【《逆F类射频功率放大器的设计》12000字】

逆F类射频功率放大器的设计摘要科技的发展日新月异，无线通信技术的发展让人们的生活也更具有多样性，人们可以利用新科技完成以前做不到的事情。如日常生活中的无人驾驶，视频会议，人们探索宇宙信息传输或是军事国防领域电子对抗等。一些先进的通信系统也依赖于先进的硬件系统，射频功率放大器便是其中之一。一款优秀的射频功率放大器，能综合各项技术指标，满足一些现实功能的需要。在所有的功率放大器中，F类与逆F类射频功率放大器结构相较于其他功率放大器更为简单，不考虑其他参数因素的效率可达100%。本论文简要介绍了当今社会和过去社会的射频功率放大器的发展状况。对于功率发大器的各项性能指标，设计方法以及分类进行了分析。在本次毕设设计过程中选用的是LDMOS晶体管，在晶体管选型完毕后将晶体管导入软件系统，在软件内设计它的输入输出匹配电路，在设计过程中考虑晶体管的寄生参数的影响并将它与谐振网络的设计结合。同时设计输入输出的偏置电路以减小射频信号与直流信号带来的误差。最终通过控制二三次谐波的短路或开路，获得理想的电流电压波形，并将效率最大化。在进行电路仿真操作时使用的是ADS软件，最终设计出来的逆F类射频功率放大器功率附加效率最大值达到了63.524%，输出功率最大值达到了42.475%，输出功率大于40dBm，功率附加效率大于60%，线性度符合要求，总体满足设计要求。关键词：逆F类功率放大器功率附加效率输出功率ADS软件谐波控制网络目录TOC\o"1-3"\h\u221291.绪论 17301.1课题研究的背景 1172341.2当今社会射频功率放大器的发展状况 175521.3主要工作和章节的安排 2138622.射频功率放大器介绍 4186472.1射频功率放大器的技术指标 4174812.1.1工作频带 469302.1.2输出功率 4205502.1.3功率增益 513282.1.4效率 695552.1.5稳定性分析 648492.1.6非线性分析 6327532.1.7增益平坦度 7306112.2射频功率放大器的分类 7297532.3CMOS功率放大器 9136502.4LDMOS功率放大器 10265872.5射频功率放大器的分析方法 10240573.ADS软件介绍 12176323.1ADS软件简介 1274453.2ADS使用流程 13296104.逆F类射频功率放大器的分析 161244.1F类与逆F类射频功率放大器原理分析 16240104.2谐振网络的设计 20231065.逆F类功率放大器的设计 2222075.1设计指标 22121365.2有源晶体管和介质材料分析 2235515.3逆F类功率放大器的仿真 231795.3.1晶体管的直流特性分析 23106175.3.2偏置网络设计 25265165.3.3考虑寄生参数的谐波网络设计 2639505.3.4负载牵引法 2738545.3.5原理图仿真分析 3145026.总结与展望 364339参考文献 37绪论课题研究的背景当前是一个信息科技迅速发展的时代，在通信这一领域发展尤为显著。从1G到5G信息传输的速度和质量越来越高。这也促使着一系列先进应用工具的进一步发展，如无人驾驶技术，人脸识别技术，蓝牙技术，智能手机等等。在日常生活中，凭借着信息科技的迅速发展，人们可以进行视频会议，网上面试等一系列活动，极大地方便了人们的生活。这些都要求信息的高效率，高质量传输。射频功率放大器作为信息通信的前端模块就显得尤为重要。5G时代到来有一部分原因得益于射频功率放大器的飞速发展，在建造的基站中射频功率放大器占据了绝大多数功耗，因此想要设计一款受人欢迎的射频功率放大器应考虑尽可能的降低功耗，增加带宽和提高效率。射频功率放大器具有很多种类，其中属于开关类的逆F类射频功率放大器具有无可比拟的优势，通过调整输出回路的阻抗让谐波短路和开路即可调高功率放大器的效率，这显得尤为方便。因此高效率，高功率，高带宽和小体积的射频功率放大器已经成为了当前时代的发展趋势。一些先进的功率放大器在一些军事，科研探索领域也有着极为重要的应用。