（电磁场与微波技术专业论文）高效率射频功率放大器的研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a ad i s s e r t a t i o nf o rd o c t o r ，sd e g r e e r e s e a r c ho nh i g h e f f i c i e n c y r a d i o f r e q u e n c y p o w e r a m p l i f i e r s a u t h o r sn a m e ：y a od i n g s p e c i a l t y ：e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n d m i c r o w a v et e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：p r o f f a l i nl i ud r y o n g x i ng u o f i n i s h e dt i m e ： m a y1 0 ，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与 我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：工瑶 签字日期：z 口1 2 ，6 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论 文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学位论文全文数据库等有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交 的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 w 么开口保密( _ 年) 作者签名：王鹾 签字日期：2 翌丛。6 ：6 导师签名： 签字日期：丛生= ： 摘要 摘要 功率放大器是通信系统中的关键器件，它位于发射机的末端，是整个系统 中消耗能量最多，产生热量最高的单元，其工作效率直接决定了整个发射系统 的耗能，稳定度，以及对电源和散热装置的要求。在全球绿色通信的趋势下， 效率的增强成为功率放大器的关键技术。无线通信技术的飞速发展又对功率放 大器提出了新的要求。本文将围绕新形势下高效率射频功率放大器的设计展开 研究，重点针对f 类和逆f 类高效率功放。 论文首先对功率放大器的设计中要遵循的理论和方法进行了综述，针对高 功率和高效率这两个基本要求，介绍了负载功率匹配、负载阻抗牵引和谐波调 谐这些常用的方法。 第三、四、五这三章分别针对单频f 逆f 类功放，双频f 逆f 类功放，以 及谐波控制技术在d o h e r t y 结构功放中的应用进行详细分析和研究。 第三章研究的内容是单频f 逆f 类谐波控制功率放大器。文章中首先介绍 了f 逆f 类功率放大器的工作机理，分析了理想情况和考虑晶体管寄生参数影 响的情况下波形和性能的变化，并针对更适合手机使用的相同直流偏置条件和 更适合基站情况的相同最大输出功率条件，分别比较了f 类和逆f 类性能上的 差异。在f 逆f 类的实现上，首先归纳了可实现f 逆f 类功放的各种结构，然 后提出了一种结合了双频阻抗变换器的新型谐波控制结构，这个简单的新结构 可实现f 逆f 类或其它类型的谐波调谐，实验验证了该结构的有效性。 第四章围绕双频f 逆f 类功放展开研究。首先设计了一个可重构的双频f 类功放，采用p i n 开关控制电路中微带线的断开和连接：然后设计了两个频带 不需切换的双频f 类谐波控制电路，通过详细的理论分析，证明了可以通过用 两段不同的微带线代替单频谐波控制电路中的单根微带线的方法将谐波电路扩 展到双频，并且给出了求解这两段微带线的方法，在此基础上实现了一个双频 f 类功放，实验结果验证了方法的有效性；最后针对在双频f 类功放工作时可 能出现的频率冲突问题，提出了将一个频带设计在f 类，另一个频带设计在逆 f 类的解决方案，并实现了一个双频f i f 类功率放大器，实验结果证明在两个 频带上都能达到和单频高效率的f 或逆f 类功放相似的结果。 第五章中将谐波控制的高效率功放和功率回退的d o h e r t y 结构功放结合起 来。d o h e r t y 结构功放通过负载牵引的方法使得在功率回退范围内保持较高的效 率，适合新一代无线通信中的高峰均比信号。但d o h e r t y 功放和谐波控制功放 的带宽都较窄，为了解决这一问题，采用了连续型的逆f 类功放，相对于传统 摘要 方法，连续型逆f 类功放对谐波阻抗和电压波形略作调整，使得其有更宽的带 宽。最后采用这种方法设计了一个d o h e r t y 功放，实现了在所需频带内的高性 能。 