and broadband amplifiers are reviewed. It is concluded that a broad-band amplifier like a high-efficiency oscillator should have capacitive circuit impedances and is distinguished from a high-efficiency oscillator principally by the number of important harmonics employed. A smaller number of harnonics for the amplifier can lead to broader bandwidth but lower efficiency. The relative merits of experimental amplifier circuits are discussed. It is shown that coaxial-line circuits employing diode packages with large lead inductances are characterized by harmonic impedances which can have large values over broad frequency bands. However, it is also shown that the device waveforms in this case are excessively degraded and relativeIy low-efficiency results. On the other hand, microstrip circuits with a Iow-impedance diode mount can provide broadband low impedances at both fundamental and third harmonic and have exhibited better performance.     

Design of broadband class-F power amplifier for multiband LTE handsets applications

A broadband class-F power amplifier for multiband LTE handsets applications is developed across 2.3-2.7 GHz. The power amplifier maintains constant fundamental impedance at the output matching circuit which is operating for broadband. The nearly zero of second harmonic impedance and nearly infinity of third harmonic impedance are found for highly efficient class-F PA. The harmonic control circuits are immersed into the broadband output matching for fundamental frequency. For demonstration, the PA is implemented in InGaP/GaAs HBT process, and tested across the frequency range of 2.3-2.7 GHz using a long-term evolution signal. The presented PA delivers good performance of high efficiency and high linearity, which shows that the broadband class-F PA supports the multiband LTE handsets applications.     

0.3～3.5GHz混合连续类功率放大器的设计

混合连续类相比较于传统连续类模型弱化了阻抗条件,简化了宽带匹配难度.该文通过采用混合连续类模型并基于阻抗缓冲概念为理论的新型谐波控制网络,设计了一款跨3个倍频层的混合连续类射频功率放大器.实测结果表明在0.3～3.5 GHz相对带宽为168.4％的频段范围内实现了漏极效率58.4％～72.6％,增益10 dB以上,输出功率为39.8～41.2 dBm.     

应用于4G-LTE无线通信系统的F类高PAE射频功率放大器

为了有效实现高谐波抑制并提高功率附加效率,提出了一种适用于4G-LTE无线通信系统的高效F类功率放大器。该功率放大器使用了低电压p-HEMT晶体管和小型微带抑制单元,能够在低射频输入功率下产生n次谐波抑制和较高的功率附加效率（power added efficiency,PAE）。采用谐波平衡法对提出的功率放大器进行了仿真分析,并对其进行了实际制造。通过实际测量对仿真结果进行了验证。测量结果显示,提出功率放大器的工作频率为1.8 GHz,带宽为100 MHz,平均PAE为76.9％,且具有2V的极低漏极电压。射频输入功率范围分别为0-12 dBm时,最大输出功率和增益分别为23.4和17.5 dBm。     

0.3～3.5 GHz混合连续类功率放大器的设计

混合连续类相比较于传统连续类模型弱化了阻抗条件,简化了宽带匹配难度。该文通过采用混合连续类模型并基于阻抗缓冲概念为理论的新型谐波控制网络,设计了一款跨3个倍频层的混合连续类射频功率放大器。实测结果表明在0.3～3.5 GHz相对带宽为168.4%的频段范围内实现了漏极效率58.4%～72.6%,增益10 dB以上,输出功率为39.8～41.2 dBm。     

High-Efficiency Broadband Parallel-Circuit Class E RF Power Amplifier With Reactance-Compensation Technique

Class E amplifier offers high efficiency approaching 100% for an ideal case. This paper introduces a first practical implementation of a novel broadband class E power amplifier design combining a parallel-circuit load network with a reactance compensation technique. The novel broadband parallel-circuit class E load network using reactance compensation technique has been discussed based on theory and its experimental verification. A proper guidelines method of designing a high-efficiency broadband class E power amplifier with an LDMOS transistor until the final prototype measurement and optimization will be discussed. In the measurement level, the drain efficiency of 74% at an operating power of 8 W and power flatness of 0.7 dB are achieved across a bandwidth of 136-174 MHz. The efficiency result is the highest result for VHF broadband frequency to date with a low supply voltage of 7.2 V. Simulations of the efficiency, output power, drain voltage waveform, and load angle (impedance) were verified by measurements and good agreements were obtained.