最近几年射频通信领域得到了巨大的发展，5G时代的到来使得人们在远距离交流过程中可以传输大量的视频和图片信息。蓝牙技术也得到了空前的发展。人们在研究无线通信的同时也开辟了蜂窝移动通信市场的新领域。因此设计一款好的逆F类射频功率放大器已经成为了大势所趋。当今社会射频功率放大器的发展状况射频功率放大器是信息传输领域的一个重要模块，如何提高功率放大器的效率显得至关重要。由于逆F类射频功率放大器高效率的优势，近几年人们研究目光锁定在它的高效率的研究设计上，且取得了一定方面的成果。2015年，等人提出了一种逆F类功率放大器的设计模型，采用源牵引，负载牵引的方法获得到最佳输入输出阻抗，测试表明:2.4GHz下PAE为77%，输出功率为12WADDINNE.Ref.{0BC681D0-31C0-42DA-9DA5-15FC03F51966}[1]。2017年，等人设计了一种逆F类射频功率放大器，这款射频功率放大器具有连续的特性，它的工作频带大致范围为1.7-2.9GHz，设计核心部分为阶跃阻抗匹配电路，测试结果表明，在工作带宽内，增益波动小于2dB，饱和功率大于40.5dBm，峰值效率为65%～76%ADDINNE.Ref.{96E775CD-73A8-47AE-8A68-2DAB44395286}[2]。2019年，等人设计了一款工作在2.6GHz的逆F类射频功率放大器，在输出网络的设计方面充分考虑了对于多次谐波的控制，提高了输出效率，由于栅源寄生电容的存在在输出回路中加入了二次谐波抑制电路的设计，进一步提高了输出效率。最终，经过仿真优化最大，最大功率附加效率为72.16%，输出驻波比为小于2，输出功率达到了43.32dBm，漏极效率经过调试得到的最大值为77.91%ADDINNE.Ref.{7A6AAF72-7A23-490C-A2F1-E5C9B19666FF}[3]。2020年，等人设计了一款波段（32～38GHz）的功率放大器，该功率放大器在巴伦上加入谐波控制网络来提高效率，仿真结果表明，在2.5V供电电压下，在中心频率35GHz，功率增益为29.2dB，输出功率1dB，最高功率附加效率达到20%ADDINNE.Ref.{5047003A-CA25-4DDD-8489-BD798D200B78}[4]。2020年，等人设计了一款逆F类射频功率放大器，它工作在3.3GHz—3.6GH，为了提高输出能力，采用了平衡结构，且考虑了带有寄生参数的谐波控制网络和结构，通过仿真设计，它的功率附加效率达到了77%，功率减少6dB时，DE从最大的82.6%降到69%左右ADDINNE.Ref.{26C238A5-777B-4115-A8AA-004C4C6E6560}[5]，增益平坦度约为±1.5dBREF_Ref30644\r\h。主要工作和章节的安排本文主要对逆F类射频功率放大器的原理和设计进行分析，通过将一个完整的射频电路分成偏置电路，谐波控制电路部分，有源晶体管部分，进行分步设计。最后使用飞思卡尔公司的LDMOS晶体管进行操作和设计，使用的软件为AdvancedDesignSystem高级设计系统ADDINNE.Ref.{F44A2155-AAFF-469E-BDE1-467BCBE7ED9B}[6]。本文的主要工作安排如下：主要介绍通信传输方面的当前发展趋势。第二章，主要阐述了功率放大器的各项技术指标，有助于后文各种参数的理解，然后介绍了各种不同类型的功率放大器，以此分析他们的各种优劣情况。以及如何设计一款射频功率放大器。第三章，主要阐述ADS软件的主要应用领域，讲述它是如何操作的，以及用ADS软件设计一款射频功率放大器的详细步骤。第四章，主要讲述逆F类射频功率放大器的原理，通过对它的电流和电压方程式进行求微分操作，得到各次谐波，分析产生电流方波和电压半正弦波的原理和方法。最后还介绍谐振网络的重要性。第五章，主要进行了逆F类射频功率放大器的理论设计，在进行设计的时候主要考虑了如何充分控制谐波，利用考虑寄生参数的微带线的匹配设计，实现功率放大器想要的设计，即实现输出端二次谐波开路，获得方波信号，以此提高效率。第六章，总结与展望，主要讲述了本次设计的已经达成的目标和需要进一步完善的地方。