关键词：功率放大器；高效率；f 类；逆f 类；谐波控制；双频功放；d o h e r t y 功放 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e r a m p l i f i e r ( p a ) w h i c hi sl o c a t e da tt h e t h ek e yc o m p o n e n t si nt h er ff r o n te n d a st h e e n do ft h er a d i ot r a n s m i t t e ri so n eo f m o s tp o w e r c o n s u m i n ga n dh e a t i n g u n i t , i t se f f i c i e n c yh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eo v e r a l lp o w e r c o n s l m l p t i o n ，s y s t e m s t a b l l i t ya n dt h er e q u i r e m e n tf o rp o w e rs u p p l ya n dc o o l i n gs y s t e m e f f i c i e n c v e 址1 a n c e m e n th a sa l w a y sb e e nac r i t i c a lt e c h n i q u ei np a d e s i g n ，e s p e c i a l l ya t 廿1 ev e m o m e n tw h e nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni s e x p e r i e n c i n ga 慨e n d o u se v o 蜥0 n r a l s l n gn e wd e m a n d sf o rp a s t h ed i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h eh i g he f f i c i e n c vc l a s s f i n v e r s ec l a s sf ( i f ) p a su n d e rt h en e w t i e n d s f i r s to fa l l ，g e n e r a lp r i n c i p l e si np ad e s i g na r es u m m a r i z e d c o m m o n l vu s e d p o w 盱a n de f f i c i e n c yb o o s t i n gm e t h o d si n c l u d i n gp o w e r ( g a i n ) m a t c h ，l o a d - p u l l c o n t o i l lst h e o r ya n dh a r m o n i ct u n i n ga p p r o a c h e sa r ep r e s e n t e d ，w r h i c hf o r e s h a d o w s f o rt h ef o l l o w i n gc h a p t e r s c h a p t e r3 ，4a n d5w i l li n t r o d u c es e p a r a t e l yt h es i n g l eb a n dc l a s sf i f , d u a lb a n d c l a s sf i fa sw e l la st h e c o o p e r a t i o no ft h eh a r m o n i ct u n e dp aa n dt h ed o h e r k s t r u c t u r e c h a p t e r3i sf o c u s e do ns i n g l eb a n dc l a s sf i fh a r m o n i ct u n e dp a w i t hs o m e t h e o r e t i c a li n t r o d u c t i o nt oi t so p e r a t i o n p r i n c i p l ea n dt h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo f t h ep a r a s i t i ce l e m e n t so ft h et r a n s i s t o rt ot h ep a s p e r f o r m a n c e ，c o 功p a