C波段高效率逆F类GaN MMIC功率放大器

为了解决晶体管寄生参数对逆F(F-1)类功率放大器效率的影响,采用了一种新型的输出谐波控制结构。首先,设计二次和三次谐波控制电路,同时将直流偏置电路加入二次谐波控制电路,降低了电路设计的复杂度。其次,为了解决寄生参数对F-1类功放本征漏极端阻抗的影响,采用一段串行微带线进行寄生补偿。最后,通过微带线和电容进行基波和负载之间的匹配。为验证方法的有效性,采用0.25 μm氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)工艺,设计了一款工作在5.7 GHz~6.3 GHz的F-1类微波集成电路功放。版图后仿真结果显示,F-1类功放的漏极效率DE为57.2%~62.3%,功率附加效率PAE为51.8%~57.4%,饱和输出功率为39.0 dBm~40.4 dBm,增益为9.0 dBm~10.4 dBm。版图面积为3.2×1.7 mm²。     

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。     

宽带射频功放晶体管非线性输出电容研究

分析了GaN(氮化镓)HEMT(高电子迁移率晶体管)非线性输出电容Cout与宽带功放效率的关系。通过建立非线性电路模型分析得出,利用Cout控制漏极端电压电流波形能减轻对谐波阻抗的精确要求,使高效率阻抗区域扩大化,从而使宽带功放匹配变为可能。选用GaN HEMT器件设计2~3 GHz频段射频功率放大器,实测结果为该放大器最高漏极效率(DE)为81.7%,功率附加效率(PAE)78.3%,功率为40.75 dBm。在1 GHz带宽内PAE也可达65%以上。实测结果验证了原理分析的可靠性,提出的方法不仅可用于宽带GaN功率放大器设计,对其他类型的微波功放设计同样有借鉴作用。     

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。     

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。     

基于阶梯阻抗匹配网络的连续逆F类功率放大器

为了满足移动通信系统中功率放大器宽频带和高效率的需求，采用阶梯阻抗网络实现宽带匹配电路，设计了一款高效率连续逆F类功率放大器。选用CGH40010F GaN HEMT晶体管，通过对连续逆F类功率放大器的理论分析，并且结合ADS负载牵引与源牵引仿真，提取各频点的最佳负载阻抗和源阻抗，设计阶梯阻抗匹配电路，最终实现了一款宽带高效率功率放大器。测试结果表明，该功率放大器在3.2～3.8 GHz频段内，增益大于14 dB,增益平坦度小于±0.4 dB,饱和输出功率为40.6～40.9 dBm,最大漏极效率为64%～68%。该功率放大器的测试性能良好，可以为宽频带高效率功率放大器的设计提供参考。     

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。     

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。     

Effects of output harmonic termination on PAE and output power of AlGaN/GaN HEMT power amplifier

The authors experimentally investigate and discuss the effects of output harmonic termination on power added efficiency (PAE) and output power of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) power amplifier (PA). The AlGaN/GaN HEMT PA with gate periphery of 1 mm was built and tested at L-band. Large-signal measurements and comparisons of the PAE and output power were carried out at different DC bias conditions from 50% of saturated drain current (I/sub dss/) to 1% of Id., for the PA with and without output harmonic termination. For class-AB operation at 25% of I/sub dss/, an increase of about 10% in peak PAE and 1 dBm in output power were observed in saturated output power range. Improvements of up to 9% in PAE and 1.2 dBm in output power were achieved over the measured DC bias conditions provided the output harmonics are properly terminated.     

基于GaN器件的连续型高效宽带功率放大器设计*

提出一种高效宽带功率放大器的设计方法,并基于GaN HEMT 器件CGH40010F 设计了验证电路。利用功放管输出寄生参数的等效网络,将基于连续型功放理论得到的负载阻抗转换到封装参考面上,并利用多谐波双向牵引技术对转换后的负载阻抗进行适当调整,使二次谐波负载阻抗位于高效率区以及基频负载阻抗能够获得高功率附加效率和高输出功率。谐波阻抗位于高效率区使得匹配网络的设计简化为基频匹配网络的设计,降低了对谐波阻抗匹配的难度和宽带匹配网络设计的复杂度。实验结果表明:在1GHz -3GHz 工作频带(相对带宽100%)内,功率附加效率在53%-64.6%之间,输出功率为39.5±2dBm,增益为11.5±2dB,二次谐波小于-15dBc,三次谐波小于-25dBc。     

基于低通滤波匹配网络的双频功率放大器设计

提出了一种基于低通滤波匹配网络的高效率并发双频功率放大器设计方法。将连续F 类与连续逆F 类功放模式相结合,在保证效率的前提下拓展了阻抗设计空间,同时在谐波范围内引入多个传输零点,完成低通滤 波匹配网络的设计,对谐波进行抑制。为验证设计方法的合理性,设计制造了一款工作于1. 6 GHz 与2. 4 GHz 且带 宽超过200 MHz 的并发高效率功率放大器,在两频带内具有超过66%的功率附加效率以及超过40 dBm 的输出功 率,其相邻信道泄漏比也优于-25 dBc。     