射频功率放大器介绍射频功率放大器的应用日渐广泛，下文将从它的技术指标和分类方面进行详细介绍。射频功率放大器的技术指标射频功率放大器通常具有指定的工作频率和效率，并且在某一频带内工作。它的主要技术指标有：工作频带射频功率放大器的带宽表达式为：（2-1）相对带宽表达式为：（2-2）其中为上限频率，为下限频率，为中心频率ADDINNE.Ref.{4523797C-98E8-45A3-8746-175A6656B494}[7]。输出功率图2-1输入功率和输出功率的关系图射频功率放大器的输出功率可以表示为和，前者可以理解为为一分贝压缩点输出功率，后者为饱和输出功率。由图2-1可见，为饱和输出功率，字面意思为为达到饱和状态的输出功率，即当输入功率不再增加且状态慢慢变得平缓时，此时查看它的输出功率的值这个值就是饱和输出功率，指输出功率减去输入功率为1dB时的输出功率ADDINNE.Ref.{3DF434AC-30B0-487E-A548-C57CDDCC1995}[8]。功率增益图2-2为功率放大器内部结构图它拥有如下几个部分：信号源，输入匹配电路，晶体管，输出匹配电路和负载。在电路图中为消耗在负载上的功率为功率放大器的输出功率为功率放大器的资用功率为信号源上的资用功率ADDINNE.Ref.{F20DA0DF-6BD4-403E-B28A-8C6710BC828E}[9]。图2-2功率放大器内部结构图（1）实际功率增益：（2-3）资用功率增益：（2-4）（3）转换功率增益：（2-5）效率功率放大器的效率中为漏端输出功率为直流功率为输入功率漏端效率表示为：（2-6）为放大器损耗功率，越小漏端效率越大，由于漏端效率未考虑输入功率所以无法很好的判断放大器的效率大小。功率附加效率表示为：（2-7）它表示输入功率输出功率和效率的关系，当不变越大效率越大。稳定性分析功率放大器的稳定是功率放大器正常工作的关键，具有稳定的输出功率可以防止信号失真，有助于实验现象的分析和理解。在S参数的有源二端口网络中，稳定性有条件稳定和绝对稳定两种，其稳定性因子K表示为：（2-8）其中，当，时，为条件稳定。非线性分析非线性指的是放大器在失真时的各项性能指标，它可分为谐波失真和互调失真图2-3功率放大器互调失真系数谐波失真：电路的输出端，谐波信号未能很好的被控制，使得设计者需要的电压或电流信号被干扰出现失真，互调失真：在输入端输入两个信号，输出端会出现输入信号的各种和差的组合，若出现失真即为互调失真，更多时候只考虑他三阶状态下的失真。假设互调信号功率，主频率信号功率可得（2-9）增益平坦度只在一定温度下，整个工作频率范围内放大器增益变化的表达式：（2-10）其中和分别是频带增益的最大值和最小值ADDINNE.Ref.{76F11B6B-4FE0-49B0-A97A-FD167FEDB6B3}[10]。射频功率放大器的分类射频功率放大器有许多种类，如今中国推行5G信号，鉴于中国土地辽阔，人口密度分布极度不均，建造信号基站再合适不过了，因此当下高带宽小体积高效率的射频功率放大器更受欢迎。射频功率放大器的频率没有特定的范围，它可以是几百Hz也可以是几千Hz，它的种类有开关类和偏置类，其中F类与逆F类射频功率放大器属于开关类，其他则属于偏置类。图2-4射频功放的电压电流关系曲线图如图2-4所示，A类放大器的静态工作点处，可以观测出完整连续的输入输出波形具有良好的线性度，前提是输入功率较小，它在理想状态下效率可以达到50%，效率较低。B类放大器的静态工作点在A点之下，它在理想状态下效率可以达到78.5%，效率较高，但是由于更高次谐波的存在，影响了它的线性度。C类功率放大器正常的工作位置处于截止区，理想工作效率为100%，在实际中通常需要降低它的工作效率以满足输出功率的需要。图2-5理想F类PA的半正弦波电流波形和方波电压波形图2-6理想逆F类PA的半正弦波电压波形和方波电流波形D类功率放大器的效率理论可达100%，理想输出波形为方波的电压波和半正弦波的电流波，由于其两个有源晶体管无法完全等效为两个理想的开关，所以无法达到理想状态。E类功率放大器的一个有源晶体管类似于一个占空比为50%的开关，通过在输出端加滤波和匹配网络降低损耗，提高效率。