摘 要： 開關模式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，設計的微帶負載網(wǎng)絡對諧波進行了有效抑制。
射頻功率放大器在雷達、通信、衛(wèi)星導航等系統(tǒng)中都有著廣泛的應用?，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構簡單，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計受到半導體材料及工藝限制，高效率設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。采用新型半導體器件，結合微帶線設計E類功率放大器具有效率和諧波抑制度高的優(yōu)點[2]，可以得到良好的設計結果。
本文針對S波段天氣雷達發(fā)射機中速調管的固態(tài)激勵，采用新型半導體器件，設計了一個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)絡的設計理論、設計過程以及仿真結果與測試分析。
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)。功率管從導通至截止或從截止至導通的開關期間，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，可以認為只允許直流電流通過；并聯(lián)電容包含了功率管內部的輸出電容和加在負載網(wǎng)絡的外部電容兩部分。
對于圖1所示的拓撲結構，其元件參數(shù)的理論值可由以下公式確定[3]：
其中，QL為電路品質因數(shù)，為工作頻率，VDD為漏端電壓，RL為滿足功放設計需要的最佳負載電阻。
2 功放電路設計
由于E類功放對功率晶體管在開關速度、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類功放的設計原理與方法，在ADS環(huán)境下進行仿真設計。
仿真設計過程主要步驟為：靜態(tài)工作點的確定，結構電路設計（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)設計步驟，首先對功放管進行了直流特性仿真，通過仿真結果，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。結合理論公式求得各元件理論值，得到集總參數(shù)匹配結構。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，這樣就設計出了微帶線匹配網(wǎng)絡。
為了提高效率，E類功放電路的輸出匹配拓撲結構可參考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。這種模式的匹配結構可對諧波進行負載阻抗抑制，提高漏極效率[6]。E類模式的開關電壓波形較好，只需對低次諧波進行抑制即可[2]，本設計針對二、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)絡的組成部分。
整體結構如圖2所示，這種結構優(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
將整體電路結構在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，仿真結果滿足開關E類功率放大器的工作特點。
對整體網(wǎng)絡進行S參數(shù)優(yōu)化，并手動調諧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，已滿足預期10 W的設計指標（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，生成相應的版圖，并進行版圖優(yōu)化，最終制作電路板。本設計電路板采用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備損耗等影響，實測值偏差在正常范圍內，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，引入開關模式E類功率放大器替代傳統(tǒng)功率放大器，并結合新型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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