r i s o nb e t w e e n c l a s sfa n di fp a sa r ec a r r i e do u ti nt w oc a s e s ：o n eg i v e n 也es a m ed r a i l l b i a sf o r c e l l p h o n eu s ea n dt h eo t h e rg i v e nt h es a m em a x i m u m o u t p u tp o r e rf o r b a s es t a t i o n u s e t h ec l a s s i c a la n ds t a t e o f - t h e a r t s t r u c t u r e st or e a l i z e c l a s sf i fp a sa r e o v e r v l e w e d t h e nan e ws t r u c t u r ew h i c h e m p l o y st h r e e s e c t i o n 仃a n s r n i s s i o n 1 i 1 1 ed u a l b a n dt r a n s f o r m e ri nt h eh a r m o n i cc o n t r o lc i r c u i ti sp r o p o s e d t h e s i m p l es 缸u c 钮聪i s s u i t a b l ef o rc l a s sf i fa n do t h e rh a r m o n i ct u n e dp a s f o rd e 埘【o n s 仃a d o n ap a i s d e s i g n e da n df a b r i c a t e dw i t ht h ep r o p o s e dm e t h o d r e s e a r c h e so nd u a lb a n dc l a s sf i fp a sa r ec a r r i e do u t i nc h a p t e r4 f i r s to f a l l , a d u a lb a n dr e c o n f i g u r a b l ec l a s sf p o w e ra m p l i f i e rt h a tc o m b i n e sp i nd i o d es w i t c h e s w l t bh a l m o n i cc o n t r o l n e t w o r ki s p r e s e n t e d t h e n ，an o v e lt w o s e c t i 锄 缸a n s m i s s i o n l i n e ( t s t l ) b a s e dd u a lb a n dh a r m o n i cc o n t r o ln e t w o r ki s d e v e l o p e d t h et s t ld e s i g nc r i t e r i o ni si n v e s t i g a t e df o rt h r e ep a r t i c u l a rc a s e sa n dac o n c e n t d u a lb a n dc l a s s - fh a r m o n i cc o n t r o ln e t w o r k a d o p t i n ga 1 1t 1 1 e 也r e e 妣d so ft s t l 8i s i i i a b s t r a c t d e s i g n e d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o nb a s e do nt h ep r o p o s e dt o p o l o g yi sr e a l i z e db ya f a b r i c a t e dp a a f t e rt h a t ，ah i 曲e f f i c i e n c yc o n c u r r e n td u a l - m o d ed u a l - b a n dp o w e ra m p l i f i e r i s p r e s e n t e dt oa v o i dt h ep r o b a b l eh a r m o n i cc o n f l i c ti nd u a lb a n dc l a s sf c a s e s i t s i m u l t a n e o u s l yo p e r a t e sa tc l a s s - fm o d ef o ro n eb a n da n da ti n v e r s