F类功率放大器偏置在B类工作点附近，采用E类开关模式工作，利用谐波分量提高效率降低损耗，实现如图2-8所示，输出波形为方波的电压波和半正弦波的电流波，而逆F类射频功率放大器则是通过调整谐振网络获得如图2-9所示，输出波形为方波的电流波和半正弦波的电压波。CMOS功率放大器CMOS又被称为互补金属氧化物半导体，它是一种芯片且专门用来存放数据，它由电压控制。射频功率放大器通常以效率和输出功率为指标,它通常有中间级，功率放大级等。它通常作用在天线中，目的是提高功率以将信号发射出去，同时其谐波信号要够小不对其他信道造成干扰。SiCMOS技术使得射频集成电路成为可能，可以极大地缩小电路体积，开放了广阔的市场。同时射频电路的各项性能指标如功率附加效率，功率增益，输入输出功率，带宽等等难以同时达到最优。例如，线性度的提高会使得功率附加效率的降低，同时会消耗直流功率。图2-7CMOS晶体管示意图功率放大器是信号收发端的末端器件，在设计CMOS功放时有时可采用巴伦设计，巴伦是指平衡不平衡转换器，单端信号在经过某些电路时可以变成差分信号，如巴伦电路。巴伦有电感的阻断交流作用，也有电容的隔离直流作用。因此在设计时可以大大缩小系统的体积，有助于CMOS功率放大器的开发。在进行CMOS功放的电路设计的时候通常需要进行以下几个部分的设计：输入匹配，驱动级，级间匹配，功放级，输出级。LDMOS功率放大器LDMOS晶体管又被称为横向扩散金属氧化物半导体，由于适合高压环境以及功率控制环境常用于高压集成电路和射频电路中。LDMOS晶体管可以与CMOS晶体管兼容且在一些关键器件性能参数方面拥有许多优势。图2-8LDMOS晶体管示意图射频功率放大器的分析方法射频功率放大器有很多种分析方法，有针对输入输出端口反射系数和传输系数的小信号分析和大信号分析，根据晶体管的输入输出回波损耗以及隔离增益系数可以进行小信号散射参数分析，而大信号分析由于输入电平的变化导致S参数不断变化，需要计算机进行模拟匹配输入输出电路，获得S参数后再进行阻抗设计。还有动态阻抗设计法，这种设计方法需要计算机不断进行电路调试通过改变电路参数获得最佳负载线，和获得要求的效率和功率，再根据得到的输出阻抗进行阻抗匹配设计电路，由于太过复杂，不太适合运用。通常设计功率放大器会使用到负载牵引法，这种方法通过计算机仿真软件将不同的负载接到晶体管的输出端，设定输入信号通过仿真在史密斯圆图上找出此输出功率下的最大功率附加效率并记下负载阻抗，然后重复上述操作，接着画出有关等功率附加效率曲线图然后找出最佳负载。最佳源阻抗的寻找方法与此类似。在实际操作过程中，首先进行参数设定像输入功率和晶体管选型，然后调用load-pull和source-pull，在电路图上设定一些输入信号，工作频率等参数，不断进行仿真调试，找出最大功率附加效率的负载阻抗值。若在阻抗匹配时多次谐波对基波波形有较大影响，则在阻抗匹配时还需要用多次谐波的阻抗值进行匹配，直到谐波不再影响基波波形，确定出最佳阻抗。ADS软件介绍ADS软件简介ADS是一款十分优秀的射频仿真设计软件，人们利用这款电路主要进行仿真操作，方便设计出一些符合要求的射频功率放大器等先进设计系统在许多射频领域或是微波模块领域和MMIC方面有着广泛的应用。ADS可以提供时域频域电路和电磁场仿真设计的全套仿真工具，在仿真过程中拥有电路验证检查的能力。ADS电子设计拥有很强的自动化功能设计能力，以及各种仿真能力，在数字电路模拟电路以及微波天线领域拥有极好的仿真效果，使用前景非常广阔。先进设计系统具有许多优秀的功能，设计人员可以在上面设计一些射频电路，模拟电路等等，满足一些既定的需要，或者继续进行仿真评估实验，根据一些既定的的试验现象，调整实验数据继续调试直到获得想要的数据。针对一些新上手ADS的科技人员，这款软件还具有新手导向功能，通过一些简单的指令，完成某个简单的电路实现一些既定的功能。ADS还具有和EDA软件进行谐仿真的能力，如SPICE、MentorGraphics的ModelSim、Cadence的NCVerilog、Mathworks的Matlab等。