High-Efficiency Class-F GaN HEMT Amplifier With Simple Parasitic-Compensation Circuit

This letter presents a highly efficient class-F power amplifier (PA) using a GaN high electron mobility transistor, which is designed at WCDMA band of 2.14 GHz. The simple and effective compensation circuit consisting of a series capacitor and a shunt inductor is used to compensate for the internal parasitic components of the packaged transistor. Also, the composite right/left-handed transmission lines are used as the harmonic tuner of the class-F PA. From the measured results for a continuous wave, the drain efficiency and power-added efficiency of 75.4% and 70.9% with a gain of 12.2 dB are achieved at an output power of 40.2 dBm.     

A Highly Efficient and Linear Class-AB/F Power Amplifier for Multimode Operation

The class-AB/F power amplifier (PA), a multimode PA, which can operate at both class-AB and class-F modes, is analyzed and compared with the conventional class-F and class-AB PAs. The open-circuited third harmonic control circuit enhances the efficiency of the PA without deteriorating the linearity of class-AB mode of the PA. The voltage and current waveforms are simulated to evaluate the appropriate operation for the modes. To demonstrate the multimode PA, the PA is implemented using an InGaP/GaAs HBT process and it is tested with reverse-link IS-95A code division multiple access (CDMA) and PCS1900 global system for mobile communications signals in the personal communications service band. The class-AB operation for a CDMA signal delivers a power-added efficiency (PAE) of 38.9% and an adjacent channel power ratio of 49.5 and 56.5 dBc at the offset of 1.25 and 2.25 MHz, respectively, at the output power of 28 dBm. The maximum PAE of 64.7% under the class-F operation is measured at 32.5-dBm output power for a GSM signal. The class-AB/F PA is a good candidate for the multimode PA of next-generation wireless communication systems.     

A novel full-wave rectifier/sinusoidal frequency doubler topology based on CFOAs

In this paper, a high-efficiency class-F power amplifier (PA) is designed using integration between a low voltage p-HEMT transistor and a miniaturized microstrip suppressing cell. It results in nth harmonic suppression and high power added efficiency (PAE) under low radio frequency (RF) input powers. The simulation is performed based on harmonic balance analysis. The proposed power amplifier is fabricated, and measurements results validated the simulations. The proposed power amplifier operates at 1.8 GHz with 100 MHz bandwidth and an average PAE of 71.1%, with very low drain voltage of 2 V. At fundamental frequency of 1.8 GHz, the maximum measured PAE is 73.5% at about 12 dBm RF input power. The maximum output power and gain are 23.4 and 17.5 dBm in RF input power ranges of 0–12 dBm, respectively. The fabricated class-F PA with such characteristics can be used for power amplifications in wireless transmitters such as 4G (4th generation)-LTE (long term evolution) communication systems.     

2.65GHz双级高效、高增益F类开关功率放大器设计

在F类功率放大器的基本工作原理和设计方法的基础上,采用开路枝节微带线匹配的方法实现了F类功率放大器所需要的谐波阻抗匹配,并采用GaN HEMT晶体管设计制作了应用于无线通讯领域的双级高效高增益F类功率放大器。在2.65 GHz工作频率,该功率放大器具有65.69%功率附加效率(PAE)、20 dB的功率增益和10 W输出功率。该功率放大器的实测结果与电路仿真结果相吻合,证明了使用该方法设计F类功率放大器的有效性。     

高效率开关F3/E类功率放大器

介绍了一种高效F3/E类功率放大器的设计方法,该放大器将F类功率放大器的谐波控制电路引入逆E类功率放大器的负载网络,以改善放大器性能。此电路结构提升了放大器的功率输出能力,降低了电路对功率放大器管器件漏极耐压特性的要求,增强了器件工作时的安全性。详细阐述了该放大器的设计过程,并给出了负载网络各器件的最佳设计取值方程。选用GaNHEMT器件研制了S频段F3/E类功率放大器测试电路。实测结果表明该放大器在驱动功率为27 dBm时,可获得40.3 dBm的输出功率,具有13.3 dB增益,工作效率高达78.1%,功率附加效率为75.2%。实测结果与仿真结果吻合,验证了设计方法的正确性。     

A high-efficiency class-E GaN HEMT power amplifier at 1.9 GHz

A single stage class-E power amplifier in GaN high electron mobility transistor (HEMT) technology is reported. The circuit operates at 1.9 GHz. At 30-V drain bias, a power-added-efficiency (PAE) of 57% and a maximum output power of over 37dBm was achieved, corresponding to a power density of 5.25W/mm. At 40-V drain bias, an output power of 38.7dBm is achieved at 50% PAE corresponding to a power density of 7.4W/mm.     

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...