ec l a s s - fm o d ef o rt h e o t h e rb a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w ss i m i l a rp e r f o r m a n c ea st h es i n g l eb a n dc l a s sf i fp a s i nc h a p t e r5 ，h a r m o n i ct u n e dp ai se m p l o y e di nd o h e r t ys t r u c t u r e d o h e r t yp ai sa b l et o k e e ph i 曲e f f i c i e n c yf o raw i d er a n g eo fo u t p u tp o w e rb a c ko f fs oi ti se x t r e m e l ys u i t a b l ef o r t h es i g n a l sw i t h1 1 i g l lp e a k - t o - a v e r a g er a t i o b u tb o t ht h eh a r m o n i ct u n ep aa n dt h ed o h e r t y s t r u c t u r eh a v el i m i t e db a n d w i d t h ar e c e n t l ya r i s e nc o n t i n u o u sc l a s sf i fp ai sb e l i e v e dt o h a v ew i d e rb a n d w i d t ht h a nt h et r a d i t i o n a lc l a s sf i fp a s ow ec o m b i n et h ec l a s si fp aw i t h d o h e r t ys t r u c t u r ea n da c h i e v e sg o o dp e r f o r m a n c ei nar e q u i r e db a n d w i d t h k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r ；h i g he f f i c i e n c y ；c l a s sf ；i n v e r s ec l a s sf ；h a r m o n i c c o n t r o l ；d o h e r t ya m p l i f i e r 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录 一v 图目录j ：v 表目录 x i 第1 章绪论1 1 1 研究背景：1 1 2 射频高效率功率放大器的研究现状2 1 2 1 晶体管技术的发展2 1 2 2 高效率单管功放的发展现状3 1 2 3 多频功放的发展现状4 1 2 4 系统级高效率功放电路的发展情况5 1 3 本文主要工作及内容安排6 第2 章高效率射频功率放大器的设计方法9 2 1 引言9 2 2 功率匹配9 2 3 负载牵引1 1 2 3 1 负载线理论1 2 2 3 2 封装参数对负载牵引的影响1 5 2 4 谐波控制1 7 2 4 1 功率放大器中的功率分配1 7 2 4 2 理想情况下的谐波控制方法2 0 2 4 3 高频功放中的谐波调谐方法2 1 2 5 。总结2 7 第3 章f 类谐波控制功率放大器2 9 3 1 引言2 9 3 2 f i f 类放大器的原理分析2 9 3 2 1 b 类功率放大器过激励2 9 3 2 2 f 类功率放大器3 1 3 2 ，3 逆f 类功率放大器3 3 3 2 4 导通电阻和寄生电容的影响3 4 3 3 f 类和逆f 类功率放大器性能对比3 8 3 4 传统f i f 类谐波控制功放的实现结构4 2 3 4 1 采用集总元件实现的谐波控制结构4 2 3 4 2 采用微带线结构实现谐波控制4 3 3 5 谐波控制功放的新型实现结构4 7 3 5 1 双频阻抗变换原理4 8 3 5 2 基于双频阻抗变换器的新型谐波控制结构4 9 3 5 3 采用新型谐波控制结构的g a n 功率放大器5 0 3 6 总结5 3 v 目录 第4 章双频胁类功率放大器5 5 4 1 引言5 5 4 2 可重构双频f 类功率放大器5 6 4 2 1 可重构双频f 类谐波控制电路5 6 4 2 2 p i n 开关及其偏置电路5 8 4 2 3 电路设计及仿真结果5 9 4 3 微带线结构双频f 类功率放大器6 1 4 3 1 双频f 类谐波控制电路6 1 4 3 2 双频f 类功率放大器设计实现6 5 4 4 双频肼类功率放大器6 9 4 4 1 双频f i f 类谐波控制电路6 9 