图3-1ADS图片图3-2ADS操作界面ADS使用流程下面简单介绍一下ads的使用流程新建一个新的工程点击下拉菜单file-new-workspace输入name，然后在createin栏目内输入要保存到的地址新建原理图和版图和symbol点击schematic图标，输入cell名称点击layout图标，输入cell名称点击symbol图标，输入cell名称原理图设计点击左边的search窗口进行元器件的搜索选择insertwire图标进行元器件的连线在搜索栏选择s参数设置调好自己想要的参数，点击simulation进行仿真调谐仿真点击simulation图标，选择想要的参数再出现的方框图中进行参数调节，选择想要的波形直流分析点击insert>template>FET_curve_tracer在左边的窗口栏中选择自己想要的芯片选择insertwire图标进行元器件的连线点击simulation图标，分析仿真图表源牵引（负载牵引）点击Designguide>amplifier在出现的方框栏中选择1-ToneNonlinearSimulations>sourcepull(loadpull)在左边输入栏选择自己要测试的芯片将芯片放置于原理图版面上选择insertwire图标进行元器件的连线点击simulation图标，分析仿真图表阻抗匹配1、在左边窗口选择simulationSpara>term、Smithchart2、根据输入输出阻抗设计term参数，选择insertwire图标进行元器件的连线3、选中smithchart>点击tools>smithchart4、在右下角设置Zs，ZL阻抗5、在palate栏中选择合适的元器件将Zs，ZL阻抗连接起来6、点击buildadscircuit>close八、单音调谐平衡仿真1、点击Designguide>amplifier2、在出现的方框栏中选择1-ToneNonlinearSimulations>从上往下数第六个3、在左边输入栏选择自己要测试的芯片4、选择insertwire图标进行元器件的连线5、点击simulation图标，分析仿真图表图3-3单音调谐平衡仿真选择逆F类射频功率放大器的分析科技的发展日新月异，无线通信技术的发展让人们的生活也更具有多样性，一些先进的通信系统也依赖于先进的硬件系统，F类与逆F类射频功率放大器结构相较于其他功率放大器更为简单。因此慢慢进入了人们的视野。下文将讲述逆F类射频功率放大器的原理及其设计方法ADDINNE.Ref.{6E0D811C-B3C0-402C-81DF-3A86C8165928}[11]。F类与逆F类射频功率放大器原理分析奇次谐波短路偶次谐波开路谐波控制网络奇次谐波短路偶次谐波开路谐波控制网络图4-1逆F类射频功率放大器原理图电压和电流：（4-1）（4-2）基波输出功率：（4-3）（4-4）漏极理论最大效率：（4-5）100%漏极效率的阻抗条件：（4-6）100%漏极效率的阻抗条件一般需要四分之一波长传输线和高Q值的谐振回路实现。对方波电流和半正弦波电压表达式进行傅里叶变化，得到电流和电压表达式ADDINNE.Ref.{A5A5A062-167B-484A-A887-DC626CDB2939}[13]：（4-7）（4-8）式中：，是基波频率，式（4-7）中包含了电流的直流分量和各奇次谐波电流之和，式（4-8）中包含了电压的直流分量和各偶次谐波电压之和ADDINNE.Ref.{3A9F948D-4753-40AD-A7CA-BDEFC2C0841A}[14]对方波电流表达式，式（4-7）求微分表达式一阶微分表达式：（4-9）二阶微分表达式：（4-10）三阶微分表达式：（4-11）四阶微分表达式：（4-12）五阶微分表达式：（4-13）由图2-9理想逆F类功率放大器的波形图可知，当时，理想逆F类功率放大器分别获得最大的电流值和最小的电流值，且都处于中间位置，由最平坦度波形要求可知，需要当时偶阶微分方程为0，当n为奇数时保持各奇阶微分方程为0。当只考虑基波信号和三次谐波信号时得以下表达式：（4-14）（4-15）进而得到基波分量和三次谐波分量与直流分量的表达式关系：（4-16）当只考虑基波信号和三次谐波信号和五次谐波信号时得以下表达式：（4-17）（4-18）（4-19）进而得到基波分量，三次谐波分量和五次谐波分量与直流分量的表达式关系：（4-20）这样就得到了三次谐波峰化和五次谐波峰化的电流波形，可以从图3-1中看出随着谐波次数的增加，电流波形越来越接近于方波ADDINNE.Ref.{A57069E5-A74A-4594-A10D-77C6BC082386}[15]。图4-2考虑谐波时的电流波形变化图图4-3考虑谐波时的电压波形变化图同理通过对电压表达式求各阶微分表达示，通过各阶微分表达式分析可知当n为偶数且时各奇阶微分表达式为0，又由最平坦度的要求各偶阶微分表达式也要为0，由此可通过电压波的方程，求得只考虑基波信号和二次谐波信号时的表达式和只考虑基波信号，二次谐波信号和四次谐波信号时的表达式，进而得到各次谐波分量和直流分量的关系式（4-21）和（4-22）。（4-21）（4-22）（4-23）通过效率的表达式（4-23）可以得到随着电压和电流谐波分量的增加效率也会增加。当电流谐波的峰化最高次数达到九次，电压的最高谐波峰化次数达到六次时最大漏极效率可达93.1%。在实际设计中，必须考虑有源晶体管内外部寄生参数的影响。因此为实现逆F类功率放大器高效率的要求，要使得它的奇次谐波被短路消除奇次谐波，这样就能获得半正弦波电压信号，达到理想状态下的100%效率，而实际过程中为方便我们只考虑二三次谐波。谐振网络的设计在设计逆F类射频功率放大器的时候需要进行谐振网络的设计，因为输入信号高频的情况下考虑到有源晶体管的非线性，输出的一般谐波会对功率放大器的效率有影响，需要对输出谐波进行调配以获得最优谐波振幅和各次谐波的最优输出阻抗以最大化漏极输出效率ADDINNE.Ref.{5E384C3C-3503-4F70-A9C3-4CF0BDDA200C}[16]。在电路中，谐振网络的作用是对输出电压或电流波的偶次或奇次谐波进行短路或开路操作。理想F类功率放大器输出端采用四分之一波长微带线进行谐波控制，理想的逆F类射频功率放大器输出端可采用ＲＦ短路六分之一波长微带线与串联微带及二次谐波终端八分之一波长开路短截线组合实现谐波控制。图4-4小信号有源晶体管等效电路图在设计射频功率放大器的时候，需要考虑到有源晶体管寄生参数的影响，在设计谐振网络的时候需要把他们考虑在内，图4-3为有源晶体管小信号的分析模型，模型中包含了各种端子之间产生的额外电容电感以及外部寄生元件，这些寄生参数在设计时需要借助一些模拟仿真软件进行提取，以方便后续设计。谐振网络一般采用微带线的SIR结构和T型结构以满足设计要求，有助于消除寄生参数的影响，获得理想的漏极效率。逆F类功率放大器的设计设计指标本章将通过合适的电路设计，和计算机仿真软件的模拟仿真调试，设计了一款逆F类射频功率放大器。其具体需要满足的要求：主要工作范围：2.3GHz-2.4GHz输出功率要求：功率附加效率：功率增益：>10dB有源晶体管和介质材料分析设计一个良好的功率放大器，需要选择一款适合设计要求的有源晶体管，当前市面上晶体管款式种类较多，各方面优缺点也参差不齐，所以非常有必要对各类主要晶体管进行分析，以帮助更好的选择适合的有源晶体管。随着科技的发展有源晶体管也向着低价格高功率高性能方向发展，一代晶体管以Si双极性晶体管为代表，由于各项性能参数方面的缺陷，无法满足设计需要。二代晶体管以化合物半导体为代表，由于其较宽的频带，适宜的价格，较高的频率不错的电子迁移率且适合一些高功率的工作环境等特点，非常具有性价比。第三代晶体管以GaNHEMT晶体管为代表，由于这类晶体管发展还不全面仍有许多缺点例如价格，稳定性，偏置电压等方面，所以也不适宜设计需要。随着无线通信技术的发展，发射机前端对于射频功率放大器的要求日渐提高，然而线性度和效率两者无法同时提高，两者相互矛盾。目前市场上的一些晶体管由于还未发展成熟，在功率放大器的一些基本参数方面发展还很不全面，如稳定性偏置电压等方面。为了兼顾线性度和效率，设计者往往会对电路的结构进行升级改善。此次设计中使用到的是LDMOS晶体管，这类晶体管具有一些显著的优点，例如良好的导热性能，耐高温，适中的价格，较宽的频带等。