4 4 2 双频f i f 类功率放大器设计实现7 1 4 5 总结7 4 第5 章 高效率谐波控制d o h e r t y 功放7 5 5 1 引言7 5 5 2 d o h e r t y 功放工作原理7 5 5 2 1 有源负载牵引7 5 5 2 2 d o h e r t y 功放结构7 6 5 2 3 d o h e r t y 功放工作状态分析7 7 5 2 4 对称式d o h e r t y 功放性能8 4 5 3 谐波控制类d o h e r t y 功放8 7 5 3 1 连续型逆f 类功放8 7 5 3 2 基于连续型i f 类功放的高效率d o h e r t y 功放9 2 5 4 总结9 6 第6 章结束语9 7 参考文献 9 9 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果1 0 9 致谢。1 1 i v i 图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 。1 6 图2 1 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图目录 共轭匹配与功率匹配1 0 共轭匹配和功率匹配的输出功率曲线对比1 1 理想晶体管的非线性模型和输出特性1 2 a 类线性功放及其最优负载1 3 使得功率降低为只，咖对应的电阻值和对应的电压电流波形1 4 勿串联电抗对电压波形的改变1 4 叱硝并联电纳对电压波形的改变1 5 并联寄生电容对功率等高线的影响1 6 寄生电容和电感对功率等高线的影响1 6 功放结构简图1 7 电压电流方波波形及各次谐波功率谱分析1 9 f 类( 逆f 类) 功放理想的电压电流波形2 1 e 类功放的理想波形2 1 增加谐波分量对波形的改变2 3 三次谐波电压对输出电压波形的影响2 5 电压增益函数如的变化曲线2 6 不同岛情况下对应的电压波形2 7 理想过激励b 类功率放大器的电流电压波形2 9 效率最优的过激励b 类波形3 2 理想f 类功放漏极电流和电压波形3 3 理想逆f 类功放的漏极电流电压波形3 3 考虑导通电阻和并联输出电容的等效电路3 4 导通电阻对电压电流波形的影响3 5 漏极并联电容对电流电压波形的影响3 7 拐点电压对f i f 类功放的影响3 8 相同峰值电压和输出功率下( a ) f 类和( b ) 逆f 类功放电流电压波形4 1 由集总元件实现的谐波峰化电路4 2 考虑寄生电容和寄生电感情况下的谐波峰化电路4 3 传输线谐波峰化电路4 4 考虑输出电感后的谐波峰化电路4 4 加入寄生补偿结构的输出端谐波阻抗控制电路4 5 i 图目录 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 ， 图4 图4 图4 图4 9 图4 1 0 图4 图4 图4 图4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图5 1 图 图 图 图 2 3 4 5 采用微带谐振单元的f 类功放4 6 微带谐振单元结构及其s 参数4 7 谐波控制功放的各次阻抗条件4 7 三段微带线双频阻抗变换器4 8 基波和三次谐波阻抗变换电路4 9 新型谐波控制结构5 0 谐波控制功放结构图5 1 基波和三次谐波匹配过程5 1 功放电路实物照片5 2 实测功放特性曲线5 2 f 类功放谐波控制电路5 6 由开关控制的双频谐波控制电路5 7 p i n 开关等效电路模型5 8 包含寄生参数的串联p i n 开关封装模型5 9 p i n 开关的直流偏置电路5 9 兀型匹配电路6 0 功放在两个频率模式下的性能6 1 单频f 类功放输出端结构6 2 两段微带线结构6 2 双频f 类功率放大器的输出端谐波控制结构6 5 新型结构( 实心) 和理想电路漏极谐波阻抗( 空心) 对比6 7 双频f 类功放的实物图6 7 双频f 类功放实测扫频特性曲线6 8 双频f 类功放在两个频点的的功率扫描特性6 8 双频f i f 类功放输出端结构7 0 功率晶体管输入输出谐波阻抗7 2 双频f 佃类功率放大器实物7 2 双频腓类功放实测扫频特性曲线7 3 双频f 肺类功放两个频点的功率扫描特性7 3 有源负载牵引原理7 6 两路d o h e r t y 电路结构7 7 小信号状态下辅功放断路状态7 7 小信号状态时高阻和低阻负载线分析7 8 负载为r o r r 和2 r o m 时的增益( a ) 和效率( b ) 对比7 9 图目录 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 。