但是由于它的截止频率较低，所以不太适合高功率场合。本次使用的晶体管为LDMOS类型，开发公司为飞思卡尔公司，具体型号为MRF6S27015N，它的详细参数如下：表5-1晶体管MRF6S27015N的主要参数逆F类功率放大器的仿真为完成功率放大器的设计，需要进行以下操作：（a）从NXP选择一款合适的晶体管模型并且下载到自己的电脑中，然后将晶体管的数据导入到先进设计系统中进行放大器的设计。（b）阅读下载晶体管的数据手册资料，了解各项性能指标，并且用仿真软件进行晶体管的直流特性分析，提取参数。（c）对晶体管进行初步电路设计，使之具有一款射频功率放大器的雏形。（d）对电路进行单音谐波平衡仿真，获得电路的输出功率，功率附加效率，功率增益等性能参数，最后优化电路完成设计要求ADDINNE.Ref.{FA9FA9C5-1DEC-4D8F-A2BC-944DB805EBDF}[17]。晶体管的直流特性分析进行晶体管的直流特性分析，是为了获得它的漏端电压和栅源部分的电压，进一步获取它的静态工作点方便后续的设计。在设计前需要先导入晶体管，进行电路布置，仿真获取数据。最后将晶体管的资料手册上的参数和仿真得到的结果进行综合考虑，得到最终结果ADDINNE.Ref.{CA873219-648D-4ABC-BC02-65BA5172D72E}[18]。即选定漏极直流偏置工作电压为28V，栅源直流偏置工作电压为2.8V,通过静态工作点的曲线可得漏极静态电流为5mA。图5-1晶体管MRF6S27015N的直流特性分析电路图图5-2晶体管MRF6S27015N的直流特性参数曲线偏置网络设计图5-3晶体管MRF6S27015N放大器的偏置电路设计任何一款放大器都需要偏置电路为他提供动力，它的具体功能如下：（1）偏置电路上的电源是为晶体管提供驱动力，同时稳定电压值防止损坏电路元件。（2）在形成直流通路的同时要防止射频信号耦合到直流源，和直流信号进入射频电路。在设计中通常用到四分之一波长传输线，扼流电感和大电容。四分之一波长传输线相当于一个阻抗变换器，在有射频信号时电阻变大相当于开路，有直流信号是电阻变小。扼流电感和电容在有射频信号时相当于开路，直流信号经过时相当于短路，起到了去耦合的作用ADDINNE.Ref.{BAAD5D4F-9E4B-4D60-B36D-6012A1B91D2D}[19]。图5-3是晶体管MRF6S27015N的偏置电路，在输入端扼流电感和四分之一波长传输线串联，两者结合起到了很好的射频信号去耦合作用，在输出端拥有同样的设计，并且在两者之间并连了一个接地的电容，让流经的射频和直流信号滤除，有助于射频信号去耦合。考虑寄生参数的谐波网络设计在逆F类功率放大器中，晶体管存在各种本不应该存在的电容和电阻，使得本该开路的地方存在了电容，本该短路的地方存在了电阻，这些细小的差别会对电路仿真造成一定的影响，要规避这些误差就要考虑到寄生参数的补偿。设计逆F类射频功率放大器最主要的是设计它的谐波控制网络，调节谐波电路可以控制整个射频电路的输出电压电流波形，甚至可以控制它的效率大小，由于晶体管寄生参数的存在，设计谐波电路时也要考虑寄生参数，最终目的是为了达到预期目标，设计出理想的逆F类射频功率放大器。图5-4有源晶体管考虑寄生参数等效电路模型图5-5有源晶体管栅源电压远大于夹断电压等效电路模型和普通的开关型器件不一样，有源晶体管的栅极源极和漏极之间两两之间存在各种电阻和电感，这些寄生参数若被忽略，在设计谐波电路时这些寄生参数会形成干扰项，设计不了想要的电路，不能获得想要的电压电流波形和效率。为了求出寄生参数，把有源晶体管的栅极电压控制在远大于夹断电压，这样沟道电阻短路，跨导为零，栅源电容和栅漏电容并联成电容Cg，此时可以建立图5-5有源晶体管栅源电压远大于夹断电压的等效电路的模型，以此提取等寄生参数。图5-7逆F类功放控制谐波的系统图5-7为逆F类功放谐波控制电路，为实现设计需要短路奇次谐波，开路偶次谐波，获得半正弦波电压信号。