1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 从史密斯圆图上分析小信号情况下高阻状态时功放性能8 0 大信号工作状态下的d o h e r t y 结构等效电路8 1 理想情况下主功放和辅功放的输出电流和电压曲线8 4 主功放和辅功放输出端负载阻抗z c 和z p 的变化曲线8 5 理想条件下d o h e r t y 功放和b 类功放的连续波效率对比8 6 连续型i f 类功放的电压电流波形8 8 连续型i f 类功放的各次阻抗8 8 9 4 0 m h z 对应的各次谐波阻抗8 9 9 2 5 m h z 对应的各次谐波阻抗8 9 9 6 0 瑚z 对应的各次谐波阻抗9 0 调整后的阻抗值和初始值的对比9 1 各频点下连续型类功放的功率附加效率9 1 各频点下连续型i f 类功放的输出功率9 2 调相微带线角度估计方法9 3 主功放和辅功放输出端基波电压幅度特性9 4 主功放和辅功放输出端基波电流幅度特性9 4 主功放和辅功放的有源负载牵引9 5 各频点下d o h e r t y 功放漏极效率曲线9 6 x 表目录 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表目录 输入输出端各次谐波的最佳阻抗5 1 8 0 0 m h z 1 9 0 0 m h z 双频f 类谐波控制电路微带线参数6 6 本文的双频f 类功放与文献中的双频功放性能对比6 9 本工作与其他双频和单频谐波控制功放性能的比较7 4 x i x 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 上世纪后期以来，无线通信技术取得了突飞猛进的发展。八十年代制定的 l g 标准主要针对语音的传输，采用模拟技术。九十年代初期，2 g 技术逐渐取代 了1 g 技术，它以数字语音的传输技术为核心，传输速率能达到9 6 k b p s ，主要 技术可分为两类，一种是以时分多址( t d m a ) 发展出来的，以g s m 为代表， 另一种则采用码分多址( c d m a ) 技术。本世纪开始后，3 g 技术开始在世界范 围内得到广泛应用，能够传输图像声音等多种数据信息，在室内、室外和移动环 境中分别能够达到2 m b p s 、3 8 4 k b p s 和1 4 4 k b p s 的传输速率，国内采用的3 g 标 准有中国电信的c d m a 2 0 0 0 ，中国联通的w c d m a ，中国移动的t d s c d m a 。 4 g 技术是目前研究的热点并逐渐趋于成熟，它以传输高质量的视频和图像为目 标，最高达到1 0 0 m b p s 的传输速率【l j 。不难发现，大约每十年就会有一项技术的 更新换代，而且随着科技的高速发展这个转变会更快，时间会更短，呈指数增长 的传输速率和复杂多样的技术标准不断给通信系统提出更高更复杂的要求。 功率放大器是通信系统中的关键单元，它位于发射机的末端，其性能直接影 响到信号的传输距离和传输质量。同时功放在整个发射系统中的耗能中占据了绝 大部分，如果一味的追求输出功率不考虑效率，则会大幅度增加整个系统的能耗， 不仅浪费了大量电能，与全球环保节能减排的趋势矛盾，还提高了通信设备的工 作成本，更主要的是对散热装置和电源技术提出更高的要求，甚至影响系统的稳 定性【2 ，3 】。因此高效率功率放大器一直以来都是重要的研究内容。 功率放大器提高效率的传统方法是减小导通角，在这个过程中，功放的工作 状态经a 类、a b 类、b 类、c 类逐渐过渡，效率逐渐趋于1 0 0 ，但导通角的 减小也降低了输出功率，效率达到1 0 0 时输出功率也降为0 1 4 。这种功率与效率 矛盾的传统方法在当前的通信需求前显得无力，能兼顾功率与效率的开关类功放 d 类、e 类、f 类和逆f 类高效率功放逐渐成为讨论的热点。 无线通信技术的发展对高效率功放主要有以下几点要求。首先，其效率的提 高是最重要的，但高效率功放的单管功放往往带宽较窄，不利于其在宽带的调制 信号中的应用，因此针对高效率功放提高带宽的技术在实际中意义重大。其次， 目前的无线通信标准均包含多个频带，如g s m 包括8 5 0m h z ，9 0 0 m h z ，1 8 0 0 m h z 和1 9 0 0m h z ，w c d m a 包括9 0 0m h z ，1 7 0 0m h z ，1 9 0 0m h z 和2 1 0 0m h z ， 为了减小体积和成本，通信设备不仅需要兼顾同一个标准内的多个频带，还需要 第1 章绪论 在不同的标准间兼容，这就带来了对双频带、多频带微波电路和子系统的需求， 功放作为通信系统中的主要器件，其双频、多频带技术已经成为一个研究的热门 方向。此外，在频谱日渐拥挤的情况下，为了提高带宽的利用率，往往采用复杂 的非恒包络调制方式，峰均值达到6 1 2 d b ，而单管功放的最大效率一般都在饱 和功率处实现，针对非恒包络信号不能充分发挥其高效率的优势，需要进一步研 究合适的方法。于此同时，为了便于大规模生产和调试，高效率功放的设计方法 和结构也应该简单化。 