由图可知TL13和TL14构成了简单的电路，它用来补偿寄生参数，TL15实现了二三次谐波的相互转换，它的前端结点实现了二次谐波短路，后端结点实现了三次谐波短路，TL19为阻抗变换器，它的波长为四分之一波长，用来隔离射频信号和直流信号。负载牵引法进行负载牵引法的逆F类功率放大器的设计，是对功率放大器的电路设计的一部分，主要目的是提高效率和获得理想的电流电压波形。本次谐波阻抗匹配只对前三次进行谐波进行阻抗匹配。利用load-pull原理图仿真，匹配得到源阻抗值，再次用得到的源阻抗值进行source-pull原理图仿真得到最佳负载阻抗值，再次进行load-pull原理图仿真进而获得最佳源阻抗值，重复上述操作分别进行二三次谐波的最佳阻匹配。如图5-8所示，对晶体管进行基波负载牵引，基本参数设置如图所示，基波负载设为10欧姆。图5-9为逆F类功放的基波源牵引电路图，同样进行上述设置。由图5-10逆F类功放的基波负载牵引数据图可知基波匹配得到的负载阻抗值为1.995+j0.629,输出功率为43.26dBm,PAE值为59.51%。图5-11为逆F类功放的基波源牵引电路图。最后得到最佳基波负载阻抗值为1.995+j0.629，最佳源阻抗值为3.690+j2.001。为了提高功率放大器的效率，在负载阻抗与源阻抗之间还需进行阻抗匹配，最终实现源阻抗值与负载阻抗值互为共轭复数。图5-8逆F类功放的基波负载牵引图图5-9逆F类功放的基波源牵引图图5-10逆F类功放的基波负载牵引数据图图5-11逆F类功放的基波源牵引数据图图5-12逆F类功放的基波负载牵引数据图原理图仿真分析图5-13为逆F类功率放大器的完整原理图，考虑到晶体管的输入与输出端都含有寄生参数，因此在输入与输出端采用相似的微带线结构，在原理图中TL13、TL14起到了对晶体管补偿寄生电感和电容的作用，TL18、TL19则用于调谐功率放大器的二次谐波阻抗，偏置电路更多则采用电容和RFC隔离射频信号和直流信号。此次设计采用微带线设计能够较好的减小输入输出损耗，有助于提高输出功率和效率。如图5-14所示使用ADS仿真模板对逆F类功率放大器进行仿真实验，在仿真过程中准确的设定了它的仿真时的栅漏电压和工作频率。图5-13逆F类功率放大器的完整原理图图5-14逆F类功率放大器单音谐波平衡仿真图5-15逆F类功率放大器功率增益随输出功率变化曲线图图5-16逆F类功率放大器功率增益和功率附加效率曲线图由图5-15可以看出当输出功率为42.5dBm时功率附加效率能达到最大值即63.5%，由图5-16可以看出当输入功率为26.7dBm的时候，输出功率最大值为42.5dBm，此时的功率附加效率为它的最大值达到了63.5%，。它的功率附加效率效率大于60%，满足了设计高效率的要求。总结与展望本次课题通过对功率放大器的理论分析，利用LDMOS晶体管设计了一款逆F类功率放大器，它主要工作在2.3-2.4GHz，通过对各次谐波的阻抗匹配设计，最终其功率附加效率为63.5%，功率增益为13dBm，效率在60%以上。此次设计用到了一款微波射频软件先进设计系统，这款射频软件在仿真电路软件时起到了很大的作用。本次设计不仅考虑了奇偶次谐波控制电路的设计，还考虑到了直流分量和各次谐波之间的关系，简化了设计和仿真，并且成功提高了功率放大器的效率，达到了此次设计的要求，即效率要达到60%以上，满足了这次设计高效率的要求。在本次课题的设计过程中首先在网上找到了一款各项指标都符合要求的LDMOS晶体管，用软件对这个晶体管进行直流分析，然后根据各项指标对晶体管设计输入输出电路和偏置电路，在设计电路的过程中充分考虑逆F类射频功率放大器的要求，经过不断的调试修改，最后进行仿真试验。由于能力有限本次设计只考虑了功率放大器的效率方面的要求，对于功率放大器体积，带宽和线性度方面的要求还需要进一步的改良和分析，并且功率放大器的效率还有待进一步的提高，相信在不久的将来功率放大器的各项指标将会进一步优化，满足人类的各项需要。参考文献[1] 何强.2.4GHz逆F类GaNHEMT功率放大器的实现[J].南京工业职业技术学院学报,2015,15(03):5-8.[2] 孔娃，夏景，施丽娟，等.基于滤波匹配网络的连续逆F类功率放大器[J].微电子学,2017,47(04):469-472.