以上的叙述指出了当今射频高效率功放的几个发展方向，本文将在正文部分 针对这几个内容进行研究和分析。 1 2 射频高效率功率放大器的研究现状 1 2 1 晶体管技术的发展 从九十年代开始，l d m o s ( l a t e r a l l yd i f f u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 一直 是微波射频大功率器件的主流工艺。l d m o s 相对于双极型器件具有很多优势： l d m o s 在器件封装时直接接在衬底上，散热性能好，延长了使用寿命，并且具 有负温度系数，当温度升高时会自动降低功率，达到热平衡，不会产生失控；可 以在很高的功率范围内保持良好的增益线性度，在交调互调谐波等方面的性能比 双极型器件优秀；增益高，减小电路级数和尺寸；在高功率状态时上升下降沿时 间短：可以承受高击穿电压，失配情况下能承受较高的驻波比。l d m o s 的这些 优势使得它一直是2 g h z 以下大功率功放的绝佳选择，但它仍然存在功率密度低 且易被静电破坏等缺点 5 6 】。 近年来射频功放中的一个重要发展就是宽能隙半导体工艺的出现，以s i c 和 g a n 7 , s 】材料为代表。能隙定义为将一个电子从价带搬移到导带所需要的能量， 对器件的最高电压和最大功率容量都有影响。更宽的能隙意味着更高的工作温度， 更大的能量密度，更小的尺寸，更低的封装成本，也意味着对外界影响的高容忍 度，在电子击穿前能支撑更高的内部电场。与高能隙对应的高击穿电压，保证了 器件可以有大电压摆幅，自然还有高功率输出能力。不仅如此，大电压幅度在同 样的电流密度下会导致更高的输出匹配阻抗，降低了匹配电路的设计难度。g a n 的能隙为3 2 e v ，而g a a s 只有1 4 2 e v ，s i 只有1 1 2 e v 。 h e m t ( h i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ) 利用高迁移率的二维电子气2 d e g 工作，具有超高速，低功耗和低噪声的优点。g a n 具有的压电极化效应可以显 著地提高h e m t 中2 d e g 的迁移率和密度，采用g a n 材料的h e m t 具有高跨导、 2 第1 章绪论 高工作频率和饱和电流的显著优势。虽然g a nh e m t 价格昂贵，初期多应用于 军事领域，但随着3 g 技术的发展，对功率越来越高的要求使得g a nh e m t 被 广泛的应用于高效率功放的研究中，并进入了初步商用阶段。本文中的电路都将 采用g a nh e m t 进行设计。 1 2 2 高效率单管功放的发展现状 经过对传统导通角模式功放的改进，逐渐出现了多种高效率的开关模式功放， 例如d 类、e 类，以及类开关模式的f 类、逆f 类，最近还提出了j 类等类型的 功放。 d 类功放于1 9 5 8 年被提出，由两个晶体管开关构成推挽结构。它和推挽b 类功放的区别在于d 类工作在开关状态，效率更高。d 类的漏极波形虽然与f 类相同都为方波，但产生机理却不同，是由晶体管的开关特性得到的恒电压，这 就对开关的速度有了很高的要求，要求晶体管有足够高的截止频率，晶体管的输 出电容也对性能的影响很大，这些都限制了d 类功放的工作频率，使得它主要 应用在低频电路中【9 】。而且d 类功放要求两个晶体管，成倍的增加了成本和功耗。 e 类功放最早出现在1 9 7 5 年，由开关晶体管和输出端的电容电感构成，通 过强驱动使得功放的晶体管以开关状态工作【l 们。其波形的特点是：有电流流过时， 电压为零，存在电压时，没有电流流过，晶体管导通瞬间电压的斜率为零。但和 d 类功放一样，晶体管寄生电容的影响也随着频率的升高而加强，同样限制了其 在较高频中的应用。 f 类和逆f 类功放最初起源于过激励的b 类功率放大器【1 1 1 ，b 类功率放大器 导通角为1 8 0 。，过激励的b 类功放波形顶部出现削峰，失真的波形包含高次谐 波分量。f 类和逆f 类的原理就是通过调整高次谐波的阻抗，调整对应谐波的电 压和电流，从而对总的电压电流波形进行重塑，使得在时域上不出现电压电流的 重叠，在频域上高次谐波功率消耗为零，理论上可以达到1 0 0 的效率【l2 l 。理想 的f 类功放漏极电压为方波，电流为半正弦波，对应的谐波阻抗情况是偶次短路， 奇次开路，逆f 类功放的波形和谐波阻抗都与f 类相反，电压为半正弦波，电流 为方波，对应的谐波阻抗是偶次开路，奇次短路。f 类和逆f 类功放对于晶体管 参数的要求较低，唯一的要求是晶体管封装内不能包含内匹配电路，实际应用中 的效率也比e 类高，种种优点使得它们成为高效率功放研究的热点。 对性能的更高追求一直推动着f 类和逆f 类功放的研究。最初的热点集中在 深入探寻各次谐波分量的大小对波形的塑造以及如何影响功率和效率上 1 2 。15 1 ，随 着逆f 类的提出，f 和逆f 两者性能的优劣比较吸引了很多目光【1 6 2